توكاماك

في عام 1934، كان مارك أوليفانت وبول هارتيك وإرنست رذرفورد أول من حقق الاندماج النووي على الأرض، باستخدام مُسرِّع جسيمات لإطلاق نوى الديوتيريوم في رقائق معدنية تحتوي على الديوتيريوم أو ذرات أخرى. ^{[ 18 ]} وقد مكّنهم ذلك من قياس المقطع العرضي النووي لتفاعلات الاندماج المختلفة، وتحديد أن تفاعل الديوتيريوم-ديوتيريوم يحدث عند طاقة أقل من التفاعلات الأخرى، حيث يبلغ ذروته عند حوالي 100,000 إلكترون فولت (100 كيلو إلكترون فولت). ^{[ 19 ] [ أ ]}  

إن الاندماج النووي باستخدام المسرعات غير عملي لأن مساحة مقطع المفاعل صغيرة جدًا؛ فمعظم الجسيمات في المسرع ستتشتت بعيدًا عن الوقود، ولن تندمج معه. ويؤدي هذا التشتت إلى فقدان الجسيمات للطاقة إلى درجة لا تسمح لها بالاندماج. وبالتالي، تُفقد الطاقة المُدخلة إلى هذه الجسيمات، ومن السهل إثبات أن هذه الطاقة أكبر بكثير مما يمكن أن تُطلقه تفاعلات الاندماج الناتجة. ^{[ 21 ]}

للحفاظ على الاندماج النووي وإنتاج طاقة صافية، يجب رفع درجة حرارة معظم الوقود إلى مستويات عالية بحيث تتصادم ذراته باستمرار بسرعات عالية؛ وهذا ما يُفسر تسميته بالاندماج النووي الحراري نظرًا لارتفاع درجات الحرارة اللازمة لحدوثه. في عام 1944، حسب إنريكو فيرمي أن التفاعل سيكون مستدامًا ذاتيًا عند حوالي 50 مليون كلفن؛ عند هذه الدرجة، يكون معدل انبعاث الطاقة من التفاعلات مرتفعًا بما يكفي لتسخين الوقود المحيط بسرعة كافية للحفاظ على درجة الحرارة ومنع فقدانها إلى البيئة، مما يُبقي التفاعل مستمرًا. ^{[ 21 ]}

خلال مشروع مانهاتن ، تم ابتكار أول طريقة عملية للوصول إلى هذه الدرجات الحرارية باستخدام قنبلة ذرية . في عام 1944، ألقى فيرمي محاضرة حول فيزياء الاندماج النووي في سياق قنبلة هيدروجينية كانت آنذاك نظرية . مع ذلك، فقد سبق التفكير في الاندماج النووي المُتحكم به ، وحاول جيمس إل. تاك وستانيسلاف أولام تحقيق ذلك باستخدام شحنات مُشكّلة تُحرّك رقاقة معدنية مُشبعة بالديوتيريوم، لكن دون جدوى. ^{[ 22 ]}

بدأت المحاولات الأولى لبناء جهاز اندماج نووي عملي في المملكة المتحدة ، حيث اختار جورج باجيت طومسون تأثير الانضغاط كتقنية واعدة عام 1945. وبعد عدة محاولات فاشلة للحصول على التمويل، استسلم وطلب من طالبين دراسات عليا، ستانلي (ستان) دبليو. كوزينز وآلان ألفريد وير (1924-2010 ^{[ 23 ]} )، بناء جهاز من معدات رادار فائضة . وقد عمل هذا الجهاز بنجاح عام 1948، لكنه لم يُظهر أي دليل واضح على الاندماج النووي، ولم يحظَ باهتمام مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية . ^{[ 24 ]}

في عام 1950، كتب أوليغ لافرينتييف ، الذي كان آنذاك رقيبًا في الجيش السوفيتي متمركزًا في سخالين ، رسالةً إلى اللجنة المركزية للحزب الشيوعي السوفيتي . أوضحت الرسالة فكرة استخدام قنبلة ذرية لإشعال وقود الاندماج، ثم وصفت نظامًا يستخدم المجالات الكهروستاتيكية لاحتواء البلازما الساخنة في حالة مستقرة لإنتاج الطاقة. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ ب ]}

أُرسلت الرسالة إلى أندريه ساخاروف للتعليق. وأشار ساخاروف إلى أن "المؤلف يطرح مشكلة بالغة الأهمية وليست بالضرورة ميؤوسًا منها"، ووجد أن شاغله الرئيسي في هذا الترتيب هو أن البلازما ستصطدم بأسلاك الأقطاب الكهربائية، وأن "الشبكات العريضة والجزء الرقيق الحامل للتيار سيضطر إلى عكس جميع النوى الساقطة تقريبًا إلى داخل المفاعل". ^{[ 25 ]}

ويمكن ملاحظة بعض الدلائل على الأهمية التي أُعطيت لرسالة لافرينتييف في السرعة التي تمت معالجتها بها؛ فقد استلمت اللجنة المركزية الرسالة في 29 يوليو، وأرسل ساخاروف مراجعته في 18 أغسطس، وبحلول أكتوبر، كان ساخاروف وإيغور تام قد أكملا أول دراسة تفصيلية لمفاعل الاندماج، وطلبا تمويلًا لبنائه في يناير 1951. ^{[ 27 ]}

عند تسخين الذرات إلى درجات حرارة الاندماج النووي، تتفكك الإلكترونات فيها، مما ينتج عنه سائل من النوى والإلكترونات يُعرف بالبلازما . وعلى عكس الذرات المتعادلة كهربائياً، فإن البلازما موصلة للكهرباء، وبالتالي يمكن التحكم بها بواسطة المجالات الكهربائية أو المغناطيسية. ^{[ 28 ]}

دفع قلق ساخاروف بشأن الأقطاب الكهربائية إلى التفكير في استخدام الحصر المغناطيسي بدلاً من الحصر الكهروستاتيكي. في حالة المجال المغناطيسي، تدور الجسيمات حول خطوط القوة . ^{[ 28 ]} ونظرًا لحركة الجسيمات بسرعة عالية، فإن مساراتها الناتجة تبدو حلزونية. إذا تم ترتيب المجال المغناطيسي بحيث تكون خطوط القوة متوازية ومتقاربة، فقد تتصادم الجسيمات التي تدور حول الخطوط المتجاورة وتندمج. ^{[ 29 ]}

يمكن توليد هذا المجال في ملف لولبي ، وهو عبارة عن أسطوانة ملفوفة بمغناطيسات من الخارج. تُنشئ المجالات المغناطيسية المُجتمعة مجموعة من الخطوط المغناطيسية المتوازية تمتد على طول الأسطوانة. يمنع هذا الترتيب الجسيمات من التحرك جانبيًا باتجاه جدار الأسطوانة، ولكنه لا يمنعها من الخروج من نهايتها. الحل الواضح لهذه المشكلة هو ثني الأسطوانة على شكل حلقة دائرية، بحيث تُشكّل الخطوط سلسلة من الحلقات المتصلة. في هذا الترتيب، تدور الجسيمات بلا نهاية. ^{[ 29 ]}

ناقش ساخاروف الفكرة مع إيغور تام ، وبحلول نهاية أكتوبر 1950، كان الاثنان قد كتبا مقترحًا وأرسلاه إلى إيغور كورتشاتوف ، مدير مشروع القنبلة الذرية في الاتحاد السوفيتي، ونائبه إيغور غولوفين . ^{[ 29 ]} إلا أن هذا المقترح الأولي تجاهل مشكلة جوهرية؛ فعند ترتيب المغناطيسات الخارجية على طول ملف لولبي مستقيم، تكون متباعدة بانتظام، ولكن عند ثنيها على شكل حلقة، تكون أقرب إلى بعضها البعض داخل الحلقة منها خارجها. وهذا يؤدي إلى قوى غير متساوية تتسبب في ابتعاد الجسيمات عن خطوطها المغناطيسية. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

خلال زياراته لمختبر أدوات القياس التابع لأكاديمية العلوم السوفيتية (LIPAN)، مركز الأبحاث النووية السوفيتي ، اقترح ساخاروف حلين محتملين لهذه المشكلة. يتمثل أحدهما في تعليق حلقة موصلة للتيار في مركز الحلقة. سيولد التيار في الحلقة مجالًا مغناطيسيًا يختلط مع المجال الناتج عن المغناطيسات الخارجية. سيلتوي المجال الناتج على شكل حلزوني، بحيث يجد أي جسيم نفسه بشكل متكرر على السطح الخارجي، ثم داخل الحلقة. تكون الانجرافات الناتجة عن المجالات غير المتساوية في اتجاهين متعاكسين على السطحين الداخلي والخارجي، لذا خلال دورات متعددة حول المحور الطولي للحلقة ، ستلغي الانجرافات المتعاكسة بعضها بعضًا. كبديل، اقترح استخدام مغناطيس خارجي لحث تيار في البلازما نفسها، بدلًا من حلقة معدنية منفصلة، ​​وهو ما سيؤدي إلى نفس النتيجة. ^{[ 30 ]}

في يناير 1951، رتب كورتشاتوف اجتماعًا في ليبان لمناقشة أفكار ساخاروف. لاقت هذه الأفكار اهتمامًا ودعمًا واسعين، وفي فبراير، أُحيل تقريرٌ حول الموضوع إلى لافرينتي بيريا ، الذي كان يشرف على الجهود الذرية في الاتحاد السوفيتي. لفترة من الزمن، لم يُسمع أي رد. ^{[ 30 ]}

في 25 مارس 1951، أعلن الرئيس الأرجنتيني خوان بيرون أن العالم الألماني السابق، رونالد ريختر ، قد نجح في إنتاج الاندماج النووي على نطاق المختبر ضمن ما يُعرف الآن بمشروع هيمول . وقد أثار هذا الإعلان حماس العلماء في جميع أنحاء العالم، لكنهم سرعان ما استنتجوا عدم صحته؛ إذ أظهرت حسابات بسيطة أن جهازه التجريبي لا يستطيع إنتاج طاقة كافية لتسخين وقود الاندماج إلى درجات الحرارة المطلوبة. ^{[ 32 ]}

على الرغم من رفض الباحثين النوويين لها، إلا أن التغطية الإعلامية الواسعة النطاق جعلت السياسيين فجأةً على دراية بأبحاث الاندماج النووي ومتقبلين لها. في المملكة المتحدة، مُنح تومسون فجأةً تمويلًا كبيرًا. وخلال الأشهر التالية، بدأ مشروعان يعتمدان على نظام الضغط. ^{[ 33 ]} في الولايات المتحدة، قرأ ليمان سبيتزر قصة هيمول، وأدرك أنها غير صحيحة، وشرع في تصميم آلة تعمل. ^{[ 34 ]} في مايو 1951، مُنح 50,000 دولار لبدء البحث في مفهومه عن جهاز ستيلاراتور . ^{[ 35 ]} عاد جيم تاك إلى المملكة المتحدة لفترة وجيزة وشاهد آلات الضغط التي صممها تومسون. وعندما عاد إلى لوس ألاموس، تلقى أيضًا 50,000 دولار مباشرةً من ميزانية لوس ألاموس. ^{[ 36 ]}

وقعت أحداث مماثلة في الاتحاد السوفيتي . ففي منتصف أبريل/نيسان 1951، اقتحم ديمتري إفريموف، من معهد البحوث العلمية للأجهزة الكهروفيزيائية، مكتب كورتشاتوف حاملاً مجلةً تتضمن قصةً عن عمل ريختر، مطالباً بمعرفة سبب تعرضهم للضرب على يد الأرجنتينيين. وعلى الفور، تواصل كورتشاتوف مع بيريا مقترحاً إنشاء مختبر أبحاث اندماج نووي مستقل، وتعيين ليف أرتسيموفيتش مديراً له. وبعد أيام قليلة، في 5 مايو/أيار 1951، وقّع جوزيف ستالين على المقترح . ^{[ 30 ]}

بحلول أكتوبر 1951، كان ساخاروف وتام قد أنجزا دراسة أكثر تفصيلًا لاقتراحهما الأصلي، والذي دعا إلى تصميم بنصف قطر رئيسي (للحلقة ككل) يبلغ 12 مترًا (39 قدمًا) ونصف قطر ثانوي (داخل الأسطوانة) يبلغ مترين (6 أقدام و7 بوصات) . واقترح الاقتراح أن النظام قادر على إنتاج 100 غرام (3.5 أونصة) من التريتيوم يوميًا، أو توليد 10 كيلوغرامات (22 رطلًا) من اليورانيوم-233 يوميًا. ^{[ 30 ]}     

مع تطور الفكرة، تبيّن أن التيار في البلازما قادر على توليد مجال قوي بما يكفي لحصر البلازما أيضًا، مما يُغني عن الحاجة إلى الملفات الخارجية. ^{[ 37 ]} عند هذه النقطة، كان الباحثون السوفييت قد أعادوا ابتكار نظام الضغط الذي كان قيد التطوير في المملكة المتحدة، ^{[ 22 ]} على الرغم من أنهم انطلقوا من نقطة بداية مختلفة تمامًا.

بعد طرح فكرة استخدام تأثير الانضغاط للحصر، ظهر حل أبسط بكثير. فبدلاً من استخدام حلقة كبيرة، يمكن ببساطة تمرير التيار في أنبوب خطي، مما يؤدي إلى انهيار البلازما داخله وتحولها إلى خيط. كان لهذا الحل ميزة كبيرة؛ إذ أن التيار في البلازما يسخنها عبر التسخين المقاوم العادي ، لكن هذا لا يسخنها إلى درجات حرارة الاندماج. مع ذلك، ومع انهيار البلازما، تؤدي العملية الأديباتية إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل كبير، وهو ما يكفي لتحقيق الاندماج. بعد هذا التطور، لم يستمر في دراسة الترتيب الحلقي الأكثر ثباتًا سوى غولوفين وناتان يافلينسكي . ^{[ 37 ]}

في 4 يوليو 1952، قاس فريق نيكولاي فيليبوف النيوترونات المنبعثة من جهاز ضغط خطي. طالب ليف أرتسيموفيتش بإجراء فحص شامل قبل استنتاج حدوث اندماج نووي، وخلال هذه الفحوصات، اكتشفوا أن النيوترونات لم تكن ناتجة عن اندماج نووي على الإطلاق. ^{[ 37 ]} وقد صادف باحثون في المملكة المتحدة والولايات المتحدة نفس الترتيب الخطي، وأظهرت أجهزتهم السلوك نفسه. إلا أن السرية التامة المحيطة بهذا النوع من الأبحاث حالت دون علم أي من الفرق البحثية بأن فرقًا أخرى تعمل على نفس الموضوع، ناهيك عن مواجهة المشكلة نفسها. ^{[ 38 ]}

بعد دراسات مستفيضة، تبيّن أن بعض النيوترونات المنبعثة ناتجة عن عدم استقرار في البلازما. وُجد نوعان شائعان من عدم الاستقرار: النوع الأول هو " السجق" الذي يُلاحظ بشكل أساسي في الأجهزة الخطية، والنوع الثاني هو " الانحناء " الذي يشيع في الأجهزة الحلقية. ^{[ 38 ]} بدأت فرق بحثية في البلدان الثلاثة بدراسة تكوين هذه الاضطرابات وسبل معالجتها. ^{[ 39 ]} وقدّم كلٌّ من مارتن ديفيد كروسكال ومارتن شوارتزشيلد في الولايات المتحدة، وشافرانوف في الاتحاد السوفيتي، إسهاماتٍ قيّمة في هذا المجال. ^{[ 40 ]}

إحدى الأفكار التي انبثقت من هذه الدراسات عُرفت باسم "الانضغاط المُستقر". أضاف هذا المفهوم ملفات إضافية إلى السطح الخارجي للحجرة، مما أدى إلى توليد مجال مغناطيسي في البلازما قبل حدوث تفريغ الانضغاط. في معظم المفاهيم، كان المجال المُستحث خارجيًا ضعيفًا نسبيًا، ولأن البلازما مادة مغناطيسية معاكسة ، فإنه لم يخترق سوى المناطق الخارجية منها. ^{[ 38 ]} عندما حدث تفريغ الانضغاط وانكمشت البلازما بسرعة، تجمد هذا المجال في الخيط الناتج، مما أدى إلى توليد مجال قوي في طبقاته الخارجية. في الولايات المتحدة، عُرف هذا باسم "إعطاء البلازما هيكلًا أساسيًا". ^{[ 41 ]}

أعاد ساخاروف النظر في مفاهيمه الأصلية المتعلقة بالحلقات، وتوصل إلى استنتاج مختلف قليلاً حول كيفية تثبيت البلازما. سيكون التصميم مماثلاً لمفهوم الانضغاط المستقر، ولكن دور المجالين سينعكس. فبدلاً من أن توفر المجالات المغناطيسية الخارجية الضعيفة التثبيت، وتيار الانضغاط القوي المسؤول عن الحصر، سيكون المجال الخارجي في التصميم الجديد أقوى بكثير لتوفير الجزء الأكبر من الحصر، بينما سيكون التيار أصغر بكثير ومسؤولاً عن تأثير التثبيت. ^{[ 37 ]}

في عام ١٩٥٥، ومع استمرار عدم استقرار الطرق الخطية، تم بناء أول جهاز حلقي في الاتحاد السوفيتي. كان جهاز TMP آلة ضغط كلاسيكية، مشابهة لنماذج المملكة المتحدة والولايات المتحدة في نفس الحقبة. صُنعت حجرة التفريغ من السيراميك، وأظهرت أطياف التفريغ وجود السيليكا، مما يعني أن البلازما لم تكن محصورة تمامًا بواسطة المجال المغناطيسي، بل كانت تصطدم بجدران الحجرة. ^{[ ٣٧ ]} تبع ذلك جهازان أصغر حجمًا، يستخدمان أغلفة نحاسية. ^{[ ٤٢ ]} كان الهدف من الأغلفة الموصلة هو المساعدة في استقرار البلازما، لكنها لم تكن ناجحة تمامًا في أي من الأجهزة التي جُرِّبت فيها. ^{[ ٤٣ ]}

مع توقف التقدم ظاهريًا، دعا كورتشاتوف في عام 1955 إلى مؤتمر على مستوى الاتحاد السوفيتي للباحثين، بهدف نهائي هو فتح آفاق أبحاث الاندماج النووي داخل الاتحاد السوفيتي. ^{[ 44 ]} وفي أبريل 1956، سافر كورتشاتوف إلى المملكة المتحدة ضمن زيارة حظيت بتغطية إعلامية واسعة من قبل نيكيتا خروتشوف ونيكولاي بولغانين . وعرض إلقاء محاضرة في مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية، في قاعدة هارويل التابعة لسلاح الجو الملكي البريطاني سابقًا ، حيث فاجأ المضيفين بتقديمه عرضًا تاريخيًا مفصلًا لجهود الاندماج النووي السوفيتية. ^{[ 45 ]} وتطرق بشكل خاص إلى النيوترونات التي شوهدت في الأجهزة المبكرة، محذرًا من أن وجود النيوترونات لا يعني بالضرورة حدوث اندماج نووي. ^{[ 46 ]}

دون علم كورتشاتوف، كان يجري بناء جهاز الاندماج النووي البريطاني "زيتا" المُثبَّت في الطرف البعيد من المدرج السابق. كان "زيتا" آنذاك أكبر وأقوى جهاز اندماج نووي على الإطلاق. وبفضل التجارب التي أُجريت على تصاميم سابقة عُدِّلت لتشمل التثبيت، كان الهدف من "زيتا" إنتاج مستويات منخفضة من تفاعلات الاندماج. وقد حقق هذا نجاحًا باهرًا على ما يبدو، وفي يناير 1958، أُعلن عن تحقيق الاندماج النووي في "زيتا" استنادًا إلى انبعاث النيوترونات وقياسات درجة حرارة البلازما. ^{[ 47 ]}

قام فيتالي شافرانوف وستانيسلاف براغينسكي بدراسة التقارير الإخبارية وحاولا فهم آلية عملها. أحد الاحتمالات التي درسوها هو استخدام مجالات ضعيفة "مُجمدة"، لكنهم رفضوا هذا الاحتمال لاعتقادهم أن هذه المجالات لن تدوم لفترة كافية. ثم خلصوا إلى أن جهاز زيتا مطابقٌ أساسًا للأجهزة التي كانوا يدرسونها، مع وجود مجالات خارجية قوية. ^{[ 45 ]}

في ذلك الوقت، قرر الباحثون السوفييت بناء آلة حلقية أكبر حجماً وفقاً للخطوط التي اقترحها ساخاروف. وعلى وجه الخصوص، أخذ تصميمهم في الاعتبار نقطة مهمة وردت في أعمال كروسكال وشافرانوف؛ وهي أنه إذا جعل المسار الحلزوني للجسيمات تدور حول محيط البلازما بسرعة أكبر من دورانها حول المحور الطولي للحلقة، فسيتم كبح عدم استقرار الانحناء بشكل كبير. ^{[ 39 ]}

(للتوضيح، ينتج عن مرور تيار كهربائي في ملفات ملفوفة حول الحلقة مجال مغناطيسي حلقي داخل الحلقة؛ ويحفز مجال مغناطيسي نابض يمر عبر الفتحة الموجودة في الحلقة تيارًا محوريًا في الحلقة التي يحيط بها مجال مغناطيسي قطبي؛ وقد توجد أيضًا حلقات من التيار أعلى الحلقة وأسفلها تُنشئ مجالًا مغناطيسيًا قطبيًا إضافيًا. وتشكل المجالات المغناطيسية مجتمعة بنية مغناطيسية حلزونية داخل الحلقة.)

يُعرف هذا المفهوم الأساسي اليوم باسم عامل الأمان . يُرمز إلى نسبة عدد مرات دوران الجسيم حول المحور الرئيسي مقارنةً بعدد مرات دورانه حول المحور الثانوي بالرمز q ، وتنص قاعدة كروسكال-شافرانوف على أن الانحناء سيُقمع طالما أن q > 1. ويتحكم في هذا المسار القوة النسبية للمجال المغناطيسي المُستحث خارجيًا مقارنةً بالمجال الناتج عن التيار الداخلي. وللحصول على q > 1، يجب أن تكون المغناطيسات الخارجية أقوى بكثير، أو بدلاً من ذلك، يجب تقليل التيار الداخلي. ^{[ 39 ]}

وبناءً على هذا المعيار، بدأ تصميم مفاعل جديد، T-1، والذي يُعرف اليوم بأنه أول توكاماك حقيقي. ^{[ 42 ]} استخدم T-1 مجالات مغناطيسية خارجية أقوى وتيارًا أقل مقارنةً بآلات الضغط المستقرة مثل زيتا. وقد أدى نجاح T-1 إلى الاعتراف به كأول توكاماك عامل. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]} ونظرًا لعمله على "التفريغات النبضية القوية في الغاز، للحصول على درجات حرارة عالية غير عادية لازمة للعمليات النووية الحرارية"، مُنح يافلينسكي جائزة لينين وجائزة ستالين عام 1958. وكان يافلينسكي يُعدّ بالفعل تصميم نموذج أكبر، بُني لاحقًا باسم T-3. ومع الإعلان عن نجاح زيتا الظاهر، لاقى مفهوم يافلينسكي استحسانًا كبيرًا. ^{[ 45 ] [ 52 ]}

نُشرت تفاصيل مشروع زيتا في سلسلة مقالات بمجلة نيتشر في أواخر يناير. ولدهشة شافرانوف، استخدم النظام مفهوم المجال "المُجمّد". ^{[ 45 ]} ظلّ متشككًا، لكن فريقًا في معهد يوف في سانت بطرسبرغ بدأ التخطيط لبناء جهاز مماثل يُعرف باسم ألفا. بعد بضعة أشهر فقط، في مايو، أصدر فريق زيتا بيانًا يفيد بأنهم لم يحققوا الاندماج النووي، وأنهم تعرضوا للتضليل بسبب قياسات خاطئة لدرجة حرارة البلازما. ^{[ 53 ]}

بدأ تشغيل جهاز T-1 في نهاية عام 1958. ^{[ 54 ] [ ج ]} وقد أظهر الجهاز خسائر طاقة عالية جدًا عبر الإشعاع. وعُزي ذلك إلى وجود شوائب في البلازما نتيجةً لنظام التفريغ الذي تسبب في انبعاث غازات من مواد الحاوية. ولاستكشاف حلول لهذه المشكلة، تم بناء جهاز صغير آخر، هو T-2. استخدم هذا الجهاز بطانة داخلية من معدن مموج تم خبزها عند درجة حرارة 550 درجة مئوية (1022 درجة فهرنهايت) لتبخير الغازات المحتبسة. ^{[ 54 ]}  

في إطار الاجتماع الثاني لمبادرة "الذرة من أجل السلام" في جنيف في سبتمبر 1958، نشر الوفد السوفيتي العديد من الأوراق البحثية التي تغطي أبحاثهم في مجال الاندماج النووي. ومن بينها مجموعة من النتائج الأولية المتعلقة بآلاتهم الحلقية، والتي لم تُظهر في ذلك الوقت أي شيء يُذكر. ^{[ 55 ]}

كان "نجم" العرض نموذجًا ضخمًا لجهاز ستيلاراتور سبيتزر، والذي لفت انتباه السوفييت على الفور. وعلى عكس تصاميمهم، أنتج جهاز ستيلاراتور المسارات الملتوية المطلوبة في البلازما دون تمرير تيار كهربائي، وذلك باستخدام سلسلة من الملفات الخارجية (التي تُنتج مجالات مغناطيسية داخلية) والتي يمكنها العمل في حالة مستقرة بدلًا من نبضات نظام الحث التي تُنتج التيار المحوري. بدأ كورتشاتوف يطلب من يافلينسكي تغيير تصميمهم لجهاز T-3 إلى ستيلاراتور، لكنهم أقنعوه بأن التيار يُوفر دورًا ثانيًا مفيدًا في التسخين، وهو أمر كان يفتقر إليه جهاز ستيلاراتور. ^{[ 55 ]}

في وقت عرض الجهاز، كان جهاز ستيلاراتور يعاني من سلسلة طويلة من المشاكل الطفيفة التي كانت قيد الحل. وكشف حل هذه المشاكل أن معدل انتشار البلازما كان أسرع بكثير مما تنبأت به النظرية. وقد لوحظت مشاكل مماثلة في جميع التصاميم المعاصرة، لأسباب مختلفة. فقد أظهر جهاز ستيلاراتور، ومفاهيم الضغط المختلفة، وأجهزة المرآة المغناطيسية في كل من الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي، مشاكل حدّت من مدة احتجاز البلازما. ^{[ 54 ]}

منذ الدراسات الأولى للاندماج النووي المُتحكم به، برزت مشكلة كامنة. خلال مشروع مانهاتن، كان ديفيد بوم جزءًا من الفريق العامل على الفصل النظائري لليورانيوم . وفي فترة ما بعد الحرب، واصل العمل على البلازما في المجالات المغناطيسية. وفقًا للنظرية الأساسية، يُتوقع أن تنتشر البلازما عبر خطوط المجال بمعدل يتناسب عكسيًا مع مربع شدة المجال، ما يعني أن الزيادات الطفيفة في القوة ستُحسّن الحصر بشكل كبير. ولكن بناءً على تجاربهم، طوّر بوم صيغة تجريبية، تُعرف الآن باسم انتشار بوم ، تُشير إلى أن المعدل يتناسب خطيًا مع القوة المغناطيسية، وليس مربعها. ^{[ 56 ]}

لو كانت معادلة بوم صحيحة، لما كان هناك أمل في بناء مفاعل اندماج يعتمد على الحصر المغناطيسي. فلحصر البلازما عند درجات الحرارة اللازمة للاندماج، كان لا بد أن يكون المجال المغناطيسي أكبر بكثير من أي مغناطيس معروف. وقد عزا سبيتزر الفرق بين معدلات انتشار بوم والمعدلات الكلاسيكية إلى اضطراب البلازما، ^{[ 57 ]} واعتقد أن المجالات المستقرة في جهاز ستيلاراتور لن تعاني من هذه المشكلة. إلا أن تجارب مختلفة أجريت في ذلك الوقت أشارت إلى أن معدل بوم لا ينطبق، وأن المعادلة الكلاسيكية هي الصحيحة. ^{[ 56 ]}

لكن بحلول أوائل الستينيات، ومع تسرب البلازما بمعدل هائل من جميع التصاميم المختلفة، خلص سبيتزر نفسه إلى أن مقياس بوم هو خاصية متأصلة في البلازما، وأن الحصر المغناطيسي لن ينجح. ^{[ 54 ]} ودخل المجال بأكمله فيما عُرف بـ"فترة الركود"، ^{[ 58 ]} وهي فترة من التشاؤم الشديد. ^{[ 37 ]}

على النقيض من التصاميم الأخرى، بدت أجهزة التوكاماك التجريبية متقدمة بشكل جيد، لدرجة أن مشكلة نظرية بسيطة أصبحت مصدر قلق حقيقي. ففي وجود الجاذبية، يوجد تدرج ضغط طفيف في البلازما، كان ضئيلاً لدرجة يمكن تجاهله سابقًا، ولكنه أصبح الآن أمرًا لا بد من معالجته. وقد أدى ذلك إلى إضافة مجموعة أخرى من الملفات في عام 1962، والتي أنتجت مجالًا مغناطيسيًا رأسيًا يعادل هذه التأثيرات. وقد حققت هذه الملفات نجاحًا، وبحلول منتصف الستينيات، بدأت الأجهزة تُظهر علامات على أنها تتجاوز حد بوم . ^{[ 59 ]}

في المؤتمر الدولي الثاني للوكالة الدولية للطاقة الذرية حول الاندماج النووي، الذي عُقد عام 1965 في مركز كولهام لطاقة الاندماج النووي الذي افتُتح حديثًا في المملكة المتحدة ، أفاد أرتسيموفيتش بأن أنظمتهم تتجاوز حد بوم بعشرة أضعاف. وأشار سبيتزر، بعد مراجعته للعروض التقديمية، إلى أن حد بوم قد لا يزال ساريًا؛ إذ كانت النتائج ضمن نطاق الخطأ التجريبي للنتائج التي لوحظت في أجهزة ستيلاراتور، وأن قياسات درجة الحرارة، القائمة على المجالات المغناطيسية، لم تكن موثوقة. ^{[ 59 ]}

عُقد الاجتماع الدولي الرئيسي التالي حول الاندماج النووي في أغسطس 1968 في نوفوسيبيرسك . وبحلول ذلك الوقت، كان قد تم الانتهاء من تصميمين إضافيين لمفاعل توكاماك، وهما TM-2 في عام 1965، وT-4 في عام 1968. واستمرت نتائج T-3 في التحسن، وجاءت نتائج مماثلة من الاختبارات المبكرة للمفاعلات الجديدة. وفي الاجتماع، أعلن الوفد السوفيتي أن T-3 ينتج درجات حرارة إلكترونية تبلغ 1000  إلكترون فولت (ما يعادل 10 ملايين درجة مئوية)، وأن زمن الحصر يبلغ 50 ضعف حد بوم على الأقل. ^{[ 60 ]}

These results were at least 10 times that of any other machine. If correct, they represented an enormous leap for the fusion community. Spitzer remained skeptical, noting that the temperature measurements were still based on the indirect calculations from the magnetic properties of the plasma. Many concluded they were due to an effect known as runaway electrons, and that the Soviets were measuring only those extremely energetic electrons and not the bulk temperature. The Soviets countered with several arguments suggesting the temperature they were measuring was Maxwellian, and the debate raged.^[61]

بدأت التجارب على جهاز توكاماك المتناظر في مايو 1970، وبحلول أوائل العام التالي، أكدت النتائج السوفيتية ثم تفوقت عليها. تم التخلي عن جهاز ستيلاراتور، ووجه مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) خبرته الواسعة نحو مشكلة تسخين البلازما. بدا مفهومان واعدين. اقترح مختبر برينستون لفيزياء البلازما استخدام الضغط المغناطيسي، وهي تقنية تشبه القرص لضغط البلازما الدافئة لرفع درجة حرارتها، ولكن يتم توفير هذا الضغط من خلال المغناطيس بدلاً من التيار الكهربائي. ^{[ 77 ]} اقترح مختبر أوك ريدج حقن الحزمة المحايدة ، وهي مسرعات جسيمات صغيرة تقوم بإطلاق ذرات الوقود عبر المجال المغناطيسي المحيط حيث تصطدم بالبلازما وتسخنها. ^{[ 78 ]}

بدأ تشغيل ضاغط الطورويد الأديباتي (ATC) التابع لمختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL ) في مايو 1972، وتلاه بعد فترة وجيزة جهاز أورماك المجهز بحزمة محايدة. وقد أظهر كلا الجهازين مشاكل كبيرة، لكن مختبر برينستون لفيزياء البلازما تفوق على مختبر أوك ريدج بتزويد ضاغط الطورويد الأديباتي بحاقنات شعاعية، وقدم دليلاً واضحاً على نجاح التسخين في عام 1973. وقد تفوق هذا النجاح على مختبر أوك ريدج، الذي فقد حظوته لدى اللجنة التوجيهية في واشنطن. ^{[ 79 ]}

في ذلك الوقت، كان تصميمٌ أكبر بكثير يعتمد على التسخين بالشعاع قيد الإنشاء، وهو مفاعل برينستون الحلقي الكبير (PLT). صُمم PLT خصيصًا "لإعطاء مؤشر واضح حول ما إذا كان مفهوم التوكاماك بالإضافة إلى التسخين المساعد يُمكن أن يُشكل أساسًا لمفاعل اندماج نووي مستقبلي". ^{[ 80 ]} حقق PLT نجاحًا باهرًا، حيث رفع درجة حرارته الداخلية باستمرار حتى وصلت إلى 60 مليون درجة مئوية (8000  إلكترون فولت، أي ثمانية أضعاف الرقم القياسي لمفاعل T-3) في عام 1978. تُعد هذه نقطة محورية في تطوير التوكاماك؛ إذ تُصبح تفاعلات الاندماج النووي مُستدامة ذاتيًا عند درجات حرارة تتراوح بين 50 و100 مليون درجة مئوية، وقد أثبت PLT أن هذا الأمر قابل للتحقيق تقنيًا. ^{[ 80 ]}

وضعت هذه التجارب، ولا سيما تجربة PLT، الولايات المتحدة في طليعة أبحاث التوكاماك. ويعود ذلك في معظمه إلى الميزانية؛ إذ بلغت تكلفة التوكاماك حوالي 500 ألف دولار، بينما كانت ميزانية الاندماج النووي السنوية للولايات المتحدة آنذاك حوالي 25 مليون دولار. ^{[ 60 ]} وقد مكّنهم ذلك من استكشاف جميع طرق التسخين الواعدة، ليكتشفوا في نهاية المطاف أن الحزم المحايدة من بين أكثرها فعالية. ^{[ 81 ]}

خلال هذه الفترة، تولى روبرت هيرش إدارة تطوير الاندماج النووي في هيئة الطاقة الذرية الأمريكية . شعر هيرش أن البرنامج لا يمكن استدامته بمستويات التمويل الحالية دون تحقيق نتائج ملموسة، فبدأ بإعادة صياغة البرنامج بالكامل. ما كان في السابق جهدًا مختبريًا يركز في معظمه على الاستكشاف العلمي، أصبح الآن جهدًا تقوده واشنطن لبناء مفاعل عامل لإنتاج الطاقة. ^{[ 81 ]} وقد تلقى هذا الجهد دفعة قوية من أزمة النفط عام 1973 ، التي أدت إلى زيادة كبيرة في الأبحاث المتعلقة بأنظمة الطاقة البديلة . ^{[ 82 ]}

بحلول أواخر سبعينيات القرن العشرين، كانت أجهزة التوكاماك قد استوفت جميع الشروط اللازمة لمفاعل اندماج عملي؛ ففي عام 1978، أثبت جهاز PLT درجات حرارة الاشتعال، وفي العام التالي، استخدم المفاعل السوفيتي T-7 بنجاح المغناطيسات فائقة التوصيل لأول مرة، ^{[ 83 ]} وأثبت جهاز Doublet نجاحه، مما أدى إلى اعتماد جميع التصاميم اللاحقة تقريبًا لنهج "البلازما المُشكَّلة". وبدا أن كل ما هو مطلوب لبناء مفاعل لإنتاج الطاقة هو دمج جميع مفاهيم التصميم هذه في جهاز واحد، قادر على العمل باستخدام التريتيوم المشع في مزيج الوقود الخاص به. ^{[ 84 ]}

خلال سبعينيات القرن العشرين، مُوِّلت أربعة مشاريع رئيسية من الجيل الثاني للمفاعلات النووية على مستوى العالم. واصل السوفييت تطويرهم للمفاعل T-15، ^{[ 83 ]} بينما كان جهد أوروبي شامل يُطوِّر المفاعل الأوروبي المشترك الحلقي (JET)، وبدأت اليابان مشروع JT-60 (المعروف أصلاً باسم "مرفق اختبار البلازما المكافئ"). في الولايات المتحدة، بدأ هيرش بوضع خطط لتصميم مماثل، متجاوزًا مقترحات تصميم آخر تمهيدي، ومتجهًا مباشرةً إلى تصميم يعمل بالتريتيوم. وقد ظهر هذا التصميم باسم مفاعل اختبار الاندماج النووي توكاماك (TFTR)، الذي يُدار مباشرةً من واشنطن دون ربطه بأي مختبر محدد. ^{[ 84 ]} في البداية، كان هيرش يُفضِّل مختبر أوك ريدج لاستضافة المشروع، لكنه نقله إلى مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) بعد أن أقنعه آخرون بأنهم سيبذلون قصارى جهدهم فيه لأنهم الأكثر عرضة للخسارة. ^{[ 85 ]}

كان الحماس واسع الانتشار لدرجة أن العديد من المشاريع التجارية لإنتاج أجهزة توكاماك تجارية بدأت في ذلك الوقت تقريبًا. ومن أبرز هذه المشاريع، في عام 1978، التقى بوب غوتشيوني ، ناشر مجلة بنتهاوس ، بروبرت بوسارد ، وأصبح أكبر مستثمر خاص في العالم وأكثرهم التزامًا بتقنية الاندماج النووي، حيث استثمر في نهاية المطاف 20 مليون دولار من ماله الخاص في جهاز توكاماك المدمج الذي صممه بوسارد. وبفضل تمويل بنك ريغز، عُرف هذا المشروع باسم ريغاترون . ^{[ 86 ]}

فاز مفاعل TFTR بسباق البناء وبدأ تشغيله عام 1982، تبعه مفاعل JET عام 1983، ثم مفاعل JT-60 عام 1985. وسرعان ما تصدّر JET التجارب الحاسمة، إذ انتقل من استخدام غازات الاختبار إلى الديوتيريوم و"الطلقات" ذات القدرة المتزايدة. لكن سرعان ما اتضح أن أياً من الأنظمة الجديدة لم يكن يعمل كما هو متوقع. فقد ظهرت مجموعة من حالات عدم الاستقرار الجديدة، إلى جانب عدد من المشاكل العملية التي استمرت في التأثير على أدائها. علاوة على ذلك، كانت "انحرافات" البلازما الخطيرة التي تصطدم بجدران المفاعل واضحة في كل من TFTR وJET. وحتى عند العمل بكفاءة تامة، ظل احتواء البلازما عند درجات حرارة الاندماج، أو ما يُسمى " ناتج الاندماج الثلاثي "، أقل بكثير مما هو مطلوب لتصميم مفاعل عملي.

خلال منتصف ثمانينيات القرن العشرين، اتضحت أسباب العديد من هذه المشاكل، وطُرحت حلولٌ متنوعة. إلا أن هذه الحلول كانت ستزيد بشكلٍ كبير من حجم وتعقيد الأجهزة. وكان من شأن أي تصميم لاحق يتضمن هذه التغييرات أن يكون ضخمًا للغاية وأكثر تكلفة بكثير من كلٍ من جهازي JET وTFTR. وهكذا خيّم جوٌ جديد من التشاؤم على مجال الاندماج النووي.

في الوقت الذي كانت فيه هذه التجارب تُظهر مشاكل، اختفى جزء كبير من الدافع وراء التمويل الضخم للولايات المتحدة؛ ففي عام 1986 أعلن رونالد ريغان أن أزمة الطاقة في السبعينيات قد انتهت، ^{[ 89 ]} وتم تخفيض التمويل المخصص لمصادر الطاقة المتقدمة في أوائل الثمانينيات.

كان البعض يعتقد أن تصميم مفاعل دولي قيد التنفيذ منذ يونيو 1973 تحت اسم INTOR، اختصارًا لـ INternational TOkamak Reactor. وقد بدأ هذا المشروع في الأصل من خلال اتفاقية بين ريتشارد نيكسون وليونيد بريجنيف ، لكنه كان يسير ببطء منذ أول اجتماع فعلي له في 23 نوفمبر 1978. ^{[ 90 ]}

خلال قمة جنيف في نوفمبر 1985، أثار ريغان القضية مع ميخائيل غورباتشوف واقترح إصلاح المنظمة. "... أكد الزعيمان على الأهمية المحتملة للعمل الهادف إلى استخدام الاندماج النووي الحراري المتحكم به للأغراض السلمية، وفي هذا الصدد، دعوا إلى أوسع نطاق ممكن من تطوير التعاون الدولي في الحصول على هذا المصدر من الطاقة، الذي لا ينضب أساسًا، لصالح البشرية جمعاء." ^{[ 91 ]}

في العام التالي، تم توقيع اتفاقية بين الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي والاتحاد الأوروبي واليابان، لإنشاء المنظمة الدولية للمفاعلات التجريبية الحرارية النووية . ^{[ 92 ] [ 93 ]}

بدأ العمل على التصميم في عام 1988، ومنذ ذلك الحين أصبح مفاعل ITER هو الجهد التصميمي الرئيسي لمفاعل توكاماك على مستوى العالم.

تتيح المغناطيسات ذات المجال الأقوى كسبًا عاليًا للطاقة في جهاز توكاماك أصغر بكثير؛ وكانت مفاهيم مثل FIRE وIGNITOR وجهاز التوكاماك المدمج للإشعال (CIT) من المقترحات المبكرة.

أتاح التوافر التجاري للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (HTS) في العقد الثاني من الألفية الثانية مسارًا واعدًا لبناء مغانط ذات مجال مغناطيسي أعلى، وهي المغانط اللازمة لتحقيق مستويات مماثلة لكسب الطاقة في مفاعل ITER، وذلك في جهاز صغير الحجم. وللاستفادة من هذه التقنية الجديدة، نجح مركز علوم البلازما والاندماج التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (PSFC) وشركة Commonwealth Fusion Systems (CFS) المنبثقة عن المعهد، في بناء واختبار ملف نموذج المجال الحلقي (TFMC) في عام 2021، لإثبات الحاجة إلى مجال مغناطيسي بقوة 20 تسلا لبناء مفاعل SPARC ، وهو جهاز مصمم لتحقيق كسب اندماج مماثل لمفاعل ITER، ولكن بحجم بلازما لا يتجاوز 1/40 من حجم بلازما ITER.

تخطط شركة توكاماك إنرجي البريطانية الناشئة لبناء توكاماك كروي لتوليد الطاقة الصافية باستخدام مغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية.

حقق مفاعل JT-60SA المشترك بين الاتحاد الأوروبي واليابان أول إنتاج للبلازما في 23 أكتوبر 2023، بعد تأخير دام عامين بسبب ماس كهربائي. ^{[ 94 ] [ 95 ]}

تكون الأيونات الموجبة الشحنة والإلكترونات السالبة الشحنة في بلازما الاندماج عند درجات حرارة عالية جدًا، وبالتالي تتمتع بسرعات عالية. وللحفاظ على عملية الاندماج، يجب حصر الجسيمات الخارجة من البلازما الساخنة في المنطقة المركزية، وإلا ستبرد البلازما بسرعة. تستغل أجهزة الاندماج بالحصر المغناطيسي حقيقة أن الجسيمات المشحونة في مجال مغناطيسي تخضع لقوة لورنتز وتتبع مسارات حلزونية على طول خطوط المجال. ^{[ 96 ]}

أبسط نظام للحصر المغناطيسي هو الملف اللولبي . تدور البلازما داخل الملف اللولبي حول خطوط المجال المغناطيسي الممتدة في مركزه، مانعةً حركتها نحو الجوانب. مع ذلك، لا يمنع هذا حركتها نحو الأطراف. الحل البديهي هو ثني الملف اللولبي على شكل دائرة، مُشكِّلاً حلقة. لكن تبيّن أن هذا الترتيب غير منتظم؛ لأسباب هندسية بحتة، يكون المجال على الحافة الخارجية للحلقة أقل شدةً منه على الحافة الداخلية. يتسبب هذا التباين في انجراف الإلكترونات والأيونات عبر المجال ، واصطدامها في النهاية بجدران الحلقة. ^{[ 31 ]}

يكمن الحل في تشكيل الخطوط بحيث لا تدور ببساطة حول الحلقة، بل تلتف حولها كخطوط عمود الحلاقة أو عصا الحلوى . في مثل هذا المجال، سيجد أي جسيم منفرد نفسه على الحافة الخارجية حيث سينجرف في اتجاه معين، ثم بينما يتبع خطه المغناطيسي حول الحلقة، سيجد نفسه على الحافة الداخلية حيث سينجرف في الاتجاه المعاكس. هذا الإلغاء ليس مثاليًا، لكن الحسابات أظهرت أنه كافٍ للسماح للوقود بالبقاء في المفاعل لفترة زمنية مفيدة. ^{[ 96 ]}

كان الحلان الأولان لتصميم جهاز ذي التواء مطلوب هما جهاز ستيلاراتور ، الذي يعتمد على ترتيب ميكانيكي يُدير الحلقة بأكملها، وتصميم زد-بينش، الذي يمرر تيارًا كهربائيًا عبر البلازما لتوليد مجال مغناطيسي ثانٍ لنفس الغرض. وقد أظهر كلا الحلين تحسنًا في أوقات الحصر مقارنةً بالحلقة البسيطة، ولكنهما أظهرا أيضًا مجموعة متنوعة من التأثيرات التي تسببت في فقدان البلازما من المفاعلات بمعدلات غير مستدامة.

يُعدّ التوكاماك مطابقًا تقريبًا لمفهوم الانضغاط Z من حيث التصميم الفيزيائي. ^{[ 97 ]} تمثّل ابتكاره الرئيسي في إدراك إمكانية التحكم في حالات عدم الاستقرار التي كانت تتسبب في فقدان الانضغاط للبلازما. تمثّلت المشكلة في مدى "التواء" المجالات؛ فالمجالات التي تتسبب في انتقال الجسيمات داخل وخارج الحلقة أكثر من مرة في كل دورة حول محورها الطويل كانت أكثر استقرارًا بكثير من الأجهزة ذات الالتواء الأقل. عُرفت هذه النسبة بين الالتواءات والمدارات بمعامل الأمان ، ويُرمز له بـ q . كانت الأجهزة السابقة تعمل عند q حوالي 1/3 ، بينما يعمل التوكاماك عند q ≫ 1. هذا يزيد الاستقرار بمقدار عدة مراتب .

عند دراسة المشكلة بمزيد من التفصيل، تبرز الحاجة إلى مركبة رأسية (موازية لمحور الدوران) للمجال المغناطيسي. توفر قوة لورنتز لتيار البلازما الحلقي في المجال الرأسي القوة الداخلية التي تحافظ على توازن حلقة البلازما.

كانت درجة حرارة الأيونات في أجهزة التوكاماك المبكرة محدودة بصيغة أرتسيموفيتش التجريبية: ^{[ 98 ]}

${\displaystyle T_{i}=5.9\times 10^{-7}(n_{e}IB_{t}R^{2}A^{-{\frac {3}{2}}})^{\frac {1}{3}}}$

على الرغم من أن جهاز التوكاماك يعالج مسألة استقرار البلازما بشكل عام، إلا أن البلازما تخضع أيضاً لعدد من حالات عدم الاستقرار الديناميكي. إحدى هذه الحالات، وهي عدم استقرار الانحناء ، يتم كبحها بشكل كبير بفضل تصميم التوكاماك، وهو أثر جانبي لمعاملات الأمان العالية لهذه الأجهزة. وقد سمح غياب الانحناءات لجهاز التوكاماك بالعمل عند درجات حرارة أعلى بكثير من الأجهزة السابقة، مما أدى إلى ظهور مجموعة من الظواهر الجديدة.

إحدى هذه الظواهر، وهي مدارات الموز ، تنتج عن التفاوت الكبير في طاقات الجسيمات داخل التوكاماك؛ فمعظم الوقود ساخن، بينما نسبة معينة منه أبرد بكثير. وبسبب الالتواء الشديد للمجالات المغناطيسية في التوكاماك، تتحرك الجسيمات التي تتبع خطوط قوتها بسرعة نحو الحافة الداخلية ثم الخارجية. وأثناء تحركها نحو الداخل، تتعرض لمجالات مغناطيسية متزايدة نتيجة لصغر نصف القطر الذي يُركّز المجال. تنعكس الجسيمات منخفضة الطاقة في الوقود عن هذا المجال المتزايد وتبدأ بالتحرك عكسيًا عبر الوقود، مصطدمةً بالنوى ذات الطاقة الأعلى ومشتتةً إياها خارج البلازما. تتسبب هذه العملية في فقدان الوقود من المفاعل، إلا أنها بطيئة بما يكفي لجعل بناء مفاعل عملي أمرًا ممكنًا. ^{[ 99 ]}

من أنواع عدم الاستقرار الأخرى عدم استقرار التمزق. في عام 2024، استخدم الباحثون التعلم المعزز مع نموذج ديناميكي متعدد الوسائط لقياس هذا النوع من عدم الاستقرار والتنبؤ به بناءً على إشارات من أجهزة تشخيص ومحركات متعددة على فترات زمنية قدرها 25 مللي ثانية. استُخدم هذا التنبؤ للحد من عدم استقرار التمزق في جهاز DIII-D6 في الولايات المتحدة. وقد حققت دالة المكافأة توازنًا بين الهدفين المتضاربين المتمثلين في أقصى ضغط للبلازما ومخاطر عدم الاستقرار. وعلى وجه الخصوص، تتبعت البلازما المسار المستقر بنشاط مع الحفاظ على أداء الوضع H. ^{[ 100 ] [ 101 ]}

يُعدّ الوصول إلى نقطة التعادل أحد الأهداف الرئيسية لأي جهاز اندماج نووي مُتحكّم به ، وهي النقطة التي تتساوى فيها الطاقة المنبعثة من تفاعلات الاندماج مع كمية الطاقة المُستخدَمة للحفاظ على التفاعل. يُرمز إلى نسبة الطاقة الناتجة إلى الطاقة المُستخدَمة بالرمز Q ، وتُقابل نقطة التعادل قيمة Q تساوي 1. يحتاج المفاعل إلى قيمة Q أكبر من 1 لتوليد طاقة صافية، ولكن لأسباب عملية، يُفضّل أن تكون هذه القيمة أعلى بكثير.

بمجرد الوصول إلى نقطة التعادل، تؤدي التحسينات الإضافية في الحصر عمومًا إلى زيادة سريعة في قيمة Q. ويعود ذلك إلى أن جزءًا من الطاقة المنبعثة من تفاعلات الاندماج لأكثر أنواع وقود الاندماج شيوعًا، وهو مزيج بنسبة 50-50 من الديوتيريوم والتريتيوم ، يكون على شكل جسيمات ألفا . يمكن لهذه الجسيمات أن تصطدم بنوى الوقود في البلازما وتسخنها، مما يقلل من كمية الحرارة الخارجية المطلوبة. عند نقطة معينة، تُعرف بالاشتعال ، يكون هذا التسخين الذاتي الداخلي كافيًا لاستمرار التفاعل دون أي تسخين خارجي، وهو ما يتوافق مع قيمة Q لانهائية .

في حالة التوكاماك، تصل عملية التسخين الذاتي هذه إلى أقصى حد لها إذا بقيت جسيمات ألفا في الوقود لفترة كافية تضمن اصطدامها به. ولأن جسيمات ألفا مشحونة كهربائيًا، فإنها تخضع لنفس المجالات التي تحصر بلازما الوقود. ويمكن زيادة مدة بقائها في الوقود إلى أقصى حد من خلال ضمان بقاء مدارها في المجال ضمن البلازما. وقد ثبت أن هذا يحدث عندما يكون التيار الكهربائي في البلازما حوالي 3  ميغا أمبير. ^{[ 102 ]}

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، أجرت جامعة برينستون دراساتٍ حول استخدام المغناطيسات فائقة التوصيل عالية القدرة في تصميمات التوكاماك المستقبلية، حيث فحصت تخطيط المغناطيسات. ولاحظ الباحثون أن ترتيب الملفات الحلقية الرئيسية يؤدي إلى زيادة ملحوظة في الشد بين المغناطيسات على الجانب الداخلي من الانحناء، حيث تكون متقاربة. وبناءً على ذلك، لاحظوا أن قوى الشد داخل المغناطيسات ستتساوى إذا كان شكلها على هيئة حرف D بدلاً من O. وقد عُرف هذا التصميم باسم "ملف برينستون D". ^{[ 103 ]}

لم تكن هذه المرة الأولى التي يُنظر فيها في هذا النوع من الترتيب، وإن كان ذلك لأسباب مختلفة تمامًا. يختلف عامل الأمان على امتداد محور الجهاز؛ ولأسباب هندسية بحتة، يكون دائمًا أصغر عند الحافة الداخلية للبلازما الأقرب إلى مركز الجهاز لأن المحور الطويل أقصر هناك. هذا يعني أن جهازًا بمتوسط ​​q = 2 قد يظل أقل من 1 في مناطق معينة. في سبعينيات القرن الماضي، اقتُرح أن إحدى طرق معالجة هذه المشكلة وإنتاج تصميم بمتوسط ​​q أعلى هي تشكيل المجالات المغناطيسية بحيث تملأ البلازما النصف الخارجي فقط من الحلقة، على شكل حرف D أو C عند النظر إليها من الجانب، بدلًا من المقطع العرضي الدائري المعتاد.

كان جهاز JET من أوائل الأجهزة التي استخدمت بلازما على شكل حرف D ، وقد بدأ العمل على تصميمه عام 1973. اتُخذ هذا القرار لأسباب نظرية وعملية؛ فنظرًا لأن القوة تكون أكبر على الحافة الداخلية للحلقة، تتولد قوة صافية كبيرة تضغط على المفاعل بأكمله نحو الداخل. كما أن للشكل D ميزة تقليل القوة الصافية، بالإضافة إلى جعل الحافة الداخلية المدعومة أكثر استواءً، مما يسهل دعمها. ^{[ 104 ]} لاحظ برنامجٌ يستكشف التصميم العام أن الشكل غير الدائري ينحرف ببطء عموديًا، مما أدى إلى إضافة نظام تغذية راجعة نشط لإبقائه في المركز. ^{[ 105 ]} بعد أن اختار جهاز JET هذا التصميم، أعاد فريق General Atomics Doublet III تصميم الجهاز ليصبح D-IIID بمقطع عرضي على شكل حرف D، وقد تم اختياره أيضًا لتصميم JT-60 الياباني . ومنذ ذلك الحين، أصبح هذا التصميم شائعًا إلى حد كبير.

إحدى المشكلات التي تُلاحظ في جميع مفاعلات الاندماج النووي هي أن وجود العناصر الأثقل يُؤدي إلى فقدان الطاقة بمعدل متزايد، مما يُبرّد البلازما. خلال المراحل الأولى لتطوير طاقة الاندماج النووي، تم التوصل إلى حل لهذه المشكلة، وهو المُشتِّت ، وهو عبارة عن مطياف كتلة كبير يعمل على طرد العناصر الأثقل خارج المفاعل. كان هذا في البداية جزءًا من تصميمات الستيلاراتور ، حيث يسهل دمجه في الملفات المغناطيسية. مع ذلك، أثبت تصميم مُشتِّت لمفاعل التوكاماك أنه يُمثل تحديًا تصميميًا بالغ الصعوبة.

من المشاكل الأخرى التي تُلاحظ في جميع تصاميم الاندماج النووي، الحمل الحراري الذي تُسببه البلازما على جدار وعاء الحصر. توجد مواد قادرة على تحمل هذا الحمل، لكنها عمومًا معادن ثقيلة غير مرغوب فيها وباهظة الثمن . عندما تُقذف هذه المواد في تصادمات مع الأيونات الساخنة، تختلط ذراتها بالوقود وتُبرّده بسرعة. أحد الحلول المُستخدمة في معظم تصاميم التوكاماك هو المُحدِّد ، وهو عبارة عن حلقة صغيرة من معدن خفيف تبرز داخل الحجرة بحيث تصطدم بها البلازما قبل اصطدامها بالجدران. يؤدي هذا إلى تآكل المُحدِّد واختلاط ذراته بالوقود، لكن هذه المواد الأخف وزنًا تُسبب اضطرابًا أقل من مواد الجدران.

عندما تحولت المفاعلات إلى البلازما ذات الشكل D، لوحظ سريعًا إمكانية التحكم في تدفق الجسيمات الخارجة من البلازما. وبمرور الوقت، أدى ذلك إلى فكرة استخدام المجالات لإنشاء مُحوِّل داخلي يقذف العناصر الأثقل خارج الوقود، عادةً نحو قاع المفاعل. هناك، تُستخدم بركة من معدن الليثيوم السائل كنوع من المُحدِّد؛ حيث تصطدم الجسيمات بها وتبرد بسرعة، وتبقى داخل الليثيوم. يسهل تبريد هذه البركة الداخلية نظرًا لموقعها، وعلى الرغم من إطلاق بعض ذرات الليثيوم في البلازما، إلا أن كتلتها المنخفضة جدًا تجعلها مشكلة أقل بكثير من حتى أخف المعادن المستخدمة سابقًا.

مع بدء الآلات باستكشاف هذا البلازما المُشكَّل حديثًا ، لاحظوا أن بعض ترتيبات المجالات ومعايير البلازما تدخل أحيانًا فيما يُعرف الآن بنمط الحصر العالي ، أو نمط H، الذي يعمل بثبات عند درجات حرارة وضغوط أعلى. ويُعدّ التشغيل في نمط H، الذي يُمكن ملاحظته أيضًا في أجهزة ستيلاراتور، هدفًا رئيسيًا في تصميم التوكاماك.

وأخيرًا، لوحظ أنه عندما تكون كثافة البلازما غير منتظمة، فإنها تُولّد تيارات كهربائية داخلية، تُعرف بتيار التنشيط الذاتي . يسمح هذا للمفاعل المصمم بشكل صحيح بتوليد جزء من التيار الداخلي اللازم لثني خطوط المجال المغناطيسي دون الحاجة إلى مصدر خارجي. ولهذا الأمر مزايا عديدة، وتسعى جميع التصاميم الحديثة إلى توليد أكبر قدر ممكن من تيارها الكلي من خلال عملية التنشيط الذاتي.

بحلول أوائل التسعينيات، أدى الجمع بين هذه الميزات وغيرها مجتمعة إلى ظهور مفهوم "التوكاماك المتقدم". ويشكل هذا المفهوم أساس الأبحاث الحديثة، بما في ذلك مشروع ITER.

تتعرض أجهزة التوكاماك لأحداث تُعرف باسم "الاضطرابات" التي تتسبب في فقدان الحصر في غضون أجزاء من الثانية . الآليتان الرئيسيتان هما "حدث الإزاحة الرأسية" (VDE)، حيث تتحرك البلازما بأكملها رأسيًا حتى تلامس الجزء العلوي أو السفلي من حجرة التفريغ. في المقابل، في "الاضطراب الرئيسي"، تتسبب عدم استقرارية المغناطيسية الهيدروديناميكية غير المتناظرة ذات الطول الموجي الطويل في إجبار البلازما على اتخاذ أشكال غير متناظرة، وغالبًا ما تُضغط في الجزء العلوي والسفلي من الحجرة. ^{[ 106 ]}

عندما تلامس البلازما جدران الوعاء، فإنها تخضع لتبريد سريع، أو ما يُعرف بـ"التبريد الحراري". في حالة الاضطراب الكبير، يصاحب ذلك عادةً ارتفاعٌ طفيف في تيار البلازما مع تركيزها. يؤدي التبريد في النهاية إلى تفكك حصر البلازما. في حالة الاضطراب الكبير، ينخفض ​​التيار مرة أخرى، وهو ما يُعرف بـ"التبريد التيار". لا يُلاحظ الارتفاع الأولي في التيار في حالة VDE، ويحدث التبريد الحراري وتبريد التيار في الوقت نفسه. ^{[ 106 ]} في كلتا الحالتين، يُلقى الحمل الحراري والكهربائي للبلازما بسرعة على وعاء المفاعل، الذي يجب أن يكون قادرًا على تحمل هذه الأحمال. صُمم مفاعل ITER للتعامل مع 2600 من هذه الأحداث خلال عمره التشغيلي. ^{[ 107 ]}

بالنسبة للأجهزة عالية الطاقة مثل ITER، التي تُنتج تيارات بلازما تصل إلى 15 ميغا أمبير ، فمن المحتمل أن تتجاوز الزيادة الطفيفة في التيار أثناء اضطراب كبير عتبة حرجة. يحدث هذا عندما يُولّد التيار قوة على الإلكترونات تفوق قوى الاحتكاك الناتجة عن تصادمات الجسيمات في البلازما. في هذه الحالة، يمكن تسريع الإلكترونات إلى سرعات نسبية، مما يُؤدي إلى ظهور ما يُسمى بـ"الإلكترونات الهاربة" في انهيار الإلكترونات النسبية الهاربة . تحتفظ هذه الإلكترونات بطاقتها حتى أثناء انخفاض التيار. ^{[ 107 ]}

عندما ينهار نظام الحصر، تصطدم هذه الإلكترونات الهاربة بجدار المفاعل. ويمكن أن تصل شدة التيار إلى 12 ميغا أمبير في مساحة صغيرة، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات أي حل ميكانيكي. ^{[ 106 ]} في إحدى الحالات الشهيرة، تعرض مفاعل توكاماك فونتيني أو روز لعطل كبير حيث أحدثت الإلكترونات الهاربة ثقبًا في حجرة التفريغ. ^{[ 107 ]}

تحدث اضطرابات كبيرة في أجهزة التوكاماك بشكل متكرر، بنسبة تصل إلى بضعة بالمئة من التجارب. غالبًا ما يكون الضرر كبيرًا، لكن نادرًا ما يكون كارثيًا. في مشروع ITER، من المتوقع أن تؤدي الاضطرابات الكبيرة إلى تلف الحجرة بشكل لا يمكن معه إصلاح الجهاز. ^{[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]} يُعتبر تطوير أنظمة لمواجهة آثار الإلكترونات المتسارعة تقنية أساسية لمشروع ITER. ^{[ 107 ]}

يمكن أن تؤدي السعة الكبيرة لكثافة التيار المركزي أيضًا إلى اضطرابات داخلية ، أو ما يُعرف بأسنان المنشار، والتي لا تُنهي التفريغ بشكل عام. ^{[ 111 ]}

تؤدي الكثافات التي تتجاوز حد غرينوالد، وهو حد يعتمد على تيار البلازما ونصف القطر الأصغر، عادةً إلى اضطرابات. ^{[ 112 ] [ 113 ]} ورغم تجاوز هذا الحد بعشرة أضعاف، ^{[ 114 ]} إلا أنه لا يزال مفهومًا مهمًا لوصف ظاهرة انتقال تدفق البلازما، والتي لا تزال بحاجة إلى فهم أعمق. ^{[ 115 ] [ 116 ]}

بما أن البلازما موصل كهربائي، فمن الممكن تسخين البلازما عن طريق حث تيار كهربائي من خلالها؛ كما أن التيار المستحث الذي يوفر معظم المجال البوليدي هو أيضًا مصدر رئيسي للتسخين الأولي.

يُطلق على التسخين الناتج عن التيار المُستحث اسم التسخين الأومي (أو المقاومي)؛ وهو نفس نوع التسخين الذي يحدث في المصباح الكهربائي أو المدفأة الكهربائية. تعتمد الحرارة المتولدة على مقاومة البلازما وكمية التيار الكهربائي المار فيها. ولكن مع ارتفاع درجة حرارة البلازما المُسخّنة، تقل المقاومة ويصبح التسخين الأومي أقل فعالية. يبدو أن أقصى درجة حرارة للبلازما يُمكن الوصول إليها بالتسخين الأومي في جهاز التوكاماك تتراوح بين 20 و30 مليون درجة مئوية. وللحصول على درجات حرارة أعلى، يجب استخدام طرق تسخين إضافية.

يُستحث التيار عن طريق زيادة التيار باستمرار عبر ملف كهرومغناطيسي مرتبط بحلقة البلازما: ويمكن اعتبار البلازما بمثابة الملف الثانوي للمحول. هذه عملية نبضية بطبيعتها لوجود حد أقصى للتيار المار عبر الملف الابتدائي (بالإضافة إلى قيود أخرى على النبضات الطويلة). لذلك، يجب أن تعمل أجهزة التوكاماك إما لفترات قصيرة أو تعتمد على وسائل أخرى للتسخين وتوليد التيار.

يمكن تسخين الغاز عن طريق الضغط المفاجئ. وبالمثل، ترتفع درجة حرارة البلازما عند ضغطها بسرعة بزيادة المجال المغناطيسي المحيط بها. في جهاز التوكاماك، يتحقق هذا الضغط ببساطة عن طريق نقل البلازما إلى منطقة ذات مجال مغناطيسي أعلى (أي باتجاه الداخل شعاعيًا). ولأن ضغط البلازما يُقرّب الأيونات من بعضها، فإن هذه العملية تُسهّل الوصول إلى الكثافة المطلوبة لمفاعل الاندماج النووي.

كان الضغط المغناطيسي مجالًا بحثيًا في بدايات "الاندفاع نحو التوكاماك"، وكان الهدف من تصميم رئيسي واحد، وهو جهاز ATC. لم يُستخدم هذا المفهوم على نطاق واسع منذ ذلك الحين، على الرغم من أن مفهومًا مشابهًا إلى حد ما موجود في تصميم شركة General Fusion .

يتضمن حقن الحزمة المحايدة إدخال ذرات أو جزيئات عالية الطاقة (سريعة الحركة) في بلازما مسخنة أومياً ومحصورة مغناطيسياً داخل التوكاماك.

تنشأ الذرات عالية الطاقة على شكل أيونات في حجرة القوس الكهربائي قبل استخلاصها عبر شبكة جهد عالٍ. يُستخدم مصطلح "مصدر الأيونات" للإشارة عمومًا إلى الجهاز الذي يتكون من مجموعة من الخيوط الباعثة للإلكترونات، وحجرة القوس الكهربائي، ومجموعة من شبكات الاستخلاص. يُستخدم جهاز ثانٍ، مشابه في المبدأ، لتسريع الإلكترونات بشكل منفصل إلى نفس الطاقة. نظرًا لكتلة الإلكترونات الأخف بكثير، فإن هذا الجهاز أصغر بكثير من نظيره الأيوني. يتقاطع الشعاعان بعد ذلك، حيث تتحد الأيونات والإلكترونات لتكوين ذرات متعادلة، مما يسمح لها بالتحرك عبر المجالات المغناطيسية.

بمجرد دخول الحزمة المحايدة إلى جهاز التوكاماك، تحدث تفاعلات مع أيونات البلازما الرئيسية. ينتج عن ذلك تأثيران: أولهما إعادة تأين الذرات المحقونة واكتسابها شحنة كهربائية، مما يؤدي إلى احتجازها داخل المفاعل وزيادة كتلة الوقود. أما التأثير الثاني، فيتمثل في أن عملية التأين تتم من خلال اصطدامها ببقية الوقود، حيث تُودع هذه الاصطدامات طاقة في الوقود، مما يؤدي إلى تسخينه.

لا يفرض هذا النوع من التسخين قيودًا جوهرية على الطاقة (درجة الحرارة)، على عكس طريقة التسخين الأومي، إلا أن معدله محدود بالتيار الكهربائي في الحاقنات. تتراوح جهود استخلاص الأيونات عادةً بين 50 و100 كيلوفولت، ويجري تطوير مصادر أيونات سالبة عالية الجهد (-1 ميجافولت) لمشروع ITER. سيكون مرفق اختبار الحزمة المحايدة التابع لمشروع ITER في بادوفا أول مرفق من مرافق ITER يبدأ تشغيله. ^{[ 117 ]}

على الرغم من أن حقن الحزمة المحايدة يُستخدم أساسًا لتسخين البلازما، إلا أنه يُمكن استخدامه أيضًا كأداة تشخيصية وفي التحكم التلقائي عن طريق توليد حزمة نبضية تتكون من سلسلة من ومضات شعاعية قصيرة تتراوح مدتها بين 2 و10 مللي ثانية. يُعد الديوتيريوم وقودًا أساسيًا لأنظمة تسخين الحزمة المحايدة، بينما يُستخدم الهيدروجين والهيليوم أحيانًا في تجارب مُحددة.

تُولَّد الموجات الكهرومغناطيسية عالية التردد بواسطة مذبذبات (غالباً بواسطة الجيروترونات أو الكليسترونات ) خارج التوروس. إذا كانت هذه الموجات ذات تردد (أو طول موجي) واستقطاب مناسبين، يُمكن نقل طاقتها إلى الجسيمات المشحونة في البلازما، والتي بدورها تصطدم بجسيمات بلازما أخرى، مما يزيد من درجة حرارة البلازما. توجد تقنيات متنوعة، منها التسخين بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECRH) والتسخين بالرنين السيكلوتروني الأيوني . وعادةً ما تُنقل هذه الطاقة بواسطة الموجات الميكروية.

(حسب الترتيب الزمني لبدء العمليات)

• في ستينيات القرن العشرين: جهاز TM1-MH (يُعرف منذ عام 1977 باسم كاستور، ومنذ عام 2007 باسم غوليم ^{[ 118 ]} ) في براغ ، جمهورية التشيك . كان يعمل في معهد كورتشاتوف منذ أوائل الستينيات، ثم أُعيد تسميته إلى كاستور عام 1977 ونُقل إلى معهد الفيزياء التابع للأكاديمية التشيكية للعلوم ^{[ 119 ]} في براغ. وفي عام 2007، نُقل إلى كلية العلوم الطبيعية والهندسة الفيزيائية ، التابعة للجامعة التقنية التشيكية في براغ، وأُعيد تسميته إلى غوليم ^{[ 120 ] .}
• 1975: T-10 ، في معهد كورتشاتوف ، موسكو ، روسيا ( الاتحاد السوفيتي سابقًا )؛ 2 ميغاواط
• 1986: DIII-D ، ^{[ 121 ]} في سان دييغو ، الولايات المتحدة؛ تشغلها شركة جنرال أتوميكس منذ أواخر الثمانينيات
• 1987: STOR-M ، جامعة ساسكاتشوان ، كندا؛ تم استخدام سلفه، STOR1-M الذي تم بناؤه في عام 1983، لأول عرض توضيحي للتيار المتردد في جهاز توكاماك. ^{[ 122 ]}
• 1988: توري سوبرا ، ^{[ 123 ]} ولكن أعيد تسميتها إلى ويست في عام 2016، في مركز أبحاث الطاقة الذرية ، كاداراش ، فرنسا
• 1989: أديتيا ، في معهد أبحاث البلازما (IPR) في ولاية غوجارات ، الهند
• 1989: شركة كومباس ، ^{[ 119 ]} في براغ ، جمهورية التشيك ؛ تعمل منذ عام 2008، وكانت تعمل سابقًا من عام 1989 إلى عام 1999 في كولهام، المملكة المتحدة
• 1990: FTU ، ^{[ 124 ]} في فراسكاتي ، إيطاليا
• 1991: ISTTOK ، ^{[ 125 ]} في معهد البلازما والاندماج النووي ، لشبونة ، البرتغال.

• 1991: تحديث ASDEX ، في غارشينغ ، ألمانيا
• 1992: H-1NF (مرفق أبحاث الاندماج البلازمي الوطني H-1) ^{[ 126 ]} يعتمد على جهاز H-1 Heliac الذي بنته مجموعة فيزياء البلازما في الجامعة الوطنية الأسترالية ويعمل منذ عام 1992
• 1992: جهاز توكاماك ذو التكوين المتغير (TCV)، في المركز السويسري للبلازما، المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL )، سويسرا
• 1993: HBT-EP توكاماك، في جامعة كولومبيا في مدينة نيويورك ^{[ 127 ]}
• 1994: مركز أبحاث البلازما المتقدمة (TCABR) ، في جامعة ساو باولو ، ساو باولو ، البرازيل؛ تم نقل هذا التوكاماك من مركز أبحاث البلازما (CRPP) (المركز السويسري للبلازما حاليًا) في سويسرا
• 1996: تجربة بيغاسوس الحلقية ^{[ 128 ]} في جامعة ويسكونسن-ماديسون ؛ تعمل منذ أواخر التسعينيات.
• 1999: NSTX في برينستون، نيو جيرسي
• 1999: غلوبوس-إم في معهد يوف ، سانت بطرسبرغ ، روسيا
• 2000: ETE في المعهد الوطني لأبحاث الفضاء ، ساو باولو ، البرازيل
• 2002: HL-2A ، في مدينة تشنغدو ، الصين
• 2006: EAST (HT-7U)، في خفي ، في معاهد خفي للعلوم الفيزيائية ، الصين ( عضو في ITER )
• 2007: QUEST ، في فوكوكا ، اليابان https://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP/suben/history.html
• 2008: KSTAR ، في دايجون ، كوريا الجنوبية ( عضو في ITER )
• 2012: ميدوسا سي آر، في كارتاغو ، في معهد كوستاريكا للتكنولوجيا ، كوستاريكا
• 2012: SST-1 ، في غانديناغار ، في معهد أبحاث البلازما ، الهند ( عضو في ITER )
• 2012: IR-T1، جامعة آزاد الإسلامية، فرع العلوم والبحوث، طهران ، إيران ^{[ 129 ]}
• 2015: ST25-HTS في شركة توكاماك إنرجي المحدودة في كولهام ، المملكة المتحدة
• 2017: KTM - وهو مرفق تجريبي نووي حراري للبحث واختبار المواد في ظل ظروف تحميل الطاقة بالقرب من ITER ومفاعلات الاندماج النووي للطاقة المستقبلية، كازاخستان.
• 2018: ST40 في شركة توكاماك إنرجي المحدودة في أكسفورد ، المملكة المتحدة
• 2020: HL-2M ، المؤسسة الوطنية الصينية للطاقة النووية ومعهد جنوب غرب الفيزياء، الصين
• 2020: تحديث MAST ، في كولهام ، أوكسفوردشاير، المملكة المتحدة؛ أكبر توكاماك كروي في العالم.
• 2023: JT-60SA ، في ناكا ، اليابان ( عضو في ITER )؛ تمت ترقيته من JT-60.
• 2024: HH70 ، الصين؛ المفاعل هو أول توكاماك يتميز بموصلات فائقة عالية الحرارة من نوع ReBCO .

• الستينيات: T-3 و T-4 ، في معهد كورتشاتوف ، موسكو، روسيا (الاتحاد السوفيتي سابقًا)؛ T-4 قيد التشغيل في عام 1968.
• 1963: قام فريق فيزياء البلازما في الجامعة الوطنية الأسترالية (LT-1) ببناء جهاز لاستكشاف التكوينات الحلقية، واكتشفوا بشكل مستقل تصميم التوكاماك.
• 1970: أعيد افتتاح جهاز ستيلاراتور سي باسم توكاماك المتناظر في مايو في مختبر برينستون لفيزياء البلازما
• 1971-1980: مفاعل توكاماك تكساس المضطرب ، جامعة تكساس في أوستن ، الولايات المتحدة الأمريكية
• 1972: بدأ تشغيل الضاغط الحلقي الأديباتي (ATC) في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL).
• 1973-1976: توكاماك دي فونتيناي أوكس روزيس (TFR)، بالقرب من باريس، فرنسا
• 1973–1979: ألكاتور أ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الولايات المتحدة الأمريكية
• 1975: بدء تشغيل جهاز برينستون لارج توروس في مختبر برينستون لفيزياء البلازما
• 1978-1987: ألكاتور سي، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الولايات المتحدة
• 1978-2013: تيكستور ، في يوليش ، ألمانيا
• 1979-1982 PDX عملت في PPPL
• 1979–1998: MT-1 توكاماك، بودابست، المجر (تم بناؤه في معهد كورتشاتوف، روسيا، ونُقل إلى المجر في عام 1979، وأعيد بناؤه كـ MT-1M في عام 1991)
• 1980–1990: توكولوشي توكاماك، مجلس الطاقة الذرية، جنوب أفريقيا ^{[ 130 ]}
• 1980–2004: TEXT/TEXT-U، جامعة تكساس في أوستن ، الولايات المتحدة الأمريكية
• 1982–1997: TFTR ، جامعة برينستون ، الولايات المتحدة الأمريكية
• 1983–2023: مشروع التوروس الأوروبي المشترك (JET)، في كولهام ، المملكة المتحدة ^{[ 131 ]}
• 1983-2000: نوفيلو توكاماك ، ^{[ 132 ]} في المعهد الوطني للبحوث النووية ، في مكسيكو سيتي ، المكسيك.
• 1984–1992: مفاعل توكاماك HL-1، في تشنغدو ، الصين
• 1985–2010: JT-60 ، في ناكا ، محافظة إيباراكي ، اليابان؛ (تم تحديثها 2015–2018 إلى طراز متطور فائق)
• 1987-1999: توكاماك دي فارين؛ فارين , كندا; تديره شركة Hydro-Québec ويستخدمه باحثون من معهد البحوث في الكهرباء في كيبيك (IREQ) والمعهد الوطني للبحث العلمي (INRS).
• 1988–2005: T-15 ، في معهد كورتشاتوف ، موسكو، روسيا (الاتحاد السوفيتي سابقًا)؛ 10 ميغاواط
• 1991–1998: البداية ، في كولهام ، المملكة المتحدة
• التسعينيات - 2001: كومباس ، في كولهام، المملكة المتحدة
• 1994–2001: مفاعل توكاماك HL-1M، في تشنغدو ، الصين
• 1999-2006: UCLA Electric Tokamak ، في لوس أنجلوس ، الولايات المتحدة
• 1999–2014: ماست ، في كولهام ، المملكة المتحدة
• 1992–2016: ألكاتور سي-مود ، ^{[ 133 ]} معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، كامبريدج ، الولايات المتحدة الأمريكية
• 1995–2013: HT-7 ، في معهد فيزياء البلازما ، خفي ، الصين ^{[ 134 ]}

• مشروع ITER الدولي في كاداراش ، فرنسا؛ 500 ميغاواط؛ بدأ البناء في عام 2010، ومن المتوقع أن يكون أول بلازما في عام 2034. ومن المتوقع أن يكون جاهزًا للتشغيل الكامل بحلول عام 2039.
• مشروع تجريبي ؛ بقدرة 2000 ميغاواط، يعمل بشكل مستمر، ومتصل بشبكة الكهرباء. من المخطط أن يكون خليفة لمشروع ITER؛ ومن المقرر أن يبدأ بناؤه في عام 2040 وفقًا للجدول الزمني لمشروع EUROfusion 2018.
• مفاعل CFETR ، المعروف أيضًا باسم "مفاعل الاختبار الهندسي للاندماج الصيني"؛ بقدرة 200 ميغاواط؛ وهو مفاعل اندماج صيني من الجيل التالي، عبارة عن جهاز توكاماك جديد. ^{[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ] [ 138 ]}
• K-DEMO في كوريا الجنوبية؛ 2200-3000 ميجاوات، ومن المخطط توليد صافي كهرباء في حدود 500 ميجاوات؛ ومن المستهدف بدء الإنشاء بحلول عام 2037. ^{[ 139 ]}
• مشروع توكاماك الكروي لإنتاج الطاقة (STEP)، وهو مشروع بريطاني يخطط لإنتاج بلازما مشتعلة بحلول عام 2035.
• مشروع SPARC هو مشروع تطويري لشركة Commonwealth Fusion Systems (CFS) بالتعاون مع مركز علوم البلازما والاندماج (PSFC) التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT ) في ديفينز، ماساتشوستس . ^{[ 140 ] [ 141 ]} من المتوقع أن يحقق المشروع زيادة في الطاقة في عام 2026 بحجم أصغر بكثير من حجم مشروع ITER، وذلك باستخدام مجالات مغناطيسية عالية.

• برامز، سي إم وستوت، بي إي (2002). الاندماج النووي: نصف قرن من أبحاث الحصر المغناطيسي . منشورات معهد الفيزياء. رقم ISBN 978-0-7503-0705-5.
• برومبيرغ، جوان ليزا (1982). الاندماج: العلم والسياسة واختراع مصدر طاقة جديد . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-02180-7.
• كليري، دانيال (2014). قطعة من الشمس: البحث عن طاقة الاندماج . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-1-4683-1041-2.
• دولان، توماس ج. (1982). أبحاث الاندماج، المجلد 1 - المبادئ . دار بيرغامون للنشر. LCC QC791.D64 . 
• هيرمان، روبن (1990). الاندماج النووي: البحث عن طاقة لا تنضب . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-38373-8.
• كادومتسيف، ب. (1966). "الاستقرار الهيدروديناميكي للبلازما" (ملف PDF) . مراجعات فيزياء البلازما . ص 153-199 . 
• كينوارد، مايكل (24 مايو 1979ب). "أبحاث الاندماج النووي - ارتفاع درجة الحرارة" . مجلة نيو ساينتست . المجلد  82، العدد  1156. ص  627.
• مكراكين، غاري؛ ستوت، بيتر (2012). الاندماج: طاقة الكون . دار النشر الأكاديمية. ISBN 978-0-12-384657-0.
• نيشيكاوا، ك. وواكاتاني، م. (2000). فيزياء البلازما . سبرينغر-فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-540-65285-4.
• رايدر، ج.؛ وآخرون  (1986). الاندماج النووي المُتحكم به . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-10312-7.
• شافرانوف، فيتالي (2001). "حول تاريخ البحث في الاندماج النووي الحراري المتحكم به" (ملف PDF) . مجلة الأكاديمية الروسية للعلوم . 44 (8): 835-865 .
• سميرنوف ، فلاديمير (30 ديسمبر 2009). “مؤسسة توكاماك في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية / روسيا 1950-1990” (PDF) . الاندماج النووي . 50 (1) 014003. بيب كود : 2010NucFu..50a4003S . سيتيسيركس 10.1.1.361.8023 . دوى : 10.1088/0029-5515/50/1/014003 . S2CID 17487157 .  
• ويسون، جون؛ وآخرون  . (2004). التوكاماك . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-850922-6.
• ويسون، جون (نوفمبر 1999). علم برنامج JET (ملف PDF) . مشروع JET المشترك.