قوة الاندماج

طاقة الاندماج هي شكل مقترح لتوليد الطاقة من شأنه أن يولد الكهرباء باستخدام الحرارة من تفاعلات الاندماج النووي . في عملية الاندماج، تتحد نواتان ذريتان أخف وزناً لتكوين نواة أثقل، مع إطلاق الطاقة. تُعرف الأجهزة المصممة لتسخير هذه الطاقة باسم مفاعلات الاندماج. بدأ البحث في مفاعلات الاندماج في الأربعينيات من القرن العشرين، ولكن حتى عام 2024، لم يصل أي جهاز إلى الطاقة الصافية، على الرغم من تحقيق تفاعلات إيجابية صافية. ^{[1] [2] [3] [4]}

تتطلب عمليات الاندماج وقودًا وبيئة محصورة بدرجة حرارة وضغط ووقت احتجاز كافٍ لإنشاء بلازما يمكن أن يحدث فيها الاندماج. يُعرف الجمع بين هذه الأرقام الذي ينتج عنه نظام إنتاج الطاقة باسم معيار لوسون . في النجوم، الوقود الأكثر شيوعًا هو الهيدروجين ، وتوفر الجاذبية أوقات احتجاز طويلة للغاية تصل إلى الظروف اللازمة لإنتاج طاقة الاندماج. تستخدم مفاعلات الاندماج المقترحة عمومًا نظائر الهيدروجين الثقيلة مثل الديوتيريوم والتريتيوم (وخاصة خليط من الاثنين ) ، والتي تتفاعل بسهولة أكبر من البروتيوم ( نظير الهيدروجين الأكثر شيوعًا ) وتنتج نواة هيليوم ونيوترون نشط ، ^[5] للسماح لها بالوصول إلى متطلبات معيار لوسون في ظروف أقل تطرفًا. تهدف معظم التصميمات إلى تسخين وقودها إلى حوالي 100 مليون كلفن، مما يمثل تحديًا كبيرًا في إنتاج تصميم ناجح. التريتيوم نادر للغاية على الأرض، حيث يبلغ نصف عمره حوالي 12.3 عامًا فقط. وبالتالي، أثناء تشغيل مفاعلات الاندماج المتوقعة، والمعروفة باسم مفاعلات المولدات، تتعرض أسرّة الحصى المبردة بالهيليوم (HCPBs) لتدفقات النيوترونات لتوليد التريتيوم لإكمال دورة الوقود. ^[6]

كمصدر للطاقة، يتمتع الاندماج النووي بعدد من المزايا المحتملة مقارنة بالانشطار . وتشمل هذه انخفاض النشاط الإشعاعي أثناء التشغيل، وقليل من النفايات النووية عالية المستوى ، وإمدادات وفيرة من الوقود (بافتراض تكاثر التريتيوم أو بعض أشكال الوقود الأنتروني )، وزيادة السلامة. ومع ذلك، فقد ثبت أن الجمع الضروري بين درجة الحرارة والضغط والمدة يصعب إنتاجه بطريقة عملية واقتصادية. هناك مشكلة ثانية تؤثر على التفاعلات الشائعة وهي إدارة النيوترونات التي يتم إطلاقها أثناء التفاعل، والتي تتسبب بمرور الوقت في تدهور العديد من المواد الشائعة المستخدمة داخل غرفة التفاعل.

قام باحثو الاندماج النووي بالتحقيق في مفاهيم مختلفة للاحتواء. وكان التركيز المبكر على ثلاثة أنظمة رئيسية: z-pinch و stellarator و magnetic mirror . التصميمات الرائدة حاليًا هي tokamak و inertial confinement (ICF) بواسطة الليزر . كلا التصميمين قيد البحث على نطاق واسع جدًا، وأبرزها tokamak ITER في فرنسا و National Ignition Facility (NIF) laser في الولايات المتحدة. يدرس الباحثون أيضًا تصميمات أخرى قد تقدم طرقًا أقل تكلفة. ومن بين هذه البدائل، هناك اهتمام متزايد بالاندماج المغناطيسي المستهدف و inertial confinement واختلافات جديدة في stellarator.

تحدث تفاعلات الاندماج عندما تقترب نواتان ذريتان أو أكثر من بعضهما البعض بما يكفي لفترة كافية بحيث تتجاوز القوة النووية التي تجذبهما معًا القوة الكهروستاتيكية التي تدفعهما بعيدًا عن بعضهما البعض، مما يؤدي إلى اندماجهما في نوى أثقل. بالنسبة للنوى الأثقل من الحديد-56 ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة ، مما يتطلب مدخلات من الطاقة. ^[7] تحتوي النوى الثقيلة الأكبر من الحديد على بروتونات أكثر بكثير مما يؤدي إلى قوة تنافر أكبر. بالنسبة للنوى الأخف من الحديد-56، يكون التفاعل طاردًا للحرارة ، ويطلق الطاقة عند اندماجها. نظرًا لأن الهيدروجين يحتوي على بروتون واحد في نواته، فإنه يتطلب أقل جهد لتحقيق الاندماج، وينتج أكبر ناتج طاقة صافية. أيضًا نظرًا لأنه يحتوي على إلكترون واحد، فإن الهيدروجين هو أسهل وقود للتأين الكامل.

إن التفاعل الكهروستاتيكي التنافري بين النوى يحدث عبر مسافات أكبر من القوة القوية، التي يبلغ مداها تقريبًا فيمتومترًا واحدًا - قطر البروتون أو النيوترون. يجب تزويد ذرات الوقود بطاقة حركية كافية للاقتراب من بعضها البعض بما يكفي للقوة القوية للتغلب على التنافر الكهروستاتيكي من أجل بدء الاندماج. " حاجز كولومب " هو كمية الطاقة الحركية المطلوبة لتحريك ذرات الوقود بالقرب الكافي. يمكن تسخين الذرات إلى درجات حرارة عالية للغاية أو تسريعها في مسرع الجسيمات لإنتاج هذه الطاقة.

تفقد الذرة إلكتروناتها بمجرد تسخينها إلى ما بعد طاقة تأينها . الأيون هو اسم النواة العارية الناتجة. نتيجة هذا التأين هي البلازما، وهي سحابة ساخنة من الأيونات والإلكترونات الحرة التي كانت مرتبطة بها سابقًا. البلازما موصلة للكهرباء ويتم التحكم فيها مغناطيسيًا لأن الشحنات منفصلة. يستخدم هذا من قبل العديد من أجهزة الاندماج لحصر الجسيمات الساخنة.

يقيس المقطع العرضي للتفاعل ، والذي يُشار إليه بـ σ، احتمالية حدوث تفاعل الاندماج. ويعتمد هذا على السرعة النسبية للنواتين. وتزيد السرعات النسبية الأعلى عمومًا من الاحتمالية، لكن الاحتمالية تبدأ في الانخفاض مرة أخرى عند الطاقات العالية جدًا. ^[8]

في البلازما، يمكن وصف سرعة الجسيمات باستخدام توزيع الاحتمالات . إذا تم تسخين البلازما ، فإن التوزيع يبدو مثل منحنى غاوسي ، أو توزيع ماكسويل بولتزمان . في هذه الحالة، من المفيد استخدام متوسط ​​المقطع العرضي للجسيمات على توزيع السرعة. يتم إدخال هذا في معدل الاندماج الحجمي: ^[9]

${\displaystyle P_{\text{الانصهار}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{الانصهار}}}$

أين:

• ${\displaystyle P_{\text{الاندماج}}}$هي الطاقة الناتجة عن الاندماج، لكل زمن وحجم
• n هي كثافة عدد الأنواع A أو B، للجسيمات في الحجم
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$هو المقطع العرضي لهذا التفاعل، المتوسط ​​لجميع سرعات النوعين v
• ${\displaystyle E_{\text{الاندماج}}}$هي الطاقة المنطلقة من تفاعل الاندماج.

يأخذ معيار لوسون في الاعتبار التوازن الطاقي بين الطاقة المنتجة في تفاعلات الاندماج والطاقة المفقودة في البيئة. من أجل توليد طاقة قابلة للاستخدام، يجب أن ينتج النظام طاقة أكبر مما يفقدها. افترض لوسون توازنًا للطاقة ، كما هو موضح أدناه. ^[9]

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{اندماج}}-P_{\text{توصيل}}-P_{\text{إشعاع}}\right)}$

أين:

• ${\displaystyle P_{\text{الخارج}}}$هي الطاقة الصافية من الاندماج
• ${\displaystyle \eta _{\text{التقاط}}}$هي كفاءة التقاط ناتج الاندماج
• ${\displaystyle P_{\text{الاندماج}}}$هو معدل الطاقة الناتجة عن تفاعلات الاندماج
• ${\displaystyle P_{\text{التوصيل}}}$هي خسائر التوصيل عندما تترك الكتلة النشطة البلازما
• ${\displaystyle P_{\text{الإشعاع}}}$هي خسائر الإشعاع حيث تخرج الطاقة على شكل ضوء.

يعتمد معدل الاندماج، وبالتالي _{الاندماج النووي، على درجة حرارة} وكثافة البلازما. تفقد البلازما الطاقة من خلال التوصيل والإشعاع . ^[9] يحدث التوصيل عندما تصطدم الأيونات أو الإلكترونات أو الأجسام المحايدة بمواد أخرى، عادةً سطح الجهاز، وتنقل جزءًا من طاقتها الحركية إلى الذرات الأخرى. يعتمد معدل التوصيل أيضًا على درجة الحرارة والكثافة. الإشعاع هو الطاقة التي تخرج من السحابة على شكل ضوء. يزداد الإشعاع أيضًا مع درجة الحرارة وكذلك كتلة الأيونات. يجب أن تعمل أنظمة طاقة الاندماج في منطقة يكون فيها معدل الاندماج أعلى من الخسائر.

تزعم معايير لوسون أن الآلة التي تحمل بلازما حرارية ومحايدة تقريبًا يجب أن تولد طاقة كافية للتغلب على خسائرها في الطاقة. إن كمية الطاقة المنبعثة في حجم معين هي دالة لدرجة الحرارة، وبالتالي معدل التفاعل على أساس كل جسيم، وكثافة الجسيمات داخل هذا الحجم، وأخيرًا وقت الاحتجاز، وطول الوقت الذي تظل فيه الطاقة داخل الحجم. ^{[9] [11]} يُعرف هذا باسم "المنتج الثلاثي": كثافة البلازما ودرجة الحرارة ووقت الاحتجاز. ^[12]

في الحبس المغناطيسي، تكون الكثافة منخفضة، من رتبة "الفراغ الجيد". على سبيل المثال، في جهاز ITER ، تبلغ كثافة الوقود حوالي 1.0 × 10 ¹⁹ م ^-3 ، وهو ما يعادل حوالي مليون من كثافة الغلاف الجوي. ^[13] وهذا يعني أن درجة الحرارة و/أو وقت الحبس يجب أن يزدادا. تم تحقيق درجات حرارة ذات صلة بالاندماج باستخدام مجموعة متنوعة من طرق التسخين التي تم تطويرها في أوائل السبعينيات. في الآلات الحديثة، اعتبارًا من عام 2019 ^[تحديث]، كانت القضية الرئيسية المتبقية هي وقت الحبس. تخضع البلازما في المجالات المغناطيسية القوية لعدد من حالات عدم الاستقرار المتأصلة، والتي يجب قمعها للوصول إلى مدد مفيدة. إحدى الطرق للقيام بذلك هي ببساطة زيادة حجم المفاعل، مما يقلل من معدل التسرب بسبب الانتشار الكلاسيكي . هذا هو سبب كون ITER كبيرًا جدًا.

وعلى النقيض من ذلك، تقترب أنظمة الاحتواء بالقصور الذاتي من قيم المنتج الثلاثي المفيدة عبر كثافة أعلى، ولديها فترات احتواء قصيرة. في NIF ، يكون للحمل الأولي لوقود الهيدروجين المجمد كثافة أقل من كثافة الماء التي تزداد إلى حوالي 100 ضعف كثافة الرصاص. في هذه الظروف، يكون معدل الاندماج مرتفعًا جدًا بحيث يندمج الوقود في الميكروثانية التي تستغرقها الحرارة الناتجة عن التفاعلات لتفجير الوقود. على الرغم من أن NIF كبير أيضًا، إلا أن هذا وظيفة تصميم "السائق" الخاص به، وليس متأصلًا في عملية الاندماج.

وقد تم اقتراح عدة طرق لالتقاط الطاقة التي تنتجها عملية الاندماج. وأبسطها هو تسخين سائل. ويطلق تفاعل الاندماج النووي المستهدف عادة قدراً كبيراً من طاقته على هيئة نيوترونات سريعة الحركة. ولأن النيوترون محايد كهربائياً فإنه لا يتأثر بنظام الاحتجاز. وفي أغلب التصميمات، يتم احتجازه في "بطانية" سميكة من الليثيوم تحيط بقلب المفاعل. وعندما يصطدم به نيوترون عالي الطاقة، ترتفع درجة حرارة البطانية. ثم يتم تبريده بنشاط باستخدام سائل عامل يدفع توربيناً لإنتاج الطاقة.

اقترح تصميم آخر استخدام النيوترونات لتوليد وقود الانشطار في بطانية من النفايات النووية ، وهو مفهوم يُعرف باسم هجين الانشطار والاندماج . في هذه الأنظمة، يتم تعزيز إنتاج الطاقة من خلال أحداث الانشطار، ويتم استخراج الطاقة باستخدام أنظمة مثل تلك الموجودة في مفاعلات الانشطار التقليدية. ^[14]

إن التصميمات التي تستخدم أنواعًا أخرى من الوقود، وخاصة تفاعل الاندماج الأنتروني للبروتون والبورون ، تطلق قدرًا أكبر من طاقتها في هيئة جسيمات مشحونة. وفي هذه الحالات، تصبح أنظمة استخراج الطاقة القائمة على حركة هذه الشحنات ممكنة. وقد تم تطوير التحويل المباشر للطاقة في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في ثمانينيات القرن العشرين كطريقة للحفاظ على الجهد الكهربائي باستخدام منتجات تفاعل الاندماج مباشرةً. وقد أثبت هذا كفاءة التقاط الطاقة بنسبة 48 بالمائة. ^[15]

البلازما عبارة عن غاز مؤين يوصل الكهرباء. ^[16] وبشكل عام، يتم نمذجتها باستخدام المغناطيسية الهيدروديناميكية ، وهي مزيج من معادلات نافير-ستوكس التي تحكم السوائل ومعادلات ماكسويل التي تحكم كيفية تصرف المجالات المغناطيسية والكهربائية . ^[17] يستغل الاندماج العديد من خصائص البلازما، بما في ذلك:

• البلازما ذاتية التنظيم توصل المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وتولد حركاتها مجالات يمكنها بدورها احتوائها. ^[18]
• يمكن للبلازما الديامغناطيسية أن تولد مجالها المغناطيسي الداخلي الخاص بها. وهذا من شأنه أن يرفض المجال المغناطيسي المطبق خارجيًا، مما يجعلها ديامغناطيسية. ^[19]
• يمكن للمرايا المغناطيسية أن تعكس البلازما عندما تنتقل من مجال منخفض الكثافة إلى مجال عالي الكثافة. ^{[20] :24}

• توكاماك : الطريقة الأكثر تطورًا وتمويلًا. تعمل هذه الطريقة على دفع البلازما الساخنة في حلقة محصورة مغناطيسيًا ، مع تيار داخلي. عند اكتمالها، ستصبح إيتر أكبر توكاماك في العالم. اعتبارًا من سبتمبر 2018، تم التخطيط لحوالي 226 توكاماك تجريبية أو إيقاف تشغيلها أو تشغيلها (50) في جميع أنحاء العالم. ^[21]
• التوكاماك الكروي : يُعرف أيضًا باسم الحلقة الكروية. وهو أحد أشكال التوكاماك ذات الشكل الكروي.
• ستيلاراتور : حلقات ملتوية من البلازما الساخنة. يحاول ستيلاراتور إنشاء مسار بلازما ملتوي طبيعي باستخدام مغناطيسات خارجية. تم تطوير ستيلاراتور بواسطة ليمان سبيتزر في عام 1950 وتطورت إلى أربعة تصميمات: تورساترون وهيليوترون وهيلياك وهيلياس. أحد الأمثلة على ذلك هو ويندلشتاين 7-X ، وهو جهاز ألماني. إنه أكبر ستيلاراتور في العالم. ^[22]
• الحلقات الداخلية: تقوم أجهزة ستيلاريتور بإنشاء بلازما ملتوية باستخدام مغناطيسات خارجية، بينما تقوم أجهزة توكاماك بذلك باستخدام تيار مستحث في البلازما. توفر عدة فئات من التصميمات هذا الالتواء باستخدام موصلات داخل البلازما. أظهرت الحسابات المبكرة أن الاصطدامات بين البلازما ودعامات الموصلات من شأنها إزالة الطاقة بشكل أسرع مما يمكن لتفاعلات الاندماج أن تحل محلها. تستخدم الاختلافات الحديثة، بما في ذلك تجربة ثنائي القطب المعلق (LDX) ، حلقة موصلة فائقة صلبة معلقة مغناطيسيًا داخل حجرة المفاعل. ^[23]
• المرآة المغناطيسية : طورها ريتشارد ف. بوست وفريقه في مختبر لورانس ليفرمور الوطني ( LLNL ) في الستينيات. ^[24] تعكس المرايا المغناطيسية البلازما ذهابًا وإيابًا في خط. وشملت الاختلافات المرآة الترادفية والزجاجة المغناطيسية والقمة ثنائية المخروطة . ^[25] قامت حكومة الولايات المتحدة ببناء سلسلة من آلات المرايا في السبعينيات والثمانينيات، وخاصة في مختبر لورانس ليفرمور الوطني. ^[26] ومع ذلك، قدرت الحسابات في السبعينيات أنه من غير المرجح أن تكون هذه الآلات مفيدة تجاريًا على الإطلاق.
• حلقة متعرجة : يتم ترتيب عدد من المرايا المغناطيسية من طرف إلى طرف في حلقة حلقية. يتم حصر أيونات الوقود التي تتسرب من إحدى المرايا في مرآة مجاورة، مما يسمح برفع ضغط البلازما بشكل تعسفي دون خسارة. تم بناء منشأة تجريبية، وهي حلقة ELMO العاتية أو EBT، واختبارها في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) في سبعينيات القرن العشرين.
• تكوين عكس المجال : يحبس هذا الجهاز البلازما في بنية شبه مستقرة منظمة ذاتيًا؛ حيث تخلق حركة الجسيمات مجالًا مغناطيسيًا داخليًا يحبس نفسه بعد ذلك. ^[27]
• Spheromak : يشبه التكوين المعكوس للمجال، وهو عبارة عن بنية بلازما شبه مستقرة مصنوعة باستخدام المجال المغناطيسي الذي تولده البلازما ذاتيًا. يحتوي Spheromak على مجالين حلقي وبولويدي، بينما لا يحتوي التكوين المعكوس للمجال على مجال حلقي. ^[28]
• دينوماك هو كروماك يتم تشكيله واستدامته باستخدام حقن التدفق المغناطيسي المستمر . ^{[29] [30] [31]}
• انقباض المجال العكسي : هنا يتحرك البلازما داخل حلقة. ولديها مجال مغناطيسي داخلي. وعند الخروج من مركز هذه الحلقة، ينعكس اتجاه المجال المغناطيسي.

• الدفع غير المباشر: تقوم أشعة الليزر بتسخين بنية تُعرف باسم Hohlraum ، والتي تصبح ساخنة للغاية حتى أنها تبدأ في إشعاع ضوء الأشعة السينية . تعمل هذه الأشعة السينية على تسخين حبيبات الوقود، مما يتسبب في انهيارها إلى الداخل لضغط الوقود. أكبر نظام يستخدم هذه الطريقة هو منشأة الإشعال الوطنية ، يليه عن كثب Laser Mégajoule . ^[32]
• الدفع المباشر: تقوم أشعة الليزر بتسخين حبيبات الوقود مباشرة. وقد أجريت تجارب دفع مباشر ملحوظة في مختبر طاقة الليزر (LLE) ومرافق GEKKO XII . تتطلب الانفجارات الجيدة حبيبات وقود ذات شكل شبه مثالي من أجل توليد موجة صدمة داخلية متناظرة تنتج البلازما عالية الكثافة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}
• الاشتعال السريع: تستخدم هذه الطريقة تفجيرين بالليزر. يضغط التفجير الأول على وقود الاندماج، بينما يشعله التفجير الثاني. اعتبارًا من عام 2019، ^[تحديث]فقدت هذه التقنية شعبيتها في إنتاج الطاقة. ^[33]
• الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي أو الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي للخطوط الممغنطة : يجمع هذا بين نبضة ليزر وضغط مغناطيسي. يشير إليه مجتمع الضغط باسم الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي للخطوط الممغنطة بينما يشير إليه مجتمع ICF باسم الاندماج المغناطيسي بالقصور الذاتي. ^[34]
• أشعة الأيونات: تحل أشعة الأيونات محل أشعة الليزر لتسخين الوقود. ^[35] والفرق الرئيسي هو أن الشعاع له زخم بسبب الكتلة، في حين أن أشعة الليزر لا تمتلك هذا الزخم. واعتبارًا من عام 2019، يبدو من غير المحتمل أن يتم تركيز أشعة الأيونات بشكل كافٍ مكانيًا وفي الوقت المناسب.
• آلة Z : ترسل تيارًا كهربائيًا عبر أسلاك التنغستن الرفيعة، فتسخنها بدرجة كافية لتوليد الأشعة السينية. وكما هو الحال في طريقة الدفع غير المباشر، فإن هذه الأشعة السينية تضغط بعد ذلك على كبسولة الوقود.

• الضغط على شكل حرف Z : يسافر التيار في اتجاه حرف Z عبر البلازما. يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا يضغط البلازما. كانت الضغطات هي الطريقة الأولى للاندماج المتحكم فيه من صنع الإنسان. ^{[36] [37]} تتميز الضغطة على شكل حرف Z بعدم استقرار متأصل يحد من ضغطها وتسخينها إلى قيم منخفضة جدًا للاندماج العملي. كانت أكبر آلة من هذا النوع، وهي ZETA في المملكة المتحدة ، آخر تجربة رئيسية من هذا النوع. أدت المشاكل في الضغطة على شكل حرف Z إلى تصميم التوكاماك. يعد تركيز البلازما الكثيف أحد الاختلافات المتفوقة المحتملة.
• انقباض ثيتا : يدور تيار حول الجزء الخارجي من عمود البلازما، في اتجاه ثيتا. وهذا يحفز مجالًا مغناطيسيًا يمتد أسفل مركز البلازما، وليس حوله. كان جهاز انقباض ثيتا المبكر سكيلا هو أول من أثبت بشكل قاطع الاندماج، لكن العمل اللاحق أظهر أنه كان له حدود متأصلة جعلته غير مثير للاهتمام لإنتاج الطاقة.
• استقرار التدفق المقصوص على شكل حرف Z: بحثت الأبحاث التي أجريت في جامعة واشنطن تحت إشراف يوري شوملاك في استخدام استقرار التدفق المقصوص لتخفيف عدم استقرار مفاعلات الضغط على شكل حرف Z. ويتضمن ذلك تسريع الغاز المحايد على طول محور الضغط. وشملت الآلات التجريبية المفاعلات التجريبية FuZE وZap Flow Z-Pinch. ^[38] في عام 2017، شارك المستثمر ورائد الأعمال البريطاني في مجال التكنولوجيا بينج كونواي، جنبًا إلى جنب مع الفيزيائيين برايان نيلسون وأوري شوملاك، في تأسيس شركة Zap Energy لمحاولة تسويق التكنولوجيا لإنتاج الطاقة. ^{[39] [40] [41]}
• الضغط بالبراغي: تجمع هذه الطريقة بين الضغط بالثيتا والضغط بالz لتحسين الاستقرار. ^[42]

• المصهر : يسخن المجال الكهربائي الأيونات إلى ظروف الاندماج. تستخدم الآلة عادةً قفصين كرويين، كاثود داخل أنود، داخل فراغ. لا تعتبر هذه الآلات نهجًا قابلاً للتطبيق للطاقة الصافية بسبب خسائر التوصيل والإشعاع. ^[43] إنها بسيطة بما يكفي لبنائها بحيث يتمكن الهواة من دمج الذرات باستخدامها. ^[44]
• بوليويل : محاولات الجمع بين الاحتجاز المغناطيسي والحقول الكهروستاتيكية، لتجنب خسائر التوصيل الناتجة عن القفص. ^[45]

• الاندماج المغناطيسي المستهدف : يحصر البلازما الساخنة باستخدام مجال مغناطيسي ويضغطها باستخدام القصور الذاتي. تشمل الأمثلةآلة LANL FRX-L، ^[46] الاندماج العام (ضغط المكبس مع بطانة معدنية سائلة)، الاندماج الهايبر جيت (ضغط نفاثة البلازما مع بطانة البلازما). ^{[47] [48]}
• غير خاضع للسيطرة: بدأ الإنسان عملية الاندماج النووي باستخدام انفجارات انشطارية غير خاضعة للسيطرة لتحفيز الاندماج. وتضمنت المقترحات المبكرة لقوة الاندماج النووي استخدام القنابل لبدء التفاعلات. انظر مشروع PACER .
• اندماج الحزم المتصادمة : يمكن لحزمة من الجسيمات عالية الطاقة التي يتم إطلاقها على شعاع أو هدف آخر أن تبدأ الاندماج. وقد تم استخدام هذا في السبعينيات والثمانينيات لدراسة المقاطع العرضية لتفاعلات الاندماج. ^[8] ومع ذلك، لا يمكن استخدام أنظمة الحزم للطاقة لأن الحفاظ على تماسك الشعاع يتطلب طاقة أكبر مما يأتي من الاندماج.
• الاندماج المحفز بالميونات : يستبدل هذا النهج الإلكترونات في الجزيئات ثنائية الذرة من نظائر الهيدروجين بالميونات - وهيجسيمات أكثر ضخامة بنفس الشحنة الكهربائية . تعمل كتلتها الأكبر على ضغط النوى بما يكفي بحيث يمكن للتفاعل القوي أن يسبب الاندماج. ^[49] اعتبارًا من عام 2007، تطلب إنتاج الميونات طاقة أكبر مما يمكن الحصول عليه من الاندماج المحفز بالميونات. ^[50]
• الاندماج بالاحتواء الشبكي : الاندماج بالاحتواء الشبكي ( LCF ) هو نوع من الاندماج النووي حيثتتعرض المعادن المشبعة بالديوترون لإشعاع جاما أو حزم الأيونات، كما هو الحال في جهاز الاندماج IEC ، مما يتجنب البلازما المحصورة عالية الحرارة المستخدمة في طرق الاندماج الأخرى. ^{[51] [52]}

يتم استخدام العديد من الأساليب والمعدات والآليات في مشاريع متعددة لمعالجة التسخين بالاندماج والقياس وإنتاج الطاقة. ^[53]

تم استخدام نظام التعلم التعزيزي العميق للتحكم في مفاعل قائم على التوكاماك . ^{[ حدد ]} كان النظام قادرًا على التلاعب بالملفات المغناطيسية لإدارة البلازما. كان النظام قادرًا على التعديل المستمر للحفاظ على السلوك المناسب (أكثر تعقيدًا من الأنظمة القائمة على الخطوات). ^{[ بحاجة لمصدر ] في عام 2014، بدأت Google العمل مع شركة الاندماج} TAE Technologies ومقرها كاليفورنيا للتحكم في Joint European Torus (JET) للتنبؤ بسلوك البلازما. ^{[54] كما طورت} DeepMind مخطط تحكم مع TCV . ^[55]

• التسخين الكهروستاتيكي: يمكن للحقل الكهربائي أن يقوم بعمل على الأيونات أو الإلكترونات المشحونة، مما يؤدي إلى تسخينها. ^[56]
• حقن الشعاع المحايد : يتم تأين الهيدروجين وتسريعه بواسطة مجال كهربائي لتشكيل شعاع مشحون يتم تسليطه من خلال مصدر لغاز الهيدروجين المحايد نحو البلازما التي هي نفسها مؤينة ومحتوية بواسطة مجال مغناطيسي. يتم تسريع بعض غاز الهيدروجين الوسيط نحو البلازما عن طريق الاصطدامات مع الشعاع المشحون مع البقاء محايدًا: وبالتالي فإن هذا الشعاع المحايد لا يتأثر بالمجال المغناطيسي وبالتالي يصل إلى البلازما. بمجرد دخول الشعاع المحايد إلى البلازما، ينقل الطاقة إلى البلازما عن طريق الاصطدامات التي تؤينها وتسمح لها بالاحتواء بواسطة المجال المغناطيسي، وبالتالي تسخين وإعادة تزويد المفاعل بالوقود في عملية واحدة. يتم تحويل بقية الشعاع المشحون بواسطة المجالات المغناطيسية إلى مكبات الشعاع المبردة. ^[57]
• التسخين بترددات الراديو: تتسبب موجة الراديو في تذبذب البلازما (مثل فرن الميكروويف ). يُعرف هذا أيضًا باسم التسخين بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني ، باستخدام الجيروترونات على سبيل المثال ، أو التسخين العازل . ^[58]
• إعادة الاتصال المغناطيسي : عندما تصبح البلازما كثيفة، يمكن أن تتغير خصائصها الكهرومغناطيسية، مما قد يؤدي إلى إعادة الاتصال المغناطيسي . تساعد إعادة الاتصال على الاندماج لأنها تفرغ الطاقة على الفور في البلازما، مما يؤدي إلى تسخينها بسرعة. يمكن لما يصل إلى 45٪ من طاقة المجال المغناطيسي تسخين الأيونات. ^{[59] [60]}
• التذبذبات المغناطيسية: يمكن توفير تيارات كهربائية متفاوتة إلى الملفات المغناطيسية التي تسخن البلازما المحصورة داخل جدار مغناطيسي. ^[61]
• فناء البروتون المضاد: يمكن للبروتونات المضادة التي يتم حقنها في كتلة من وقود الاندماج أن تحفز تفاعلات نووية حرارية. وقد تم التحقيق في هذا الاحتمال كطريقة لدفع المركبات الفضائية، والمعروفة باسم الدفع النبضي النووي المحفز بالمادة المضادة ، في جامعة ولاية بنسلفانيا فيما يتعلق بمشروع AIMStar المقترح . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

إن تشخيصات مفاعل الاندماج العلمي معقدة للغاية ومتنوعة. ^[62] ستكون التشخيصات المطلوبة لمفاعل الطاقة الاندماجية متنوعة ولكنها أقل تعقيدًا من تلك الخاصة بالمفاعل العلمي حيث أنه بحلول وقت التسويق التجاري، سيتم إتقان العديد من تشخيصات التغذية الراجعة والتحكم في الوقت الفعلي. ومع ذلك، ستكون بيئة تشغيل مفاعل الاندماج التجاري أكثر قسوة بالنسبة لأنظمة التشخيص مقارنة بالمفاعل العلمي لأن العمليات المستمرة قد تنطوي على درجات حرارة بلازما أعلى ومستويات أعلى من إشعاع النيوترون. في العديد من الأساليب المقترحة، سيتطلب التسويق التجاري القدرة الإضافية على قياس وفصل غازات المحول، على سبيل المثال الهيليوم والشوائب، ومراقبة تربية الوقود، على سبيل المثال حالة بطانة الليثيوم السائلة لتربية التريتيوم. ^[63] فيما يلي بعض التقنيات الأساسية.

• حلقة التدفق : يتم إدخال حلقة من الأسلاك في المجال المغناطيسي. عندما يمر المجال عبر الحلقة، يتم إنشاء تيار. يقيس التيار التدفق المغناطيسي الكلي عبر تلك الحلقة. تم استخدام هذا في تجربة Stellarator National Compact ، ^[64] وPolywell ، [ ^65] وأجهزة LDX . يمكن استخدام مسبار Langmuir ، وهو جسم معدني يوضع في البلازما. يتم تطبيق جهد عليه، مما يمنحه جهدًا ضد البلازما المحيطة. يجمع المعدن الجسيمات المشحونة، ويسحب تيارًا. مع تغير الجهد، يتغير التيار. هذا يشكل منحنى IV . يمكن استخدام منحنى IV لتحديد كثافة البلازما المحلية والجهد ودرجة الحرارة. ^[66]
• تشتت تومسون : يمكن استخدام "تشتت الضوء" من البلازما لإعادة بناء سلوك البلازما، بما في ذلك الكثافة ودرجة الحرارة. وهو شائع في الاندماج بالقصور الذاتي ، ^[67] والتوكاماك ، ^[68] والانصهارات . في أنظمة ICF، يؤدي إطلاق شعاع ثانٍ في رقاقة ذهبية مجاورة للهدف إلى إنتاج أشعة سينية تخترق البلازما. في التوكاماك، يمكن القيام بذلك باستخدام المرايا وأجهزة الكشف لعكس الضوء.
• كاشفات النيوترون : يمكن لعدة أنواع من كاشفات النيوترون تسجيل معدل إنتاج النيوترونات. ^{[69] [70]}
• أجهزة الكشف عن الأشعة السينية تُصدر الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية في أي وقت تتغير فيه سرعة الجسيم. ^[71] إذا كان السبب هو الانحراف بواسطة مجال مغناطيسي، فإن الإشعاع هو إشعاع سيكلوتروني بسرعات منخفضة وإشعاع سنكروتروني بسرعات عالية. إذا كان السبب هو الانحراف بواسطة جسيم آخر، فإن البلازما تشع أشعة سينية، تُعرف باسم إشعاع بريمسستراهلونج . ^[72]

تمتص البطانيات النيوترونية النيوترونات، مما يؤدي إلى تسخين البطانية. ويمكن استخراج الطاقة من البطانية بعدة طرق:

• يمكن تشغيل التوربينات البخارية عن طريق نقل الحرارة إلى سائل عمل يتحول إلى بخار، مما يؤدي إلى تشغيل المولدات الكهربائية. ^[73]
• بطانيات النيوترون: يمكن لهذه النيوترونات تجديد وقود الانشطار المستنفد. ^[74] يمكن إنتاج التريتيوم باستخدام بطانية مولدة من الليثيوم السائل أو فراش الحصى المبرد بالهيليوم المصنوع من حصى السيراميك التي تحتوي على الليثيوم. ^[75]
• التحويل المباشر : يمكن تحويل الطاقة الحركية للجسيم إلى جهد . ^[24] اقترحه لأول مرة ريتشارد ف. بوست بالاشتراك مع المرايا المغناطيسية ، في أواخر الستينيات. وقد تم اقتراحه للتكوينات ذات المجال المعكوس بالإضافة إلى أجهزة تركيز البلازما الكثيفة . تحول العملية جزءًا كبيرًا من الطاقة العشوائية لمنتجات الاندماج إلى حركة موجهة. ثم يتم جمع الجسيمات على أقطاب كهربائية عند إمكانات كهربائية كبيرة مختلفة. وقد أظهرت هذه الطريقة كفاءة تجريبية بنسبة 48 بالمائة. ^[76]
• تمر أنابيب الموجات المتنقلة بذرات الهيليوم المشحونة بجهد عدة ميجا فولت والتي تخرج للتو من تفاعل الاندماج عبر أنبوب به ملف من الأسلاك حول الخارج. تعمل هذه الشحنة المارة بجهد عالٍ على سحب الكهرباء عبر السلك.

يشير مصطلح الاحتجاز إلى جميع الظروف اللازمة للحفاظ على كثافة البلازما وسخونتها لفترة كافية للخضوع للاندماج. المبادئ العامة:

• التوازن : يجب أن تكون القوى المؤثرة على البلازما متوازنة. هناك استثناء واحد وهو الاحتجاز بالقصور الذاتي ، حيث يجب أن يحدث الاندماج بشكل أسرع من زمن التشتت.
• الاستقرار : يجب بناء البلازما بحيث لا تؤدي الاضطرابات إلى تشتت البلازما.
• النقل أو التوصيل : يجب أن يكون فقدان المادة بطيئًا بدرجة كافية. ^[9] تحمل البلازما الطاقة معها، لذا فإن الفقدان السريع للمادة من شأنه أن يعطل الاندماج. يمكن أن تفقد المادة عن طريق النقل إلى مناطق مختلفة أو التوصيل عبر مادة صلبة أو سائلة.

لإنتاج اندماج ذاتي الاستدامة، يجب استخدام جزء من الطاقة المنبعثة من التفاعل لتسخين المتفاعلات الجديدة والحفاظ على ظروف الاندماج.

تأثير المرآة المغناطيسية . إذا اتبع الجسيم خط المجال ودخل منطقة ذات قوة مجال أعلى، فيمكن أن تنعكس الجسيمات. تطبق العديد من الأجهزة هذا التأثير. كان أشهرها آلات المرآة المغناطيسية، وهي سلسلة من الأجهزة التي تم بناؤها في LLNL من الستينيات إلى الثمانينيات. ^[77] تشمل الأمثلة الأخرى الزجاجات المغناطيسية والقمة ثنائية المخروطية . ^[78] نظرًا لأن آلات المرآة كانت مستقيمة، فقد كانت لها بعض المزايا على التصميمات ذات الشكل الحلقي. كانت المرايا أسهل في البناء والصيانة وكان التقاط طاقة التحويل المباشر أسهل في التنفيذ. ^[15] أدى الاحتواء الضعيف إلى التخلي عن هذا النهج، باستثناء تصميم البولي ويل. ^[79]

تُثني الحلقات المغناطيسية خطوط المجال على نفسها، إما في دوائر أو بشكل أكثر شيوعًا في الأسطح الحلقية المتداخلة . أكثر الأنظمة تطورًا من هذا النوع هي التوكاماك ، والستيلاريتور، وضغط المجال المعكوس. تحاول الحلقات المدمجة ، وخاصة التكوين المعكوس المجال والسفيروماك، الجمع بين مزايا الأسطح المغناطيسية الحلقية وتلك الموجودة في الآلة المتصلة ببساطة (غير الحلقية)، مما يؤدي إلى منطقة احتجاز أبسط ميكانيكيًا وأصغر.

الاحتجاز بالقصور الذاتي هو استخدام التفجير السريع لتسخين واحتجاز البلازما. يتم تفجير الغلاف المحيط بالوقود باستخدام انفجار ليزر مباشر (دفع مباشر)، أو انفجار أشعة سينية ثانوي (دفع غير مباشر)، أو أشعة ثقيلة. يجب ضغط الوقود إلى حوالي 30 ضعف كثافة المادة الصلبة باستخدام أشعة نشطة. يمكن أن يكون الدفع المباشر فعالاً من حيث المبدأ، لكن عدم كفاية التوحيد منع النجاح. ^{[80] :19–20} يستخدم الدفع غير المباشر أشعة لتسخين الغلاف، مما يدفع الغلاف إلى إشعاع الأشعة السينية ، والتي تؤدي بعد ذلك إلى تفجير الحبيبات. تكون الأشعة عادةً أشعة ليزر، ولكن تم التحقيق في أشعة الأيونات والإلكترونات. ^{[80] :182–193}

تستخدم أجهزة الاندماج بالاحتجاز الكهروستاتيكي المجالات الكهروستاتيكية. أشهرها هو جهاز الاندماج . يحتوي هذا الجهاز على كاثود داخل قفص سلكي أنودي. تطير الأيونات الموجبة نحو القفص الداخلي السالب، وتسخن بواسطة المجال الكهربائي في هذه العملية. إذا فاتتها القفص الداخلي، فيمكنها الاصطدام والاندماج. ومع ذلك، تصطدم الأيونات عادةً بالكاثود، مما يؤدي إلى خسائر توصيل عالية محظورة . تكون معدلات الاندماج في أجهزة الاندماج منخفضة بسبب التأثيرات الفيزيائية المتنافسة، مثل فقدان الطاقة في شكل إشعاع ضوئي. ^[81] تم اقتراح تصميمات لتجنب المشاكل المرتبطة بالقفص، من خلال توليد المجال باستخدام سحابة غير محايدة. وتشمل هذه جهاز تذبذب البلازما، ^[82] وشبكة محمية مغناطيسيًا، ^[83] وفخ التثبيت ، وبوليويل ، ^[84] ومفهوم محرك الكاثود F1. ^[85]

كانت جميع أنواع الوقود المستخدمة في توليد الطاقة النووية من العناصر الخفيفة مثل نظائر الهيدروجين - البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم . [ 8 ] ^يتطلب تفاعل الديوتيريوم والهيليوم 3 الهيليوم 3، وهو نظير للهيليوم نادر جدًا على الأرض لدرجة أنه يجب استخراجه من خارج الأرض أو إنتاجه بواسطة تفاعلات نووية أخرى. في النهاية، يأمل الباحثون في تبني تفاعل البروتيوم - البورون 11، لأنه لا ينتج النيوترونات بشكل مباشر، على الرغم من أن التفاعلات الجانبية يمكنها ذلك. ^[86]

التفاعل النووي الأسهل، عند أقل طاقة، هو D+T:

²
₁د
+³
₁ت
→⁴
₂هو
(3.5 ميجا إلكترون فولت) +¹
₀ن
(14.1 مليون إلكترون فولت)

هذا التفاعل شائع في التطبيقات البحثية والصناعية والعسكرية، وعادة ما يكون مصدرًا للنيوترون. الديوتيريوم هو نظير طبيعي للهيدروجين ومتوفر بشكل شائع. تجعل النسبة الكتلية الكبيرة لنظائر الهيدروجين فصلها سهلاً مقارنة بعملية تخصيب اليورانيوم . التريتيوم هو نظير طبيعي للهيدروجين، ولكن نظرًا لقصر عمره النصفي الذي يبلغ 12.32 عامًا، فمن الصعب العثور عليه وتخزينه وإنتاجه، كما أنه مكلف. وبالتالي، تتطلب دورة وقود الديوتيريوم والتريتيوم استيلاد التريتيوم من الليثيوم باستخدام أحد التفاعلات التالية:

¹
₀ن
+⁶
₃لي
→³
₁ت
+⁴
₂هو

¹
₀ن
+⁷
₃لي
→³
₁ت
+⁴
₂هو
+¹
₀ن

يتم توفير النيوترون المتفاعل من خلال تفاعل الاندماج DT الموضح أعلاه، والذي يتمتع بأكبر إنتاج للطاقة. يكون التفاعل مع ^{6 Li} طاردًا للحرارة ، مما يوفر مكسبًا صغيرًا للطاقة للمفاعل. يكون التفاعل مع ^{7 Li} ماصًا للحرارة ، لكنه لا يستهلك النيوترون. تكون تفاعلات مضاعفة النيوترونات مطلوبة لاستبدال النيوترونات المفقودة بسبب الامتصاص بواسطة عناصر أخرى. المواد المرشحة الرائدة لمضاعفة النيوترونات هي البريليوم والرصاص ، لكن تفاعل ⁷ Li يساعد في الحفاظ على ارتفاع عدد النيوترونات. يتكون الليثيوم الطبيعي بشكل أساسي من ^{7 Li، والذي يتميز} بمقطع عرضي منخفض لإنتاج التريتيوم مقارنة بـ ⁶ Li، لذلك تستخدم معظم تصميمات المفاعلات بطانيات تربية مع ⁶ Li المخصب.

تشمل العيوب المنسوبة عادة إلى طاقة الاندماج النووي ما يلي:

• يؤدي توفير النيوترونات إلى تنشيط النيوترونات لمواد المفاعل. ^{[87] :242}
• يتم نقل 80% من الطاقة الناتجة عن طريق النيوترونات، مما يحد من استخدام التحويل المباشر للطاقة. ^[88]
• يتطلب الأمر استخدام النظير المشع التريتيوم. وقد يتسرب التريتيوم من المفاعلات. وتشير بعض التقديرات إلى أن هذا من شأنه أن يمثل إطلاقًا كبيرًا للإشعاعات البيئية. ^[89]

إن تدفق النيوترونات المتوقع في مفاعل الاندماج DT التجاري يبلغ حوالي 100 مرة من تدفق النيوترونات في مفاعلات الطاقة الانشطارية، مما يشكل مشاكل لتصميم المواد . بعد سلسلة من اختبارات DT في JET ، كان وعاء الفراغ مشعًا بدرجة كافية لدرجة أنه يتطلب التعامل عن بُعد لمدة عام بعد الاختبارات. ^[90]

في بيئة الإنتاج، تتفاعل النيوترونات مع الليثيوم في بطانية التكاثر المكونة من حصى الليثيوم الخزفية أو الليثيوم السائل، مما ينتج التريتيوم. تنتهي طاقة النيوترونات في الليثيوم، الذي يتم نقله بعد ذلك لدفع الإنتاج الكهربائي. تحمي بطانية الليثيوم الأجزاء الخارجية من المفاعل من تدفق النيوترونات. تستخدم التصميمات الأحدث، وخاصة التوكاماك المتقدم، الليثيوم داخل قلب المفاعل كعنصر تصميم. يتفاعل البلازما مباشرة مع الليثيوم، مما يمنع مشكلة تُعرف باسم "إعادة التدوير". تم توضيح ميزة هذا التصميم في تجربة توكاماك الليثيوم .

إن اندماج نواتي الديوتيريوم هو ثاني أسهل تفاعل اندماجي. يتكون التفاعل من فرعين يحدثان باحتمالية متساوية تقريبًا:

²
₁د
+²
₁د
→³
₁ت
+¹
₁ح

²
₁د
+²
₁د
→³
₂هو
+¹
₀ن

هذا التفاعل شائع أيضًا في الأبحاث. الطاقة المثلى لبدء هذا التفاعل هي 15 كيلو فولت، وهي أعلى قليلاً من تلك الخاصة بتفاعل DT. ينتج الفرع الأول التريتيوم، لذا فإن مفاعل DD ليس خاليًا من التريتيوم، على الرغم من أنه لا يتطلب إدخال التريتيوم أو الليثيوم. ما لم تتم إزالة التريتونات بسرعة، فإن معظم التريتيوم الناتج يحترق في المفاعل، مما يقلل من التعامل مع التريتيوم، مع عيب إنتاج المزيد من النيوترونات ذات الطاقة الأعلى. النيوترون من الفرع الثاني لتفاعل DD لديه طاقة تبلغ 2.45 ميجا فولت فقط (0.393 بيكو جول)، بينما النيوترون من تفاعل DT لديه طاقة 14.1 ميجا فولت (2.26 بيكو جول)، مما يؤدي إلى إنتاج نظائر أكبر وتلف مادي. عندما تتم إزالة التريتونات بسرعة مع السماح لـ ³ He بالتفاعل، تسمى دورة الوقود "الاندماج المكبوت بالتريتيوم". ^[91] يتحلل التريتيوم المزال إلى ³ He بنصف عمر يبلغ 12.5 عامًا. من خلال إعادة تدوير تحلل ³ He في المفاعل، لا يحتاج مفاعل الاندماج إلى مواد مقاومة للنيوترونات السريعة.

بافتراض احتراق التريتيوم بالكامل، فإن الانخفاض في نسبة طاقة الاندماج التي تحملها النيوترونات سيكون حوالي 18٪ فقط، وبالتالي فإن الميزة الأساسية لدورة وقود DD هي عدم الحاجة إلى تربية التريتيوم. المزايا الأخرى هي الاستقلال عن موارد الليثيوم وطيف النيوترونات الأكثر ليونة إلى حد ما. العيب في DD مقارنة بـ DT هو أن وقت حبس الطاقة (عند ضغط معين) يجب أن يكون أطول بمقدار 30 مرة وأن الطاقة المنتجة (عند ضغط وحجم معينين) أقل بمقدار 68 مرة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

بافتراض الإزالة الكاملة للتريتيوم وإعادة تدوير الهيليوم ³ ، فإن 6% فقط من طاقة الاندماج تحملها النيوترونات. يتطلب اندماج DD المكبوت بالتريتيوم احتجازًا للطاقة أطول بعشر مرات مقارنة بـ DT ودرجة حرارة البلازما ضعف درجة الحرارة. ^[92]

يتضمن نهج الجيل الثاني للطاقة الاندماجية المتحكم فيها الجمع بين الهيليوم 3 ( ^3He ) والديوتيريوم ( ^2H ):

²
₁د
+³
₂هو
→⁴
₂هو
+¹
₁ح

ينتج هذا التفاعل ⁴ He وبروتون عالي الطاقة. وكما هو الحال مع دورة وقود الاندماج الأنيوتروني p -11B ^، يتم إطلاق معظم طاقة التفاعل كجسيمات مشحونة، مما يقلل من تنشيط غلاف المفاعل ويسمح بشكل محتمل بحصاد طاقة أكثر كفاءة (عبر أي من المسارات العديدة). ^[93] في الممارسة العملية، تنتج تفاعلات جانب DD عددًا كبيرًا من النيوترونات، مما يجعل p- ^11B هي الدورة المفضلة للاندماج الأنيوتروني. ^[93]

تتضاءل مشكلات علم المواد ومخاوف عدم الانتشار بشكل كبير من خلال الاندماج اللانيوتروني . من الناحية النظرية، فإن الوقود اللانيوتروني الأكثر تفاعلية هو ³ He. ومع ذلك، فإن الحصول على كميات معقولة من ³ He يعني التعدين خارج الأرض على نطاق واسع على القمر أو في الغلاف الجوي لأورانوس أو زحل. لذلك، فإن الوقود المرشح الأكثر وعدًا لمثل هذا الاندماج هو دمج البروتيوم المتاح بسهولة (أي البروتون ) والبورون . لا يطلق اندماجهما أي نيوترونات، ولكنه ينتج جسيمات ألفا (هيليوم) مشحونة بالطاقة يمكن تحويل طاقتها مباشرة إلى طاقة كهربائية:

¹
₁ح
+¹¹
₅ب
→ 3⁴
₂هو

من المرجح أن تنتج التفاعلات الجانبية نيوترونات تحمل حوالي 0.1٪ فقط من الطاقة، ^{[94] : 177-182} مما يعني أن تشتت النيوترونات لا يستخدم لنقل الطاقة ويتم تقليل تنشيط المواد عدة آلاف من المرات. درجة الحرارة المثلى لهذا التفاعل 123 كيلو فولت ^[95] أعلى بحوالي عشر مرات من درجة حرارة تفاعلات الهيدروجين النقي، ويجب أن يكون احتواء الطاقة أفضل بمقدار 500 مرة من المطلوب لتفاعل DT. بالإضافة إلى ذلك، تكون كثافة الطاقة أقل بمقدار 2500 مرة من DT، على الرغم من أن هذا لا يزال أعلى بكثير مقارنة بمفاعلات الانشطار لكل وحدة كتلة من الوقود.

نظرًا لأن خصائص الاحتواء لاندماج التوكاماك وحبيبات الليزر هامشية، فإن معظم المقترحات الخاصة بالاندماج الأنتروني تستند إلى مفاهيم احتواء مختلفة جذريًا، مثل Polywell و Dense Plasma Focus . في عام 2013، أبلغ فريق بحثي بقيادة كريستين لابون في École Polytechnique عن رقم قياسي جديد لمعدل الاندماج لاندماج البروتون والبورون، مع ما يقدر بنحو 80 مليون تفاعل اندماجي أثناء إطلاق ليزر مدته 1.5 نانوثانية، وهو ما يزيد 100 مرة عن ما تم الإبلاغ عنه في التجارب السابقة. ^{[96] [97]}

استقرار المواد البنيوية هو قضية بالغة الأهمية. ^{[98] [99]} تعتبر المواد التي يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والقصف النيوتروني الذي يحدث في مفاعل الاندماج مفتاحًا للنجاح. ^{[100] [98]} القضايا الرئيسية هي الظروف التي تولدها البلازما، وتدهور النيوترونات لأسطح الجدران، والقضية ذات الصلة بظروف سطح البلازما والجدار. ^{[101] [102]} يُنظر إلى تقليل نفاذية الهيدروجين على أنه أمر بالغ الأهمية لإعادة تدوير الهيدروجين ^[103] والتحكم في مخزون التريتيوم. ^[104] توفر المواد ذات أدنى قابلية ذوبان وانتشار للهيدروجين السائب المرشحين الأمثل للحواجز المستقرة. تم التحقيق في عدد قليل من المعادن النقية، بما في ذلك التنغستن والبيريليوم، ^[105] والمركبات مثل الكربيدات والأكاسيد الكثيفة والنتريدات. أبرزت الأبحاث أن تقنيات الطلاء لإعداد حواجز ملتصقة جيدًا ومثالية لها أهمية متساوية. التقنيات الأكثر جاذبية هي تلك التي تتكون فيها طبقة الإضافة عن طريق الأكسدة وحدها. تستخدم الطرق البديلة بيئات غازية محددة ذات مجالات مغناطيسية وكهربائية قوية. يمثل تقييم أداء الحاجز تحديًا إضافيًا. لا تزال نفاذية الغاز للأغشية المطلية الكلاسيكية هي الطريقة الأكثر موثوقية لتحديد كفاءة حاجز نفاذية الهيدروجين (HPB). ^[104] في عام 2021، واستجابةً للأعداد المتزايدة من التصميمات لمفاعلات الطاقة الاندماجية لعام 2040، نشرت هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة خريطة طريق مواد الاندماج في المملكة المتحدة 2021-2040، مع التركيز على خمسة مجالات ذات أولوية، مع التركيز على مفاعلات عائلة توكاماك:

• مواد جديدة لتقليل كمية التنشيط في هيكل محطة الطاقة الاندماجية؛
• المركبات التي يمكن استخدامها داخل محطة الطاقة لتحسين إنتاج وقود التريتيوم لدعم عملية الاندماج؛
• المغناطيسات والعوازل المقاومة للإشعاع الناتج عن تفاعلات الاندماج - وخاصة في ظل الظروف المبردة؛
• المواد البنيوية القادرة على الاحتفاظ بقوتها تحت القصف النيوتروني في درجات حرارة تشغيل عالية (أكثر من 550 درجة مئوية)؛
• ضمان الهندسة لمواد الاندماج - توفير بيانات العينات المشعة والتنبؤات النموذجية بحيث يكون لدى مصممي المحطات والمشغلين والمنظمين الثقة في أن المواد مناسبة للاستخدام في محطات الطاقة التجارية المستقبلية.

في البلازما المغروسة في مجال مغناطيسي (المعروفة باسم البلازما الممغنطة)، يتناسب معدل الاندماج مع قوة المجال المغناطيسي للقوة الرابعة. لهذا السبب، تحاول العديد من شركات الاندماج التي تعتمد على المجالات المغناطيسية للتحكم في البلازما تطوير أجهزة فائقة التوصيل عالية الحرارة. في عام 2021، طورت شركة SuperOx الروسية واليابانية عملية تصنيع جديدة لصنع سلك YBCO فائق التوصيل لمفاعلات الاندماج. وقد ثبت أن هذا السلك الجديد يوصل ما بين 700 و2000 أمبير لكل مليمتر مربع. وتمكنت الشركة من إنتاج 186 ميلاً من الأسلاك في تسعة أشهر. ^[106]

حتى في مقاييس الإنتاج الأصغر، يتم تفجير جهاز الاحتواء بالمادة والطاقة. يجب أن تأخذ تصميمات الاحتواء البلازمي في الاعتبار ما يلي:

• دورة تدفئة وتبريد تصل إلى حمولة حرارية تصل إلى 10 ميجاوات/م ² .
• الإشعاع النيوتروني ، الذي يؤدي مع مرور الوقت إلى تنشيط النيوترونات وتفتتها .
• أيونات عالية الطاقة تخرج عند عشرات إلى مئات الإلكترون فولت .
• جسيمات ألفا تنطلق عند ملايين الفولتات الإلكترونية .
• الإلكترونات تغادر عند طاقة عالية.
• الإشعاع الضوئي (الأشعة تحت الحمراء، المرئية، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية).

اعتمادًا على النهج المتبع، قد تكون هذه التأثيرات أعلى أو أقل من مفاعلات الانشطار. ^[107] وتشير إحدى التقديرات إلى أن الإشعاع يبلغ 100 ضعف الإشعاع في مفاعل الماء المضغوط النموذجي . ^{[ بحاجة لمصدر ]} اعتمادًا على النهج المتبع، هناك اعتبارات أخرى مثل التوصيل الكهربائي والنفاذية المغناطيسية والقوة الميكانيكية. يجب ألا تنتهي المواد أيضًا كنفايات مشعة طويلة العمر . ^[98]

بالنسبة للاستخدام طويل الأمد، من المتوقع أن تصطدم كل ذرة في الجدار بنيوترون وتتحرك حوالي 100 مرة قبل استبدال المادة. تؤدي تصادمات النيوترونات عالية الطاقة هذه مع الذرات الموجودة في الجدار إلى امتصاص النيوترونات، وتكوين نظائر غير مستقرة للذرات. عندما يتحلل النظير، فقد ينبعث منه جسيمات ألفا أو بروتونات أو أشعة جاما . تشكل جسيمات ألفا، بمجرد استقرارها عن طريق التقاط الإلكترونات، ذرات الهيليوم التي تتراكم عند حدود الحبيبات وقد تؤدي إلى تورم أو تقرح أو هشاشة المادة. ^{[107] [108]}

يعتبر التنغستن على نطاق واسع المادة المثالية للمكونات المواجهة للبلازما في أجهزة الاندماج من الجيل التالي نظرًا لخصائصه الفريدة وإمكاناته للتحسينات. تجعله معدلات الرشح المنخفضة ونقطة الانصهار العالية مناسبًا بشكل خاص للبيئات عالية الضغط لمفاعلات الاندماج، مما يسمح له بتحمل الظروف الشديدة دون تدهور سريع. بالإضافة إلى ذلك، فإن احتباس التنغستن المنخفض للتريتيوم من خلال الترسيب المشترك والغرس أمر ضروري في سياقات الاندماج، لأنه يساعد على تقليل تراكم هذا النظير المشع. ^{[109] [110] [111] [112]}

وقد تم اقتراح المعادن السائلة (الليثيوم، والغاليوم ، والقصدير )، على سبيل المثال، عن طريق حقن تيارات سمكها من 1 إلى 5 مم تتدفق بسرعة 10 م/ث على ركائز صلبة. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يتميز الجرافيت بمعدل تآكل شديد بسبب الرش الفيزيائي والكيميائي يصل إلى عدة أمتار في السنة، مما يتطلب إعادة ترسيب المادة المرشوشة. لا يتطابق موقع إعادة الترسيب بشكل عام مع موقع الرش، مما يسمح بالتآكل الصافي الذي قد يكون محظورًا. هناك مشكلة أكبر وهي أن التريتيوم يعاد ترسيبه مع الجرافيت المعاد ترسيبه. يمكن أن يتراكم مخزون التريتيوم في الجدار والغبار إلى عدة كيلوغرامات، مما يمثل إهدارًا للموارد وخطرًا إشعاعيًا في حالة وقوع حادث. وجد الجرافيت استحسانًا كمادة للتجارب قصيرة العمر، لكن يبدو أنه من غير المرجح أن يصبح المادة الأساسية المواجهة للبلازما (PFM) في مفاعل تجاري. ^{[98] [113]}

المواد الخزفية مثل كربيد السيليكون (SiC) لها مشاكل مماثلة مثل الجرافيت. إن احتباس التريتيوم في مكونات كربيد السيليكون المواجهة للبلازما أعلى بحوالي 1.5-2 مرة من الجرافيت، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الوقود وزيادة مخاطر السلامة في مفاعلات الاندماج. يميل كربيد السيليكون إلى حبس المزيد من التريتيوم، مما يحد من توفره للاندماج ويزيد من خطر التراكم الخطير، مما يعقد إدارة التريتيوم. ^{[114] [115]} علاوة على ذلك، لا يزال الرش الكيميائي والفيزيائي لكريد السيليكون مهمًا، مما يساهم في تراكم التريتيوم من خلال الترسيب المشترك بمرور الوقت ومع زيادة نفاذية الجسيمات. ونتيجة لذلك، تم استبعاد المواد القائمة على الكربون من ITER و DEMO والأجهزة المماثلة. ^[116]

معدل رش التنغستن أقل بكثير من معدل الكربون، كما أن التريتيوم أقل اندماجًا في التنغستن المعاد ترسبه. ومع ذلك، فإن شوائب بلازما التنغستن أكثر ضررًا بكثير من شوائب الكربون، وقد يكون الرش الذاتي مرتفعًا، مما يتطلب ألا تكون البلازما التي تلامس التنغستن ساخنة جدًا (بضع عشرات من إلكترون فولت بدلاً من مئات إلكترون فولت). كما يواجه التنغستن مشكلات تتعلق بالتيارات الدوامية والذوبان في الأحداث غير الطبيعية، فضلاً عن بعض المشكلات الإشعاعية. ^[98]

توصلت التطورات الحديثة في المواد المستخدمة في أجهزة الاحتواء إلى أن بعض أنواع السيراميك يمكنها بالفعل تحسين عمر مادة جهاز الاحتواء. تُظهِر الدراسات التي أجريت على مراحل MAX ، مثل كربيد السيليكون والتيتانيوم، أنه تحت درجات الحرارة التشغيلية العالية للاندماج النووي، تخضع المادة لتحول طوري من بنية سداسية إلى بنية مكعب مركز الوجه (FCC)، مدفوعة بنمو فقاعات الهيليوم. تتراكم ذرات الهيليوم بشكل تفضيلي في طبقة السيليكون للبنية السداسية، حيث تكون ذرات السيليكون أكثر قدرة على الحركة من ألواح Ti-C. مع احتجاز المزيد من الذرات، يتم تقشير لوح Ti-C، مما يتسبب في تحول ذرات السيليكون إلى ذرات بينية عالية الحركة في بنية FCC الجديدة. يتسبب إجهاد الشبكة الناتج عن فقاعات الهيليوم في انتشار ذرات السيليكون خارج المناطق المضغوطة، عادةً نحو سطح المادة، مما يشكل طبقة واقية من ثاني أكسيد السيليكون. ^[117]

وقد برزت عملية تخصيب مواد الأوعية بسيليكات الحديد كنهج واعد لتعزيز مواد الاحتواء في مفاعلات الاندماج أيضًا. تستهدف هذه الطريقة هشاشة الهيليوم عند حدود الحبوب، وهي مشكلة شائعة تنشأ عندما تتراكم ذرات الهيليوم وتشكل فقاعات. بمرور الوقت، تتجمع هذه الفقاعات عند حدود الحبوب، مما يتسبب في تمددها وتدهور سلامة المادة البنيوية. وعلى النقيض من ذلك، يؤدي إدخال سيليكات الحديد إلى إنشاء مواقع نووية داخل مصفوفة المعدن تكون أكثر ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية لتجمع الهيليوم. يحفز هذا التجمع الموضعي حول جسيمات النانو من سيليكات الحديد إجهاد المصفوفة بدلاً من إضعاف حدود الحبوب، مما يحافظ على قوة المادة وطول عمرها. ^{[118] [119]}

إن احتمال وقوع حادث وتأثيره على البيئة أمر بالغ الأهمية للقبول الاجتماعي للاندماج النووي، والمعروف أيضًا باسم الترخيص الاجتماعي . ^[120] لا تخضع مفاعلات الاندماج للانهيار الكارثي . ^[121] فهي تتطلب درجة حرارة وضغطًا ومعلمات مجال مغناطيسي دقيقة ومضبوطة لإنتاج الطاقة الصافية، وأي ضرر أو فقدان للتحكم المطلوب من شأنه أن يطفئ التفاعل بسرعة. ^[122] تعمل مفاعلات الاندماج بثوانٍ أو حتى ميكروثانية من الوقود في أي لحظة. بدون إعادة التزود بالوقود النشط، تنطفئ التفاعلات على الفور. ^[121]

تمنع نفس القيود التفاعلات الجامحة. على الرغم من أنه من المتوقع أن يكون حجم البلازما 1000 متر ^مكعب (35000 قدم مكعب) أو أكثر، إلا أن البلازما تحتوي عادةً على بضعة جرامات فقط من الوقود. ^[121] وبالمقارنة، يتم تحميل مفاعل الانشطار عادةً بكمية كافية من الوقود لشهور أو سنوات، ولا يلزم وجود وقود إضافي لمواصلة التفاعل. هذا الإمداد الكبير من الوقود هو ما يوفر إمكانية الانهيار. ^[123]

في حالة الاحتواء المغناطيسي، تتطور حقول قوية في الملفات التي يتم تثبيتها ميكانيكيًا في مكانها بواسطة هيكل المفاعل. قد يؤدي فشل هذا الهيكل إلى إطلاق هذا التوتر والسماح للمغناطيس "بالانفجار" إلى الخارج. ستكون شدة هذا الحدث مماثلة لحوادث صناعية أخرى أو إخماد/انفجار جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ، ويمكن احتواؤه بشكل فعال داخل مبنى احتواء مماثل لتلك المستخدمة في مفاعلات الانشطار.

في الاحتواء بالقصور الذاتي الذي يتم تشغيله بالليزر، يقلل الحجم الأكبر لحجرة التفاعل من الضغط على المواد. وعلى الرغم من إمكانية فشل غرفة التفاعل، فإن إيقاف توصيل الوقود يمنع الفشل الكارثي. ^[124]

تعتمد معظم تصميمات المفاعلات على الهيدروجين السائل كمبرد وتحويل النيوترونات الضالة إلى التريتيوم ، والذي يتم إرجاعه إلى المفاعل كوقود. الهيدروجين قابل للاشتعال، ومن الممكن أن يشتعل الهيدروجين المخزن في الموقع. في هذه الحالة، سيدخل جزء التريتيوم من الهيدروجين إلى الغلاف الجوي، مما يشكل خطرًا إشعاعيًا. تشير الحسابات إلى وجود حوالي 1 كيلوغرام (2.2 رطل) من التريتيوم والغازات المشعة الأخرى في محطة طاقة نموذجية. الكمية صغيرة بما يكفي لتخفف إلى الحدود المقبولة قانونًا بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى سياج محيط المحطة . ^[125]

وتشير التقديرات إلى أن احتمال وقوع حوادث صناعية صغيرة، بما في ذلك إطلاق المواد المشعة محليًا وإصابة الموظفين، ضئيل مقارنة بالانشطار النووي. وتشمل هذه الحوادث إطلاق الليثيوم أو التريتيوم عن طريق الخطأ أو سوء التعامل مع مكونات المفاعل المشع. ^[124]

إن إخماد المغناطيس هو إنهاء غير طبيعي لعمل المغناطيس يحدث عندما يخرج جزء من الملف الفائق التوصيل من حالة التوصيل الفائق (يصبح طبيعيًا). يمكن أن يحدث هذا لأن المجال داخل المغناطيس كبير جدًا، أو لأن معدل تغير المجال كبير جدًا (مما يتسبب في حدوث تيارات إيدي والتسخين الناتج في مصفوفة دعم النحاس)، أو مزيج من الاثنين.

نادرًا ما يتسبب عيب المغناطيس في حدوث إخماد. عندما يحدث هذا، تتعرض تلك البقعة المعينة لتسخين جول سريع من التيار، مما يرفع درجة حرارة المناطق المحيطة. وهذا يدفع تلك المناطق أيضًا إلى الحالة الطبيعية، مما يؤدي إلى المزيد من التسخين في تفاعل متسلسل. يصبح المغناطيس بأكمله طبيعيًا بسرعة على مدار عدة ثوانٍ، اعتمادًا على حجم الملف الفائق التوصيل. ويصاحب ذلك دوي قوي حيث يتم تحويل الطاقة في المجال المغناطيسي إلى حرارة، ويتبخر السائل المبرد. يمكن أن يؤدي الانخفاض المفاجئ في التيار إلى طفرات جهد حثي كيلوفولت وقوس كهربائي. يعد التلف الدائم للمغناطيس نادرًا، ولكن يمكن أن تتلف المكونات بسبب التسخين الموضعي أو الفولتية العالية أو القوى الميكانيكية الكبيرة.

في الممارسة العملية، عادةً ما تحتوي المغناطيسات على أجهزة أمان لإيقاف التيار أو الحد منه عند اكتشاف حدوث إخماد. إذا تعرض مغناطيس كبير لإخماد، فإن البخار الخامل المتكون من السائل المبرد المتبخر يمكن أن يشكل خطر اختناق كبير للمشغلين من خلال إزاحة الهواء القابل للتنفس.

انطفأ قسم كبير من المغناطيسات الفائقة التوصيل في مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن) بشكل غير متوقع أثناء عمليات بدء التشغيل في عام 2008، مما أدى إلى تدمير العديد من المغناطيسات. ^[126] ولمنع تكرار ذلك، تم تجهيز المغناطيسات الفائقة التوصيل في مصادم الهدرونات الكبير بسخانات سريعة التسارع يتم تنشيطها عند اكتشاف حدث انطفأ. يتم توصيل مغناطيسات الانحناء ثنائية القطب على التوالي. تتضمن كل دائرة طاقة 154 مغناطيسًا فرديًا، وفي حالة حدوث حدث انطفأ، يجب تفريغ الطاقة المخزنة بالكامل لهذه المغناطيسات دفعة واحدة. يتم نقل هذه الطاقة إلى كتل معدنية ضخمة تسخن حتى عدة مئات من الدرجات المئوية - بسبب التسخين المقاوم - في ثوانٍ. انطفأ المغناطيس هو "حدث روتيني إلى حد ما" أثناء تشغيل مسرع الجسيمات. ^[127]

المنتج الطبيعي لتفاعل الاندماج هو كمية صغيرة من الهيليوم ، وهو غير ضار بالحياة. من الصعب الاحتفاظ بالتريتيوم الخطير بالكامل.

على الرغم من أن التريتيوم متطاير ونشط بيولوجيًا، فإن المخاطر الصحية التي يفرضها إطلاقه أقل بكثير من معظم الملوثات المشعة، بسبب نصف عمر التريتيوم القصير (12.32 عامًا) وطاقة الاضمحلال المنخفضة جدًا (~14.95 كيلو إلكترون فولت)، ولأنه لا يتراكم بيولوجيًا (يخرج من الجسم على شكل ماء، بنصف عمر بيولوجي يتراوح من 7 إلى 14 يومًا). ^[128] يشتمل ITER على مرافق احتواء كاملة للتريتيوم. ^[129]

تنتج مفاعلات الاندماج مواد مشعة أقل بكثير من مفاعلات الانشطار. علاوة على ذلك، فإن المادة التي تنتجها أقل ضررًا بيولوجيًا، ويتبدد النشاط الإشعاعي خلال فترة زمنية تقع ضمن القدرات الهندسية الحالية للتخزين الآمن للنفايات على المدى الطويل. ^[130] وبعبارات محددة، باستثناء حالة الاندماج اللانيوتروني ، ^{[131] [132]} يحول تدفق النيوترونات المواد الهيكلية إلى مواد مشعة. قد تكون كمية المواد المشعة عند الإغلاق قابلة للمقارنة بكمية مفاعل الانشطار، مع وجود اختلافات مهمة. تميل أنصاف أعمار نظائر الاندماج وتنشيط النيوترون إلى أن تكون أقل من تلك الناتجة عن الانشطار، بحيث ينخفض ​​الخطر بشكل أسرع. في حين تنتج مفاعلات الانشطار نفايات تظل مشعة لآلاف السنين، فإن المادة المشعة في مفاعل الاندماج (بخلاف التريتيوم) ستكون قلب المفاعل نفسه ومعظم هذه النفايات ستكون مشعة لمدة 50 عامًا تقريبًا، مع بقاء النفايات الأخرى منخفضة المستوى مشعة لمدة 100 عام أخرى أو نحو ذلك بعد ذلك. ^[133] يزيل عمر النصف القصير لنفايات الاندماج تحدي التخزين طويل الأمد. بحلول 500 عام، ستكون المادة بنفس السمية الإشعاعية لرماد الفحم . ^[125] ومع ذلك، فإن التصنيف كنفايات متوسطة المستوى بدلاً من نفايات منخفضة المستوى قد يعقد مناقشات السلامة. ^{[134] [130]}

إن اختيار المواد أقل تقييدًا من الانشطار التقليدي، حيث تكون هناك حاجة إلى العديد من المواد لمقاطع النيوترون الخاصة بها . يمكن تصميم مفاعلات الاندماج باستخدام مواد "منخفضة التنشيط"، وهي مواد لا تصبح مشعة بسهولة. على سبيل المثال، يصبح الفاناديوم أقل إشعاعًا بكثير من الفولاذ المقاوم للصدأ . ^{[135] كما أن مواد} ألياف الكربون منخفضة التنشيط، وهي قوية وخفيفة الوزن، وهي واعدة لمفاعلات الليزر بالقصور الذاتي حيث لا يلزم وجود مجال مغناطيسي. ^[136]

في بعض السيناريوهات، يمكن تكييف تكنولوجيا الطاقة الاندماجية لإنتاج مواد لأغراض عسكرية. يمكن إنتاج كمية هائلة من التريتيوم بواسطة محطة طاقة اندماجية؛ يستخدم التريتيوم في تشغيل القنابل الهيدروجينية وفي الأسلحة الانشطارية المعززة الحديثة، ولكن يمكن إنتاجه بطرق أخرى. يمكن استخدام النيوترونات النشطة من مفاعل الاندماج لتوليد البلوتونيوم أو اليورانيوم الصالح للاستخدام في صنع الأسلحة لصنع قنبلة ذرية (على سبيل المثال عن طريق تحويل²³⁸
أنت إلى²³⁹
بو ، أو²³²
ث إلى²³³
و ).

وقد قامت دراسة أجريت في عام 2011 بتقييم ثلاثة سيناريوهات: ^[137]

• محطة الاندماج صغيرة الحجم: نتيجة لاستهلاك الطاقة الأعلى بكثير، وتبديد الحرارة وتصميم أكثر قابلية للتعرف عليه مقارنة بأجهزة الطرد المركزي للغاز المخصب ، سيكون هذا الاختيار أسهل بكثير في الكشف عنه وبالتالي غير معقول. ^[137]
• المرفق التجاري: إن إمكانات الإنتاج كبيرة. ولكن لا يلزم وجود أي مواد خصبة أو انشطارية ضرورية لإنتاج مواد صالحة للاستخدام في الأسلحة في نظام الاندماج المدني على الإطلاق. وإذا لم تكن هذه المواد محمية، فيمكن الكشف عنها من خلال إشعاع جاما المميز لها . ويمكن الكشف عن إعادة التصميم الأساسية من خلال التحقق المنتظم من معلومات التصميم. وفي حالة وحدات بطانية المولد الصلبة (الأكثر جدوى من الناحية الفنية)، سيكون من الضروري فحص المكونات الواردة بحثًا عن وجود مواد خصبة، ^[137] وإلا فيمكن إنتاج البلوتونيوم لعدة أسلحة كل عام. ^[138]
• إعطاء الأولوية للمواد الصالحة للاستخدام في الأسلحة بغض النظر عن السرية: كانت أسرع طريقة لإنتاج مواد صالحة للاستخدام في الأسلحة هي تعديل محطة طاقة اندماجية مدنية. لا يلزم وجود مواد متوافقة مع الأسلحة أثناء الاستخدام المدني. حتى بدون الحاجة إلى عمل سري، فإن مثل هذا التعديل سيستغرق حوالي شهرين لبدء الإنتاج وأسبوعًا إضافيًا على الأقل لتوليد كمية كبيرة. كان هذا يعتبر وقتًا كافيًا لاكتشاف الاستخدام العسكري والرد بالوسائل الدبلوماسية أو العسكرية. لوقف الإنتاج، سيكون التدمير العسكري لأجزاء من المنشأة مع ترك المفاعل خارجًا كافيًا. ^[137]

وخلصت دراسة أخرى إلى أن "... مفاعلات الاندماج الكبيرة - حتى لو لم تكن مصممة لتربية المواد الانشطارية - يمكنها بسهولة إنتاج عدة مئات من كيلوغرامات البلوتونيوم سنويًا بجودة سلاح عالية ومتطلبات مواد مصدرية منخفضة للغاية". وتم التأكيد على أن تنفيذ ميزات مقاومة الانتشار الجوهرية قد لا يكون ممكنًا إلا في مرحلة مبكرة من البحث والتطوير. ^[138] ترتبط الأدوات النظرية والحسابية اللازمة لتصميم القنبلة الهيدروجينية ارتباطًا وثيقًا بتلك اللازمة للاندماج بالاحتواء بالقصور الذاتي ، ولكن لديها القليل جدًا من القواسم المشتركة مع الاندماج بالاحتواء المغناطيسي.

تقترح طاقة الاندماج عادةً استخدام الديوتيريوم كوقود، وتستخدم العديد من التصميمات الحالية أيضًا الليثيوم . وبافتراض أن ناتج طاقة الاندماج يساوي ناتج الطاقة العالمي لعام 1995 والذي بلغ حوالي 100 إلكترون جول/سنة (= 1 × 10 ²⁰ جول/سنة) وأن هذا لن يزيد في المستقبل، وهو أمر غير مرجح، فإن احتياطيات الليثيوم الحالية المعروفة ستدوم 3000 عام. ومع ذلك، فإن الليثيوم من مياه البحر سيدوم 60 مليون عام، وستوفر عملية اندماج أكثر تعقيدًا باستخدام الديوتيريوم فقط وقودًا لمدة 150 مليار عام. ^[139] ولوضع هذا في سياقه، فإن 150 مليار عام تقترب من 30 ضعف العمر المتبقي للشمس، ^[140] وأكثر من 10 أضعاف العمر المقدر للكون.

أنفق الاتحاد الأوروبي ما يقرب من 10 مليارات يورو خلال التسعينيات. ^{[141] يمثل} ITER استثمارًا يزيد عن عشرين مليار دولار، وربما عشرات المليارات أكثر، بما في ذلك المساهمات العينية . ^{[142] [143] بموجب} برنامج الإطار السادس للاتحاد الأوروبي ، تلقى بحث الاندماج النووي 750 مليون يورو (بالإضافة إلى تمويل ITER)، مقارنة بـ 810 مليون يورو لأبحاث الطاقة المستدامة، ^[144] مما يجعل البحث في طاقة الاندماج متقدمًا كثيرًا على أي تقنية منافسة واحدة. خصصت وزارة الطاقة الأمريكية 367 مليون دولار أمريكي - 671 مليون دولار أمريكي كل عام منذ عام 2010، وبلغت ذروتها في عام 2020، ^[145] مع خطط لخفض الاستثمار إلى 425 مليون دولار أمريكي في طلب ميزانية السنة المالية 2021. ^[146] يتم توجيه حوالي ربع هذه الميزانية لدعم ITER.

كان حجم الاستثمارات والجداول الزمنية يعني أن أبحاث الاندماج كانت تُمول تقليديًا بشكل حصري تقريبًا من القطاع العام. ومع ذلك، بدءًا من العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأ الوعد بتسويق مصدر طاقة منخفض الكربون يغير النموذج في جذب مجموعة من الشركات والمستثمرين. ^[147] اجتذبت أكثر من عشرين شركة ناشئة أكثر من مليار دولار من عام 2000 إلى عام 2020 تقريبًا، وخاصة من عام 2015، وثلاثة مليارات أخرى في التمويل والالتزامات المرتبطة بالمعالم في عام 2021، ^{[148] [149]} مع المستثمرين بما في ذلك جيف بيزوس وبيتر ثيل وبيل جيتس ، بالإضافة إلى المستثمرين المؤسسيين بما في ذلك ليجال آند جنرال ، وشركات الطاقة بما في ذلك إكوينور وإيني وشيفرون ، ^[150] ومجموعة إي إن إن الصينية . ^{[151] [152] [153]} في عام 2021، حصلت شركة Commonwealth Fusion Systems (CFS) على 1.8 مليار دولار في تمويل التوسع، وحصلت شركة Helion Energy على نصف مليار دولار مع 1.7 مليار دولار إضافية مشروطة بتحقيق المعالم. ^[154]

ناقشت السيناريوهات التي تم تطويرها في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين آثار تسويق طاقة الاندماج على مستقبل الحضارة الإنسانية. ^[155] باستخدام الانشطار النووي كدليل، رأت هذه السيناريوهات أن ITER ولاحقًا DEMO سيعملان على تشغيل أول مفاعلات تجارية حوالي عام 2050 والتوسع السريع بعد منتصف القرن. ^[155] أكدت بعض السيناريوهات على "مرافق العلوم النووية الاندماجية" كخطوة تتجاوز ITER. ^{[156] [157]} ومع ذلك، تظل العقبات الاقتصادية أمام طاقة الاندماج القائمة على توكاماك هائلة، مما يتطلب الاستثمار لتمويل نماذج أولية لمفاعلات توكاماك ^[158] وتطوير سلاسل توريد جديدة، ^[159] وهي مشكلة ستؤثر على أي نوع من مفاعلات الاندماج. ^[160] يبدو أن تصميمات توكاماك كثيفة العمالة، ^[161] في حين أن مخاطر تسويق البدائل مثل طاقة الاندماج بالقصور الذاتي مرتفعة بسبب نقص الموارد الحكومية. ^[162]

تشير السيناريوهات منذ عام 2010 إلى تقدم الحوسبة وعلوم المواد مما يتيح إنشاء "محطات تجريبية للاندماج" متعددة المراحل على المستوى الوطني أو تقاسم التكاليف على طول مسارات تكنولوجية مختلفة، ^{[163] [157] [164] [165] [166] [167]} مثل مفاعل توكاماك الكروي في المملكة المتحدة لإنتاج الطاقة ، في إطار زمني 2030-2040. ^{[168] [169] [170]} والجدير بالذكر أنه في يونيو 2021، أعلنت شركة جنرال فيوجن أنها ستقبل عرض حكومة المملكة المتحدة لاستضافة أول مصنع تجريبي للاندماج في العالم للشراكة بين القطاعين العام والخاص ، في مركز كولهام للطاقة الاندماجية . ^[171] سيتم بناء المصنع من عام 2022 إلى عام 2025 ويهدف إلى تمهيد الطريق لمحطات تجريبية تجارية في أواخر عام 2025. ستكون المحطة بنسبة 70% من الحجم الكامل ومن المتوقع أن تصل إلى بلازما مستقرة تبلغ 150 مليون درجة. ^[172] في الولايات المتحدة، يبدو من المرجح أن تكون محطات توليد الطاقة النووية من الشراكة بين القطاعين العام والخاص القائمة على تقاسم التكاليف، ^[173] وفي عام 2022 أعلنت وزارة الطاقة عن برنامج تطوير الاندماج القائم على المعالم الجديد باعتباره محور رؤيتها العقدية الجريئة للطاقة الاندماجية التجارية، ^[174] والتي تتصور فرقًا بقيادة القطاع الخاص تقدم تصميمات ما قبل المفهوم لمحطات توليد الطاقة النووية، وتحديد خرائط طريق التكنولوجيا، ومتابعة البحث والتطوير اللازمين لحل القضايا العلمية والتقنية ذات المسار الحرج نحو تصميم محطة توليد الطاقة النووية. ^[175] قد تمكن تقنية المفاعل المدمجة القائمة على مثل هذه المحطات التجريبية من التسويق من خلال نهج الأسطول من ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين ^[176] إذا أمكن تحديد الأسواق المبكرة. ^[170]

لقد أدى انتشار استخدام الطاقة المتجددة غير النووية إلى تغيير المشهد الطاقي. ومن المتوقع أن توفر هذه الطاقة المتجددة 74% من الطاقة العالمية بحلول عام 2050. ^[177] ويشكل الانخفاض المستمر في أسعار الطاقة المتجددة تحديًا للقدرة التنافسية الاقتصادية لطاقة الاندماج. ^[178]

يقترح بعض خبراء الاقتصاد أن طاقة الاندماج من غير المرجح أن تضاهي تكاليف الطاقة المتجددة الأخرى . ^[178] ومن المتوقع أن تواجه محطات الاندماج تكاليف بدء تشغيل ورأس مال كبيرة . علاوة على ذلك، من المرجح أن يكون التشغيل والصيانة مكلفين. ^[178] في حين أن تكاليف مفاعل اختبار هندسة الاندماج الصيني ليست معروفة جيدًا، فقد تم توقع أن يتميز مفهوم الاندماج التجريبي للاتحاد الأوروبي بتكلفة طاقة مستوية (LCOE) تبلغ 121 دولارًا أمريكيًا / ميجاوات في الساعة. ^[180]

إن تكاليف الوقود منخفضة، ولكن خبراء الاقتصاد يشيرون إلى أن تكلفة الطاقة اللازمة لمحطة بقدرة جيجاواط واحد سوف تزيد بمقدار 16.5 دولار لكل ميجاواط/ساعة لكل زيادة قدرها مليار دولار في الاستثمار الرأسمالي في البناء. وهناك أيضاً خطر استهلاك الليثيوم الذي يمكن الحصول عليه بسهولة في صناعة البطاريات. وسوف يكون الحصول عليه من مياه البحر مكلفاً للغاية وقد يتطلب طاقة أكبر من الطاقة التي سيتم توليدها. ^[178]

وعلى النقيض من ذلك، فإن تقديرات التكلفة المستوية للطاقة المتجددة أقل بكثير. على سبيل المثال، تم تقدير التكلفة المستوية للطاقة الشمسية في عام 2019 بنحو 40 إلى 46 دولارًا أمريكيًا لكل ميجاوات في الساعة، وتم تقدير طاقة الرياح الساحلية بنحو 29 إلى 56 دولارًا أمريكيًا لكل ميجاوات في الساعة، وطاقة الرياح البحرية بنحو 92 دولارًا أمريكيًا لكل ميجاوات في الساعة. ^[181]

ومع ذلك، قد لا يزال لطاقة الاندماج دور في سد فجوات الطاقة التي خلفتها مصادر الطاقة المتجددة، ^{[170] [178]} اعتمادًا على كيفية تأثير أولويات الإدارة للطاقة والعدالة البيئية على السوق. ^[154] في عشرينيات القرن الحادي والعشرين، ظهرت دراسات اجتماعية واقتصادية حول الاندماج بدأت في مراعاة هذه العوامل، ^[182] وفي عام 2022 أطلقت EUROFusion دراساتها الاجتماعية والاقتصادية وخيوط البحث والتطوير المستقبلية للتحقيق في كيفية تأثير هذه العوامل على مسارات التسويق والجداول الزمنية. ^[183] ​​وبالمثل، أعلنت اليابان في أبريل 2023 عن استراتيجية وطنية لتصنيع الاندماج. ^[184] وبالتالي، قد تعمل طاقة الاندماج جنبًا إلى جنب مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى بدلاً من أن تصبح المصدر الأساسي للطاقة. ^[178] في بعض التطبيقات، يمكن أن توفر طاقة الاندماج الحمل الأساسي، خاصةً إذا تم تضمين التخزين الحراري المتكامل والتوليد المشترك والنظر في إمكانية إعادة تأهيل محطات الفحم. ^{[170] [178]}

مع اقتراب محطات الاندماج التجريبية من المتناول، يجب معالجة القضايا القانونية والتنظيمية. ^{[185] في سبتمبر 2020، تشاورت} الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة مع شركات الاندماج الخاصة للنظر في إنشاء محطة تجريبية وطنية. في الشهر التالي، استضافت وزارة الطاقة الأمريكية وهيئة التنظيم النووي (NRC) ورابطة صناعة الاندماج منتدى عامًا لبدء العملية. ^[150] في نوفمبر 2020، بدأت الوكالة الدولية للطاقة الذرية العمل مع دول مختلفة لإنشاء معايير السلامة ^[186] مثل لوائح الجرعات والتعامل مع النفايات المشعة . ^[186] في يناير ومارس 2021، استضافت هيئة التنظيم النووي اجتماعين عامين حول الأطر التنظيمية. ^{[187] [188]} تم تأييد نهج تقاسم التكاليف بين القطاعين العام والخاص في قانون المخصصات الموحدة رقم 133 الصادر في 27 ديسمبر 2021، والذي سمح بتخصيص 325 مليون دولار على مدى خمس سنوات لبرنامج شراكة لبناء مرافق تجريبية للاندماج، مع مساهمة القطاع الخاص بنسبة 100%. ^[189]

بعد ذلك، نشر مجلس آفاق التنظيم في المملكة المتحدة تقريرًا يدعو إلى وضع إطار تنظيمي للاندماج بحلول أوائل عام 2022 ^[190] من أجل وضع المملكة المتحدة كقائد عالمي في تسويق طاقة الاندماج. ^[191] وقد لبت حكومة المملكة المتحدة هذه الدعوة بنشرها في أكتوبر 2021 كلاً من ورقتها الخضراء للاندماج واستراتيجية الاندماج الخاصة بها ، لتنظيم وتسويق الاندماج على التوالي. ^{[192] [193] [194]} ثم في أبريل 2023، في قرار من المرجح أن يؤثر على الهيئات التنظيمية النووية الأخرى، أعلنت الهيئة التنظيمية النووية في تصويت بالإجماع أن طاقة الاندماج سيتم تنظيمها ليس كانشطار ولكن بموجب نفس النظام التنظيمي مثل مسرعات الجسيمات. ^[195]

ثم في أكتوبر 2023، من خلال سن قانون الطاقة 2023، جعلت حكومة المملكة المتحدة المملكة المتحدة أول دولة تشرع في مجال الاندماج بشكل منفصل عن الانشطار، لدعم التخطيط والاستثمار، بما في ذلك نموذج محطة الطاقة الاندماجية المخطط لها في المملكة المتحدة لعام 2040؛ STEP ^[196] تعمل المملكة المتحدة مع كندا واليابان في هذا الصدد. ^[197] وفي الوقت نفسه، في فبراير 2024، أقر مجلس النواب الأمريكي قانون النهوض بالطاقة الذرية، والذي يتضمن قانون طاقة الاندماج، والذي ينشئ إطارًا تنظيميًا لأنظمة طاقة الاندماج. ^[198]

نظرًا لإمكانية الاندماج النووي لتحويل صناعة الطاقة العالمية والتخفيف من تغير المناخ ، ^{[199] [200]} فقد كان يُنظر إلى علم الاندماج النووي تقليديًا على أنه جزء لا يتجزأ من دبلوماسية العلوم لبناء السلام . ^{[201] [129]} ومع ذلك، أثارت التطورات التكنولوجية ^[202] ومشاركة القطاع الخاص مخاوف بشأن الملكية الفكرية والإدارة التنظيمية والقيادة العالمية؛ ^[199] والإنصاف والتسليح المحتمل. ^{[153] [203]} تتحدى هذه التحديات دور ITER في بناء السلام وأدت إلى دعوات لتشكيل لجنة عالمية. ^{[203] [204]} يبدو من غير المحتمل أن تساهم طاقة الاندماج النووي بشكل كبير في تغير المناخ بحلول عام 2050 دون تحقيق اختراقات كبيرة وظهور عقلية سباق الفضاء، ^{[164] [205]} ولكن يبدو أن المساهمة بحلول عام 2100 ممكنة، مع اعتماد المدى على نوع وتكلفة مسارات التكنولوجيا بشكل خاص. ^{[206] [207]}

أدت التطورات منذ أواخر عام 2020 فصاعدًا إلى الحديث عن "سباق فضاء جديد" مع العديد من المشاركين، مما يضع الولايات المتحدة في مواجهة الصين ^{[48] وبرنامج} STEP FPP في المملكة المتحدة ، ^{[208] [209]} حيث تنفق الصين الآن أكثر من الولايات المتحدة وتهدد بتجاوز التكنولوجيا الأمريكية. ^[210] في 24 سبتمبر 2020، وافق مجلس النواب الأمريكي على برنامج بحث وتسويق. تضمن قسم أبحاث طاقة الاندماج برنامج شراكة بين القطاعين العام والخاص قائم على الإنجازات وتقاسم التكاليف على غرار برنامج COTS التابع لوكالة ناسا ، والذي أطلق صناعة الفضاء التجارية . ^[150] في فبراير 2021، نشرت الأكاديميات الوطنية Bringing Fusion to the US Grid ، موصية بمصنع قائم على السوق وتقاسم التكاليف للفترة 2035-2040، ^{[211] [212] [213]} وتبع ذلك إطلاق لجنة الكونجرس الحزبية للاندماج. ^[214]

في ديسمبر 2020، قامت لجنة خبراء مستقلة بمراجعة تصميم EUROfusion وأعمال البحث والتطوير الخاصة بـ DEMO، وأكدت EUROfusion أنها تمضي قدمًا في خريطة الطريق الخاصة بها نحو طاقة الاندماج، حيث بدأت التصميم المفاهيمي لـ DEMO بالشراكة مع مجتمع الاندماج الأوروبي، مما يشير إلى أن آلة مدعومة من الاتحاد الأوروبي قد دخلت السباق. ^[215]

في أكتوبر 2023، أعلنت مجموعة Agile Nations الموجهة للمملكة المتحدة عن مجموعة عمل الاندماج. ^[216] وبعد شهر واحد، أعلنت المملكة المتحدة والولايات المتحدة عن شراكة ثنائية لتسريع طاقة الاندماج. ثم في ديسمبر 2023 في مؤتمر الأطراف الثامن والعشرين، أعلنت الولايات المتحدة عن استراتيجية عالمية أمريكية لتسويق طاقة الاندماج. ^[217] ثم في أبريل 2024، أعلنت اليابان والولايات المتحدة عن شراكة مماثلة، ^[218] وفي مايو من نفس العام، أعلنت مجموعة الدول السبع عن مجموعة عمل مجموعة الدول السبع بشأن طاقة الاندماج لتعزيز التعاون الدولي لتسريع تطوير الطاقة التجارية وتعزيز البحث والتطوير بين البلدان، فضلاً عن ترشيد تنظيم الاندماج. ^[219] في وقت لاحق من نفس العام، دخلت الولايات المتحدة في شراكة مع الوكالة الدولية للطاقة الذرية لإطلاق فريق عمل حلول طاقة الاندماج، لجمع الأفكار بشكل تعاوني لتسريع طاقة الاندماج التجارية، بما يتماشى مع بيان مؤتمر الأطراف الثامن والعشرين للولايات المتحدة.

على وجه التحديد لحل مشكلة إمدادات التريتيوم، أعلنت المملكة المتحدة ( وكالة الطاقة الذرية الكندية ) وكندا ( المختبرات النووية الكندية ) في فبراير 2024 عن اتفاق يمكن لكندا بموجبه تجديد محطاتها النووية التي تعمل بالماء الثقيل والتي تنتج الديوتيريوم واليورانيوم والتريتيوم في كاندو وحتى بناء محطات جديدة، مما يضمن إمداد التريتيوم حتى سبعينيات القرن الحادي والعشرين، بينما ستختبر وكالة الطاقة الذرية البريطانية المواد المولدة وتحاكي كيفية التقاط التريتيوم وتنقيته وحقنه مرة أخرى في تفاعل الاندماج. ^[220]

في عام 2024، أعلنت كل من كوريا الجنوبية واليابان عن مبادرات رئيسية لتسريع استراتيجيات الاندماج الوطنية، من خلال بناء محطات اندماج عامة وخاصة لتوليد الكهرباء في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين، بهدف بدء العمليات في أربعينيات وثلاثينيات القرن الحادي والعشرين على التوالي. ^{[221] [222]}

تعد طاقة الاندماج النووي بتوفير المزيد من الطاقة لوزن معين من الوقود مقارنة بأي مصدر طاقة يستهلك الوقود قيد الاستخدام حاليًا. ^[223] يوجد الوقود ( الديوتيريوم بشكل أساسي ) بكثرة في المحيط: حوالي 1 من كل 6500 ذرة هيدروجين في مياه البحر هي ديوتيريوم. ^[224] على الرغم من أن هذا يمثل حوالي 0.015٪ فقط، إلا أن مياه البحر وفيرة ويسهل الوصول إليها، مما يعني أن الاندماج النووي يمكن أن يوفر احتياجات العالم من الطاقة لملايين السنين. ^{[225] [226]}

ومن المتوقع أن تستخدم محطات الاندماج النووي من الجيل الأول دورة وقود الديوتيريوم والتريتيوم. وسوف يتطلب هذا استخدام الليثيوم لإنتاج التريتيوم. ومن غير المعروف إلى متى ستكفي إمدادات الليثيوم العالمية لتلبية هذه الحاجة فضلاً عن احتياجات صناعات البطاريات والمعادن. ومن المتوقع أن تنتقل محطات الجيل الثاني إلى تفاعل الديوتيريوم-الديوتيريوم الأكثر صعوبة. كما أن تفاعل الديوتيريوم-الهيليوم-3 مثير للاهتمام أيضاً، ولكن نظير الهيليوم الخفيف غير موجود عملياً على الأرض. ويُعتقد أنه موجود بكميات مفيدة في تربة القمر ، وهو متوفر بكثرة في أجواء الكواكب الغازية العملاقة.

يمكن استخدام طاقة الاندماج في ما يسمى بالدفع في "الفضاء العميق" داخل النظام الشمسي ^{[227] [228]} واستكشاف الفضاء بين النجوم حيث لا تتوفر الطاقة الشمسية، بما في ذلك من خلال محركات هجينة من المادة المضادة والاندماج . ^{[229] [230]}

ينتج اندماج الديوتيريوم والتريتيوم الهيليوم كمنتج ثانوي . ^[231]

إن الطاقة النووية الاندماجية لها عدد من العيوب. ولأن 80% من الطاقة في أي مفاعل يعمل بالديوتيريوم والتريتيوم تظهر في هيئة تيارات نيوترونية، فإن مثل هذه المفاعلات تشترك في العديد من عيوب مفاعلات الانشطار. وهذا يشمل إنتاج كميات كبيرة من النفايات المشعة وإلحاق أضرار إشعاعية خطيرة بمكونات المفاعل. بالإضافة إلى ذلك، فإن التريتيوم الطبيعي نادر للغاية. وفي حين أن الأمل هو أن تتمكن مفاعلات الاندماج من إنتاج التريتيوم الخاص بها، فإن الاكتفاء الذاتي من التريتيوم يشكل تحديًا كبيرًا، ليس أقلها لأن التريتيوم يصعب احتواؤه (لقد تسرب التريتيوم من 48 من 65 موقعًا نوويًا في الولايات المتحدة ^[232] ). وفي كل الأحوال، من المرجح أن تكون متطلبات مخزون التريتيوم الاحتياطي والبدائي كبيرة بشكل غير مقبول. ^[233]

إذا كان من الممكن تشغيل المفاعلات باستخدام وقود الديوتيريوم فقط، فإن ذلك يعني القضاء على مشكلة تجديد مخزون التريتيوم، وربما يتم تقليل الضرر الناجم عن الإشعاع النيوتروني. ومع ذلك، فإن احتمالات تفاعلات الديوتيريوم-الديوتيريوم أقل بنحو عشرين مرة من احتمالات تفاعلات الديوتيريوم-التريتيوم. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجة الحرارة المطلوبة أعلى بنحو ثلاثة أضعاف من تلك المطلوبة لتفاعلات الديوتيريوم-التريتيوم (انظر المقطع العرضي). وبالتالي فإن درجات الحرارة الأعلى ومعدلات التفاعل المنخفضة تعقد بشكل كبير التحديات الهندسية. وفي كل الأحوال، تظل هناك عيوب أخرى، على سبيل المثال، فإن المفاعلات التي تتطلب وقود الديوتيريوم فقط سوف تزيد بشكل كبير من احتمالات انتشار الأسلحة النووية.

قد يحتاج هذا القسم إلى إعادة كتابته ليتوافق مع معايير الجودة في ويكيبيديا . يمكنك المساعدة. قد تحتوي صفحة المناقشة على اقتراحات. ( فبراير 2023 )

كانت أول آلة تحقق الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هي آلة الضغط في مختبر لوس ألاموس الوطني تسمى سكيلا 1 في بداية عام 1958. وكان الفريق الذي حقق ذلك بقيادة عالم بريطاني يدعى جيمس تاك وشمل الشاب مارشال روزنبلوث . كان تاك مشاركًا في مشروع مانهاتن، لكنه تحول إلى العمل على الاندماج في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي. تقدم بطلب للحصول على تمويل للمشروع كجزء من مسابقة برعاية البيت الأبيض لتطوير مفاعل اندماج مع ليمان سبيتزر . في العام السابق، 1957، زعم البريطانيون أنهم حققوا تفاعلات اندماج نووي حراري على آلة الضغط زيتا . ومع ذلك، اتضح أن النيوترونات التي اكتشفوها كانت من تفاعلات الهدف الشعاعي، وليس الاندماج، وسحبوا هذا الادعاء.

كانت سكيلا 1 آلة سرية في ذلك الوقت، لذا تم إخفاء الإنجاز عن الجمهور. يمرر الضغط التقليدي تيارًا أسفل مركز البلازما، مما يخلق قوة مغناطيسية حول الجزء الخارجي مما يضغط على البلازما إلى ظروف الاندماج. كانت سكيلا 1 عبارة عن ضغط θ ، والذي استخدم الديوتيريوم لتمرير تيار حول الجزء الخارجي من أسطوانته لإنشاء قوة مغناطيسية في المركز. ^{[36] [37]} بعد نجاح سكيلا 1، واصلت لوس ألاموس بناء آلات ضغط متعددة على مدار السنوات القليلة التالية.

واصل سبيتزر أبحاثه في مجال الستيلاريتور في جامعة برينستون. ورغم أن الاندماج لم يحدث على الفور، إلا أن الجهود المبذولة أدت إلى إنشاء مختبر فيزياء البلازما في جامعة برينستون . ^{[234] [235]}

في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، طور الفيزيائيان السوفييتيان آي إي تام وأيه دي ساخاروف مفهوم التوكاماك، الذي يجمع بين جهاز ضغط منخفض الطاقة مع ستيلاريتور منخفض الطاقة. ^{[201] قامت مجموعة} أ.د ساخاروف ببناء أول أجهزة التوكاماك، محققة بذلك أول تفاعل اندماج شبه ثابت. ^{[236] :90}

مع مرور الوقت، ظهر مفهوم "التوكاماك المتقدم"، والذي تضمن بلازما غير دائرية، ومحولات ومحددات داخلية، ومغناطيسات فائقة التوصيل، والعمل في جزيرة "الوضع H" ذات الاستقرار المتزايد، ^[237] والتوكاماك المدمج، مع المغناطيسات الموجودة داخل غرفة التفريغ. ^{[238] [239]}

تم اقتراح الاندماج بالليزر في عام 1962 من قبل العلماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، بعد وقت قصير من اختراع الليزر في عام 1960. بدأت تجارب الاندماج بالحبس بالقصور الذاتي باستخدام الليزر في وقت مبكر من عام 1965. ^{[ بحاجة لمصدر ]} تم بناء العديد من أنظمة الليزر في LLNL، بما في ذلك Argus و Cyclops و Janus و Long Path و Shiva laser و Nova . ^[240]

تضمنت التطورات في مجال الليزر بلورات مضاعفة التردد ثلاث مرات والتي حولت أشعة الليزر تحت الحمراء إلى أشعة فوق بنفسجية و"التغريد" الذي غير طول موجي واحد إلى طيف كامل يمكن تضخيمه ثم إعادة تشكيله إلى تردد واحد. ^[241] تكلفت أبحاث الليزر أكثر من مليار دولار في الثمانينيات. ^[242]

تم بناء مفاعلات توكاماك Tore Supra وJET وT-15 وJT-60 في ثمانينيات القرن العشرين. [ 243 ] [ 244 ] في عام ^{1984 ،} اقترح مارتن بينج من ORNL مفاعل توكاماك كروي بنصف قطر أصغر بكثير. ^[245] وقد استخدم موصلًا كبيرًا واحدًا في المنتصف، مع وجود مغناطيسات على شكل حلقات نصف دائرية خارج هذا الموصل. انخفضت نسبة العرض إلى الارتفاع إلى 1.2. ^{[246] :B247 [247] :225} لفتت دعوة بينج انتباه ديريك روبنسون ، الذي بنى مفاعل توكاماك صغير ضيق بنسبة عرض إلى ارتفاع (START). ^[246]

في عام 1991، نجحت تجربة التريتيوم الأولية في تورس الأوروبي المشترك في تحقيق أول إطلاق متحكم فيه للطاقة الاندماجية في العالم. ^[248]

في عام 1996، قام توري سوبرا بإنشاء بلازما لمدة دقيقتين بتيار يقارب المليون أمبير، بإجمالي 280 ميجا جول من الطاقة المحقونة والمستخرجة. ^[249]

في عام 1997، أنتجت JET ذروة بلغت 16.1 ميغاواط من طاقة الاندماج (65% من الحرارة إلى البلازما ^[250] )، مع طاقة اندماج تزيد عن 10 ميغاواط استمرت لأكثر من 0.5 ثانية. ^[251]

"الاشتعال السريع" ^{[252] [253]} وفر الطاقة ودفع شركة ICF إلى السباق لإنتاج الطاقة.

في عام 2006، تم الانتهاء من مفاعل الاختبار الصيني المتقدم التجريبي الفائق التوصيل توكاماك (EAST). ^[254] وكان أول توكاماك يستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل لتوليد كل من المجالات الحلقية والبولويدية.

في مارس 2009، أصبح ICF NIF الذي يعمل بالليزر جاهزًا للتشغيل. ^[255]

في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، دخلت شركات الاندماج المدعومة من القطاع الخاص السباق، بما في ذلك TAE Technologies ، ^{[256] و} General Fusion ، ^{[257] [258]} و Tokamak Energy . ^[259]

تسارعت وتيرة البحث الخاص والعام في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. طورت شركة جنرال فيوجن تقنية حقن البلازما واختبرت شركة تري ألفا إنيرجي جهازها C-2U. ^[260] بدأ تشغيل جهاز الليزر الفرنسي ميجاجول . حقق جهاز NIF صافي مكسب للطاقة ^[261] في عام 2013، كما هو محدد بالمعنى المحدود للغاية باعتباره النقطة الساخنة في قلب الهدف المنهار، وليس الهدف بالكامل. ^[262]

في عام 2014، باعت شركة Phoenix Nuclear Labs مولد نيوترون عالي الإنتاجية يمكنه دعم 5×10 ^{11 تفاعلات اندماج} الديوتيريوم في الثانية على مدار فترة 24 ساعة. ^[263]

في عام 2015، أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن مفاعل توكاماك أطلق عليه اسم مفاعل الاندماج ARC ، والذي يستخدم أشرطة فائقة التوصيل من أكسيد الباريوم والنحاس من العناصر الأرضية النادرة (REBCO) لإنتاج ملفات ذات مجال مغناطيسي عالي والتي ادعت أنها يمكن أن تنتج قوة مجال مغناطيسي مماثلة في تكوين أصغر من التصميمات الأخرى. ^[264]

في أكتوبر، أكمل الباحثون في معهد ماكس بلانك لفيزياء البلازما في جرايفسفالد بألمانيا بناء أكبر ستيلاراتور حتى الآن، وهو ويندلشتاين 7-إكس (W7-X). بدأ ستيلاراتور W7-X المرحلة التشغيلية 1 (OP1.1) في 10 ديسمبر 2015، وأنتج بنجاح بلازما الهيليوم. ^[265] كان الهدف هو اختبار الأنظمة الحيوية وفهم فيزياء الآلة. بحلول فبراير 2016، تم تحقيق بلازما الهيدروجين، مع درجات حرارة تصل إلى 100 مليون كلفن. استخدمت الاختبارات الأولية خمسة محددات جرافيت. بعد أكثر من 2000 نبضة وتحقيق معالم مهمة، اختتم OP1.1 في 10 مارس 2016. تبع ذلك ترقية، وهدف OP1.2 في عام 2017 إلى اختبار محول غير مبرد. بحلول يونيو 2018، تم الوصول إلى درجات حرارة قياسية. اختتمت W7-X حملاتها الأولى باختبارات المحدد والمحول الجزيري، وحققت تقدمًا ملحوظًا بحلول نهاية عام 2018. ^{[266] [267] [268]} وسرعان ما أنتجت بلازما الهيليوم والهيدروجين استمرت لمدة تصل إلى 30 دقيقة. ^[269]

في عام 2017، بدأ تشغيل آلة البلازما من الجيل الخامس لشركة هيليون إنرجي . ^[270] كما أنتجت آلة ST40 التابعة لشركة توكاماك إنرجي البريطانية "أول بلازما". ^[271] وفي العام التالي، أعلنت شركة إيني عن استثمار بقيمة 50 مليون دولار في شركة كومنولث فيوجن سيستمز ، لمحاولة تسويق تقنية ARC التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ^{[272] [273] [274] [275]}

في يناير 2021، أعلنت شركة SuperOx عن تسويق سلك فائق التوصيل جديد بقدرة تيار تزيد عن 700 أمبير/مم ² . ^[276]

أعلنت شركة TAE Technologies عن نتائج جهازها نورمان، الذي حافظ على درجة حرارة تبلغ حوالي 60 ميغا كالوري لمدة 30 ميلي ثانية، أي 8 و10 مرات أعلى على التوالي من أجهزة الشركة السابقة. ^[277]

في أكتوبر، كشفت شركة First Light Fusion ومقرها أكسفورد عن مشروعها للاندماج بالقذائف، والذي يطلق قرصًا من الألومنيوم على هدف الاندماج، مع تسريعه بنبضة كهربائية بقوة 9 ميجا أمبير، ليصل إلى سرعات 20 كيلومترًا في الثانية (12 ميلًا في الثانية). يولد الاندماج الناتج نيوترونات يتم التقاط طاقتها على شكل حرارة. ^[278]

في الثامن من نوفمبر، في محاضرة مدعوة إلى الاجتماع السنوي الثالث والستين لقسم فيزياء البلازما في الجمعية الفيزيائية الأمريكية، ^[279] زعمت منشأة الإشعال الوطنية ^[280] أنها أطلقت اشتعال الاندماج في المختبر في الثامن من أغسطس 2021، لأول مرة في تاريخ برنامج ICF الذي يزيد عن 60 عامًا. ^{[281] [282]} أنتجت الطلقة 1.3 ميجا جول من طاقة الاندماج، وهو تحسن يزيد عن 8 أضعاف عن الاختبارات التي أجريت في ربيع عام 2021. ^[280] تقدر منشأة الإشعال الوطنية أن 230 كيلو جول من الطاقة وصلت إلى كبسولة الوقود، مما أدى إلى إنتاج طاقة تعادل 6 أضعاف تقريبًا من الكبسولة. ^[280] صرح باحث من إمبريال كوليدج لندن أن غالبية المجال اتفقوا على أن الاشتعال قد تم إثباته. ^[280]

في نوفمبر 2021، أعلنت شركة Helion Energy عن تلقيها 500 مليون دولار في تمويل السلسلة E لجهاز Polaris من الجيل السابع، المصمم لإظهار إنتاج الكهرباء الصافية، مع 1.7 مليار دولار إضافية من الالتزامات المرتبطة بمعالم محددة، ^[283] بينما جمعت Commonwealth Fusion Systems 1.8 مليار دولار إضافية في تمويل السلسلة B لبناء وتشغيل مفاعل SPARC tokamak الخاص بها ، وهو أكبر استثمار فردي في أي شركة اندماج خاصة. ^[284]

في أبريل 2022، أعلنت شركة فيرست لايت أن نموذجها الأولي للاندماج بالقذائف الأسرع من الصوت قد أنتج نيوترونات متوافقة مع الاندماج. تطلق تقنيتها قذائف كهرومغناطيسيًا بسرعة 19 ماخ على حبيبات وقود مقفصة. يتم ضغط وقود الديوتيريوم بسرعة 204 ماخ، ليصل إلى مستويات ضغط تبلغ 100 تيرا باسكال. ^[285]

في 13 ديسمبر 2022، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية أن الباحثين في منشأة الإشعال الوطنية حققوا زيادة صافية في الطاقة من تفاعل الاندماج. أنتج تفاعل وقود الهيدروجين في المنشأة حوالي 3.15 ميجا جول من الطاقة بينما استهلك 2.05 ميجا جول من المدخلات. ومع ذلك، في حين أن تفاعلات الاندماج ربما أنتجت أكثر من 3 ميجا جول من الطاقة - أكثر مما تم توصيله إلى الهدف - استهلكت ليزرات NIF البالغ عددها 192 ليزرًا 322 ميجا جول من طاقة الشبكة في عملية التحويل. ^{[1] [2] [286] [287]}

في مايو 2023، قدمت وزارة الطاقة الأمريكية منحة قدرها 46 مليون دولار لثماني شركات في سبع ولايات لدعم جهود تصميم وأبحاث محطات الطاقة الاندماجية. يتماشى هذا التمويل، بموجب برنامج تطوير الاندماج القائم على الإنجازات، مع الأهداف المتمثلة في إثبات الاندماج على نطاق تجريبي في غضون عقد من الزمان وتطوير الاندماج كمصدر طاقة محايد للكربون بحلول عام 2050. تم تكليف الشركات الممنوحة بمعالجة التحديات العلمية والتقنية لإنشاء تصميمات محطات تجريبية قابلة للتطبيق للاندماج في السنوات الخمس إلى العشر القادمة. تشمل الشركات المستفيدة Commonwealth Fusion Systems وFocused Energy Inc. وPrinceton Stellarators Inc. وRealta Fusion Inc. وTokamak Energy Inc. وType One Energy Group وXcimer Energy Inc. وZap Energy Inc. ^[288]

في ديسمبر 2023، تم افتتاح أكبر مفاعل توكاماك JT-60SA وأكثرها تقدمًا في ناكا باليابان. المفاعل هو مشروع مشترك بين اليابان والاتحاد الأوروبي. حقق المفاعل أول بلازما له في أكتوبر 2023. ^[289] بعد ذلك، نجح مشروع مفاعل الاندماج في كوريا الجنوبية، مشروع أبحاث توكاماك فائقة التوصيل الكوري المتقدم ، في العمل لمدة 102 ثانية في وضع احتواء عالي (وضع H) يحتوي على درجات حرارة أيونات عالية تزيد عن 100 مليون درجة في اختبارات البلازما التي أجريت من ديسمبر 2023 إلى فبراير 2024. ^[290]

في عام 2024، أعلنت شركة Commonwealth Fusion Systems عن خطط لبناء أول محطة طاقة اندماج نووي تجارية على مستوى الشبكة في العالم في مركز جيمس ريفر الصناعي في مقاطعة تشيسترفيلد بولاية فيرجينيا ، والتي تعد جزءًا من منطقة ريتشموند الكبرى ؛ ستنتج المحطة حوالي 400 ميجاوات من الطاقة الكهربائية، وتدخل الخدمة في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين. ^{[291] [292] [293]}

تستمر سجلات الاندماج في التقدم:

السجلات

اِختِصاص	سنة	سِجِلّ	جهاز	ملحوظات
درجة حرارة البلازما	2012	1.8 × 109 ك	التركيز على الاندماج 1 [294] [295]
قوة الاندماج	1997	1.6 × 107 وات	جيت [296]
طاقة الاندماج النووي التوكاماك	2023	6.9 × 107 ج	جيت [297]
طاقة الاندماج ICF	2022	3.15 × 106 ج	نيف [286]	توصيل 2.05 ميغا جول (MJ) من طاقة الضوء إلى الهدف، مما يؤدي إلى إنتاج 3.15 ميغا جول من طاقة الاندماج من حوالي 400 ميغا جول من الطاقة الكهربائية لتشغيل الليزر.
معدل حقن ICF	2013	أكثر من 90 ألف لقطة على مدار 10 ساعات؛ أكثر من 11 مليون لقطة بقوة نبضية تبلغ 10 هرتز لمدة تزيد عن 12 يومًا؛	ليزر الكترا في مختبر الأبحاث البحرية [298] [299]
ضغط البلازما	2016	2.1 × 105 باسكال	الكاتور سي مود [300]
معيار لوسون	2013	1.53 × 1024 إلكترون فولت ثانية/متر مكعب	جيه تي-60 [301] [302]
عامل اكتساب طاقة الاندماج	2022	1.54	نيف [286]
وقت التفريغ (التكوين المعكوس للحقل)	2016	3 × 10-1 ثانية	تكوين حقل برينستون المعكوس [303]	لم يتم ملاحظة الاندماج. وقت التفريغ ليس وقت احتجاز.
زمن التفريغ (ستيلاريتور)	2019	>1 × 102 ثانية	ويندلشتاين 7-X [304] [305]
زمن التفريغ (توكاماك)	2022	>1 × 103 ثانية	الشرق [306]
زمن التفريغ × درجة الحرارة (توكاماك)	2021	1.2 × 1010 ك·س	الشرق [307]
بيتا	1998	0.4	توكاماك صغير ذو نسبة عرض إلى ارتفاع ضيقة [308]
درجة الحرارة (توكاماك كروي مضغوط)	2022	1 × 108 ك	طاقة توكاماك [309]
درجة الحرارة × الزمن (توكاماك)	2021	3 × 109 ك·س	ك ستار [310]

• كليري، دانييل (2014). قطعة من الشمس: البحث عن طاقة الاندماج. دار أوفرلوك للنشر. رقم ISBN 978-1468310412.
• كوكبيرن، ستيوارت؛ إليارد، ديفيد (1981). أوليفانت، حياة وعصر السير مارك أوليفانت . كتب أكسيوم. رقم ISBN 978-0959416404.
• دين، ستيفن أو. (2013). البحث عن مصدر الطاقة النهائي: تاريخ برنامج الطاقة الاندماجية في الولايات المتحدة. سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. رقم ISBN 978-1461460374.
• Hagelstein, Peter L .; McKubre, Michael ; Nagel, David; Chubb, Talbot; Hekman, Randall (2004). "New Physical Effects in Metal Deuterides" (PDF) . 11th Condensed Matter Nuclear Science . المجلد 11. واشنطن: وزارة الطاقة الأمريكية. ص 23-59. Bibcode :2006cmns...11...23H. CiteSeerX  10.1.1.233.5518 . doi :10.1142/9789812774354_0003. ISBN 978-9812566409. تم أرشفة النسخة الأصلية (PDF) في 2007-01-06.(مخطوطة)
• هتشينسون، أليكس (8 يناير 2006). "العام في العلوم: الفيزياء". مجلة ديسكفر (على الإنترنت) . ISSN  0274-7529 . تم الاسترجاع في 20 يونيو 2008 .
• نوتال، ويليام جيه، وكونيشي، ساتوشي، وتاكيدا، وشوتارو، وويبي وود، ديفيد (2020). تسويق طاقة الاندماج: كيف تعمل الشركات الصغيرة على تحويل العلوم الكبرى . دار نشر آي أو بي. رقم ISBN 978-0750327176 . 
• مولينا، أندريس دي بوستوس (2013). المحاكاة الحركية لنقل الأيونات في أجهزة الاندماج. دار سبرينغر للنشر الدولية. رقم ISBN 978-3319004211.
• ناجاميني، كانيتادا (2003). "الاندماج المحفز بالميون". مقدمة في علم الميون . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-0521038201.
• Pfalzner, Susanne (2006). مقدمة إلى الاندماج بالحبس القصوري . الولايات المتحدة: Taylor & Francis. ISBN 978-0750307017.

• بول، فيليب. "مطاردة طاقة الاندماج". نيتشر . تم الاسترجاع في 2021-11-22 .
• أوريسكس، نعومي ، "الوعد الكاذب للاندماج النووي: على الرغم من التقدم الأخير، فإن الاندماج النووي ليس الحل لأزمة المناخ "، مجلة ساينتفك أمريكان ، المجلد 328، العدد 6 (يونيو 2023)، ص 86.

• نظام معلومات الأجهزة المدمجة
• قاعدة الطاقة الاندماجية
• رابطة صناعة الاندماج
• أخبار أنظمة الأقمار الصناعية برينستون
• برنامج علوم الطاقة الاندماجية في الولايات المتحدة