核融合発電

核融合反応は、2 つ以上の原子核が十分に接近し、それらを引き寄せる核力が、それらを引き離す静電気力を上回って、より重い原子核に融合するときに起こります。鉄 56より重い原子核の場合、反応は吸熱反応であり、エネルギーの入力が必要です。^{[ 7 ]}鉄よりも大きい重い原子核は、より多くの陽子を持つため、より大きな反発力があります。鉄 56 より軽い原子核の場合、反応は発熱反応であり、融合するときにエネルギーを放出します。水素は原子核に陽子が 1 つしかないため、核融合を達成するために必要な労力が最も少なく、正味のエネルギー出力が最も大きくなります。また、水素は電子を 1 つ持っているため、完全にイオン化するのが最も一般的な燃料です。

原子核間の反発的な静電相互作用は、強い力よりも大きな距離にわたって作用します。強い力の作用範囲はおよそ1フェムトメートル（陽子または中性子の直径）です。核融合を開始するには、燃料原子が互いに十分に接近し、強い力が静電反発力を克服できるだけの運動エネルギーを供給しなければなりません。「クーロン障壁」とは、燃料原子を十分に近づけるために必要な運動エネルギーの量のことです。原子を極めて高い温度に加熱するか、粒子加速器で加速することで、このエネルギーを得ることができます。

原子は、イオン化エネルギーを超えて加熱されると電子を失います。その結果生じる裸の原子核はイオンの一種です。このイオン化の結果、プラズマが生成されます。プラズマとは、裸の原子核と、かつて原子核に束縛されていた自由電子が熱せられた雲状の物質です。プラズマは電荷が分離しているため、電気伝導性と磁気制御性を持ちます。この性質は、いくつかの核融合装置で高温粒子を閉じ込めるために利用されています。

反応の断面積（σで表される）は、核融合反応が起こる確率を測定する。これは2つの原子核の相対速度に依存する。相対速度が高いほど一般的に確率は高くなるが、非常に高いエネルギーでは確率は再び低下し始める。^{[ 8 ]}

プラズマ中の粒子速度は確率分布を用いて特徴づけることができる。プラズマが熱平衡状態にある場合、その分布はガウス曲線、またはマクスウェル・ボルツマン分布のように見える。この場合、速度分布に対する平均粒子断面積を用いると便利である。これは体積核融合率に入力される。^{[ 9 ]}

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

どこ：

• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$は、単位時間と単位体積あたりに核融合によって生成されるエネルギーです。
• nは、体積内の粒子の種AまたはBの数密度である。
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$は、その反応の断面積であり、2つの種の速度vについて平均化したものである。
• ${\displaystyle E_{\text{fusion}}}$それは、その核融合反応によって放出されるエネルギーです。

ローソン基準は、核融合反応で生成されるエネルギーと環境に失われるエネルギーとの間のエネルギーバランスを考慮します。使用可能なエネルギーを生成するには、システムは失われるエネルギーよりも多くのエネルギーを生成する必要があります。ローソンは、以下に示すようなエネルギーバランスを仮定しました。^{[ 9 ]}

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)}$

どこ：

• ${\displaystyle P_{\text{out}}}$核融合による正味出力は
• ${\displaystyle \eta _{\text{capture}}}$融合の出力を捕捉する効率
• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$は核融合反応によって生成されるエネルギーの速度である。
• ${\displaystyle P_{\text{conduction}}}$高エネルギー物質がプラズマから離れる際の伝導損失は
• ${\displaystyle P_{\text{radiation}}}$放射線損失とは、光と中性子束として放出されるエネルギーのことです。

核融合の速度、したがって P _{fusion は}、プラズマの温度と密度に依存します。プラズマは伝導と放射によってエネルギーを失います。^{[ 9 ]}伝導は、イオン、電子、または中性粒子が他の物質（通常は装置の表面）に衝突し、運動エネルギーの一部を他の原子に伝達するときに発生します。伝導の速度も温度と密度に基づいています。放射は、雲から光として放出されるエネルギーです。放射は、温度とイオンの質量とともに増加します。核融合発電システムは、核融合の速度が損失よりも高い領域で動作する必要があります。

ローソン基準によれば、熱平衡状態にある準中性プラズマを保持する装置は、エネルギー損失を克服するのに十分なエネルギーを生成しなければならない。ある体積内で放出されるエネルギー量は、温度、すなわち粒子あたりの反応速度、その体積内の粒子の密度、そして最後に閉じ込め時間、つまりエネルギーがその体積内に留まる時間の長さの関数である。^{[ 9 ] [ 11 ]}これは「三重積」として知られており、プラズマ密度、温度、および閉じ込め時間である。^{[ 12 ]}

磁気閉じ込めでは、密度は低く、「良好な真空」のオーダーです。例えば、ITER装置では、燃料密度は約1.0 × 10 ¹⁹ m ⁻³で、これは大気圧の約100万分の1です。^{[ 13 ]}これは、温度および/または閉じ込め時間を増加させる必要があることを意味します。核融合に関連する温度は、1970年代初頭に開発されたさまざまな加熱方法を使用して達成されています。2019年現在、最新の装置では、残された主要な課題は、閉じ込め時間であった。強磁場中のプラズマは、多くの固有の不安定性を抱えており、実用的な時間を達成するためには、これらの不安定性を抑制しなければならない。その一つの方法は、原子炉の容積を大きくすることである。これにより、古典的な拡散による漏洩率が低下する。ITERがこれほど巨大なのはそのためである。

対照的に、慣性閉じ込めシステムは、より高い密度によって実用的な三重積値に近づき、閉じ込め時間が短い。NIFでは、初期の凍結水素燃料の密度は水よりも低く、鉛の密度の約100倍まで増加する。このような条件下では、核融合速度が非常に速いため、反応によって発生する熱が燃料を吹き飛ばすのにかかるマイクロ秒以内に燃料が融合する。NIFも大きいが、これは核融合プロセスに固有のものではなく、その「駆動装置」の設計によるものである。

核融合によって生じるエネルギーを回収するために、複数の手法が提案されている。最も単純な方法は、流体を加熱することである。一般的に標的とされるD-T反応では、そのエネルギーの大部分が高速中性子として放出される。電気的に中性な中性子は、閉じ込め方式の影響を受けない。ほとんどの設計では、原子炉炉心を取り囲む厚いリチウムの「ブランケット」に中性子が捕捉される。高エネルギー中性子が衝突すると、ブランケットが加熱される。その後、作動流体によってブランケットが積極的に冷却され、その作動流体がタービンを駆動して発電する。

別の設計案では、中性子を利用して核廃棄物のブランケット内で核分裂燃料を増殖させるというもので、これは核分裂・核融合ハイブリッドと呼ばれる概念である。これらのシステムでは、核分裂反応によって出力が増強され、従来の核分裂炉と同様のシステムを使用して電力が取り出される。^{[ 14 ]}

他の燃料を使用する設計、特に陽子-ホウ素無中性子核融合反応では、エネルギーの大部分が荷電粒子の形で放出されます。このような場合、これらの電荷の移動に基づく電力抽出システムが可能になります。直接エネルギー変換は、 1980年代にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）で、核融合反応生成物を直接使用して電圧を維持する方法として開発されました。これにより、48パーセントのエネルギー回収効率が実証されています。^{[ 15 ]}

• トカマク：最も開発が進み、資金も潤沢なアプローチ。この方法は、内部電流によって磁気的に閉じ込められたトーラス内で高温プラズマを回転させます。ITERが完成すれば、世界最大のトカマクになります。2018年9月現在、世界中で推定226の実験用トカマクが計画中、廃止済み、または稼働中（50）です。^{[ 21 ]}
  • 球形トカマク：球形トーラスとも呼ばれる。球状の形状をしたトカマクの一種。
• ステラレーター：高温プラズマのねじれたリング。ステラレーターは、外部磁石を使用して自然なねじれたプラズマ経路を作ろうとします。ステラレーターは1950年にライマン・スピッツァーによって開発され、トルサトロン、ヘリオトロン、ヘリアック、ヘリアスの4つの設計に発展しました。1つの例として、ドイツの装置であるヴェンデルシュタイン7-Xがあります。これは世界最大のステラレーターです。^{[ 22 ]}
• 内部リング：ステラレータは外部磁石を使用してねじれたプラズマを生成するが、トカマクはプラズマに誘導される電流を使用してこれを実現する。いくつかの設計クラスでは、プラズマ内部の導体を使用してこのねじれを実現している。初期の計算では、プラズマと導体の支持部との衝突により、核融合反応がそれを補充するよりも速くエネルギーが失われることが示された。浮上双極子実験（LDX）を含む現代のバリエーションでは、原子炉チャンバー内で磁気浮上された固体超伝導トーラスを使用している。^{[ 23 ]}
• 磁気ミラー：1960年代にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL ）のリチャード・F・ポストとそのチームによって開発されました。 ^{[ 24 ]}磁気ミラーはプラズマを直線状に往復反射します。バリエーションには、タンデムミラー、磁気ボトル、バイコニックカスプなどがあります。^{[ 25 ]} 1970年代と1980年代には、主にLLNLで米国政府によって一連のミラーマシンが製造されました。^{[ 26 ]}しかし、1970年代の計算では、これらが商業的に有用になる可能性は低いと推定されていました。
• バンプトーラス：複数の磁気ミラーがトロイダルリング状に端から端まで並んでいます。いずれかのミラーから漏れ出した燃料イオンは隣接するミラーに閉じ込められるため、損失なくプラズマ圧力を任意に高くすることができます。実験施設であるELMOバンプトーラス（EBT）は、1970年代にオークリッジ国立研究所（ORNL）で建設され、試験が行われました。
• 磁場反転構成：この装置はプラズマを自己組織化された準安定構造に閉じ込め、粒子の運動によって内部磁場が生成され、それがプラズマを閉じ込めます。^{[ 27 ]}
• スフェロマック：磁場反転構成に似ており、プラズマの自己生成磁場を利用して作られた半安定プラズマ構造。スフェロマックはトロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を持つが、磁場反転構成にはトロイダル磁場がない。^{[ 28 ]}
• ダイノマック：連続的な磁束注入によって形成および維持される球状マック。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}
• 逆磁場ピンチ：ここではプラズマがリング状構造の内部を移動します。内部には磁場が存在し、このリングの中心から外側へ移動すると磁場の方向が反転します。

• 間接駆動：レーザーでホールラウムと呼ばれる構造物を加熱し、それが非常に高温になってX線を放射し始めます。これらのX線が燃料ペレットを加熱し、ペレットが内側に収縮して燃料を圧縮します。この方法を使用している最大のシステムは国立点火施設で、レーザーメガジュールがそれに続いています。^{[ 32 ]}
• 直接駆動方式：レーザーが燃料ペレットを直接加熱する方式。レーザーエネルギー研究所（LLE）およびGEKKO XII施設では、注目すべき直接駆動実験が行われている。良好な爆縮には、高密度プラズマを生成する対称的な内向き衝撃波を発生させるために、ほぼ完璧な形状の燃料ペレットが必要となる。
• 高速点火：2回のレーザー照射を使用する。1回目の照射で核融合燃料を圧縮し、2回目の照射で点火する。2019年現在この方法はエネルギー生産において人気を失っていた。^{[ 33 ]}
• 磁気慣性核融合または磁化ライナー慣性核融合：これはレーザーパルスと磁気ピンチを組み合わせたものです。ピンチコミュニティでは磁化ライナー慣性核融合と呼ばれ、ICFコミュニティでは磁気慣性核融合と呼ばれています。^{[ 34 ]}
• イオンビーム：イオンは、爆縮して燃料ペレットを加熱するビームにおいて、光（レーザー）の代わりに用いられます。^{[ 35 ]}主な違いは、イオンの質量により、同等の出力のレーザーと比較して、ビームの運動量が著しく高いことです。2019年現在、イオンビームを空間的にも時間的にも十分に集束させることは困難であると思われます。
• Zマシン：細いタングステン線に電流を流し、X線を発生させるのに十分な温度まで加熱する。間接駆動方式と同様に、このX線によって燃料カプセルが圧縮される。

• Zピンチ：プラズマをz方向に電流が流れる。電流によって磁場が発生し、プラズマが圧縮される。ピンチは、人間が制御した核融合の最初の方法であった。 ^{[ 36 ] [ 37 ]} Zピンチには、圧縮と加熱が実用的な核融合には低すぎる値に制限される固有の不安定性がある。このような装置の中で最大規模の英国のZETAは、この種の最後の主要な実験であった。Zピンチの問題がトカマク設計につながった。高密度プラズマフォーカスは、おそらくより優れたバリエーションである。
• シータピンチ：電流がプラズマ柱の外周をシータ方向に周回する。これにより、プラズマの周囲ではなく、プラズマの中心を貫く磁場が誘起される。初期のシータピンチ装置であるScyllaは、核融合を初めて決定的に実証したが、その後の研究により、発電には適さない固有の限界があることが明らかになった。
• せん断流安定化Zピンチ：ワシントン大学のウリ・シュムラックの研究チームは、不安定なZピンチの通常の不安定性を平滑化するためにせん断流安定化の使用を調査した。これには、ピンチ軸に沿って中性ガスを加速することが含まれる。実験装置には、FuZEおよびZap Flow Zピンチ実験リアクターが含まれる。^{[ 38 ]} 2017年、英国のテクノロジー投資家兼起業家ベンジ・コンウェイは、物理学者のブライアン・ネルソンおよびウリ・シュムラックとともに、発電用の技術を商業化するためにZap Energyを共同設立した。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}
• スクリューピンチ：シータピンチとZピンチを組み合わせて、より高い安定性を実現。^{[ 42 ]}

• ポリウェル：磁気閉じ込めと静電場を組み合わせることで、ケージによって発生する伝導損失を回避しようとする試み。 ^{[ 43 ]}

• 磁化ターゲット核融合：磁場を使用して高温プラズマを閉じ込め、慣性を使用して圧縮します。例としては、 LANL FRX-L マシン^{[ 44 ]} 、 General Fusion (液体金属ライナーを使用したピストン圧縮)、HyperJet Fusion (プラズマライナーを使用したプラズマジェット圧縮) などがあります。 ^{[ 45 ] [ 46 ]}
• 制御不能：核融合は、制御不能な核分裂爆発を利用して人類によって開始された。初期の核融合発電の提案には、爆弾を用いて反応を開始させる方法が含まれていた。PACER計画を参照。

• 格子閉じ込め核融合（LCF）： IECフューザーのように、重水素飽和金属をガンマ線またはイオンビームにさらすことで、他のほとんどの原子炉タイプで使用される閉じ込められた高温プラズマを回避します。 ^{[ 47 ] [ 48 ]}
• ミューオン触媒核融合：水素同位体の二原子分子では、電子がミューオン（同じ電荷を持つより質量の大きい粒子）に置き換えられます。その質量が大きいため分子が縮小し、核融合に対する静電反発（クーロン障壁）の大部分を克服します。 ^{[ 49 ]} 2007年現在、ミューオンを生成するには、ミューオン触媒核融合から得られるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要です。 ^{[ 50 ]}
• 高強度レーザー照射：複数の機関（高強度レーザー応用技術センター、国防科学技術大学、中国工程物理研究院）による中国の理論分析によると、高強度レーザー照射（> 10 ²⁰ワット/cm ²）は、原子核融合温度を大幅に（約 10 倍）下げ、反応速度を大幅に（10 ³～ 10 ⁹倍）上昇させることができる。そのメカニズムは、波長の長い近赤外線レーザーは、多光子相互作用によって核量子トンネル確率を高めることにより、通常原子核融合を妨げるクーロン障壁を克服するのに、波長の短いレーザーよりも効率的であるということである。これは、ほとんどの核融合反応と装置を補助するために使用できる可能性がある。^{[ 51 ] [ 52 ]}

これらの方法は、単独で使用した場合、核融合によって供給できる電力よりも本質的に多くの電力を消費する。

• フューザー：電場によってイオンを核融合条件まで加熱します。この装置は通常、真空中に陽極の内側に陰極を配置した2つの球形ケージを使用します。これらの装置は、伝導損失と放射損失が大きいため、正味の電力を得るための実行可能なアプローチとは考えられていません。 ^{[ 53 ]}アマチュアでも原子を核融合させるほど簡単に作ることができます。 ^{[ 54 ]}
• 衝突ビーム核融合：高エネルギー粒子のビームを別のビームまたはターゲットに照射すると、核融合が開始されます。これは、1970年代と1980年代に核融合反応の断面積を研究するために使用されました。 ^{[ 8 ]}しかし、ビームシステムは、ビームのコヒーレント性を維持するために核融合から得られるエネルギーよりも多くのエネルギーを必要とするため、発電には使用できません。

深層強化学習システムがトカマク型原子炉の制御に使用されている。^{[ 56 ]}このシステムは、磁気コイルを操作してプラズマを制御することができた。システムは、適切な動作を維持するために継続的に調整することができた（ステップベースのシステムよりも複雑）。2014年、Googleはカリフォルニア州に拠点を置く核融合企業TAE Technologiesと協力し、 Joint European Torus （JET）を制御してプラズマの挙動を予測し始めた。^{[ 57 ]} DeepMindもTCVで制御スキームを開発した。^{[ 57 ]}プリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）とプリンストン大学 の研究者は、人工知能を使用してトカマク内のプラズマを制御することで大きな進歩を遂げ、2つのトカマク（ DIII-DとKSTAR）で有害なエッジエネルギーバースト（エッジ局在モードとして知られている）なしで高い閉じ込めを実現した。^{[ 58 ]}プリンストン大学とPPPLの同じ研究者の一部に加え、中央大学、コロンビア大学、ソウル大学の研究者も参加した国際共同研究により、Diag2Diagと呼ばれる新しいAIシステムが開発されました。このシステムは、核融合システムの欠落したセンサーデータを補完し、実際のセンサーが提供できるよりも詳細な情報を提供します。Diag2Diagの研究から収集されたデータは、プラズマディスラプションの制御に関する主要な理論に対する新たな裏付けも提供しました。^{[ 59 ] [ 60 ]}

• 静電加熱：電場は荷電イオンや電子に仕事をして、それらを加熱することができる。 ^{[ 61 ]}
• 中性ビーム入射：水素は電離され、電場によって加速されて荷電ビームを形成し、中性水素ガス源を通してプラズマに向かって照射されます。プラズマ自体も電離され、磁場によって閉じ込められています。中間水素ガスの一部は、中性のまま荷電ビームとの衝突によってプラズマに向かって加速されます。この中性ビームは磁場の影響を受けず、プラズマに到達します。プラズマ内部に入ると、中性ビームは衝突によってプラズマにエネルギーを伝達し、プラズマを電離させて磁場によって閉じ込めます。これにより、原子炉の加熱と燃料補給が一度に行われます。荷電ビームの残りは、磁場によって冷却されたビームダンプに偏向されます。中性ビーム加熱は、 1975年から1986年にかけてPLTで広く使用されました。達成されたピークイオン温度は世界記録となり、7500万Kに達し、実用的な核融合装置に必要な最低温度をはるかに超えています。^{[ 62 ]}
• 高周波加熱：電波によってプラズマが振動する（例：電子レンジ）。これは、例えばジャイロトロンを用いた電子サイクロトロン共鳴加熱、または誘電加熱とも呼ばれる。^{[ 63 ]}
• 磁気リコネクション：プラズマが高密度になると、その電磁特性が変化し、磁気リコネクションが発生することがあります。リコネクションは、プラズマに瞬時にエネルギーを放出し、プラズマを急速に加熱するため、核融合に役立ちます。磁場エネルギーの最大45%がイオンを加熱することができます。^{[ 64 ] [ 65 ]}
• 磁気振動：磁気壁内に閉じ込められたプラズマを加熱する磁気コイルに、変化する電流を供給することができる。^{[ 66 ]}
• 反陽子消滅：核融合燃料の塊に反陽子を注入すると、熱核反応が誘発される。反物質触媒核パルス推進として知られるこの宇宙船推進方式の可能性は、ペンシルベニア州立大学で提案されたAIMStarプロジェクトに関連して研究された。

核融合科学炉の診断は非常に複雑で多岐にわたります。^{[ 67 ]}核融合発電炉に必要な診断は多岐にわたりますが、商業化の頃には多くのリアルタイムフィードバックおよび制御診断が完成しているため、科学炉の診断ほど複雑ではありません。ただし、商業用核融合炉の運転環境は、連続運転ではより高いプラズマ温度とより高いレベルの中性子照射を伴う可能性があるため、科学炉よりも診断システムにとって過酷です。提案されている多くのアプローチでは、商業化には、例えばヘリウムや不純物などのダイバータガスを測定および分離し、例えばトリチウム増殖液体リチウムライナーの状態などの燃料増殖を監視する追加機能が必要になります。^{[ 68 ]}以下はいくつかの基本的な技術です。

• 磁束ループ：ワイヤーのループを磁場に挿入します。磁場がループを通過すると、電流が発生します。この電流は、ループを通過する全磁束を測定します。これは、国立コンパクトステラレータ実験^{[ 69 ]}、ポリウェル[ ^{70 ] 、}およびLDXマシンで使用されています。プラズマ中に配置された金属物体であるラングミュアプローブを使用することもできます。これに電位を印加すると、周囲のプラズマに対して電圧が発生します。金属は荷電粒子を集め、電流を引き込みます。電圧が変化すると、電流も変化します。これにより、IV曲線が作成されます。IV曲線を使用して、局所的なプラズマ密度、電位、および温度を決定できます。^{[ 71 ]}
• トムソン散乱: プラズマからの「光散乱」を利用して、密度や温度などのプラズマの挙動を再構築することができます。慣性閉じ込め核融合^{[ 72 ]} 、トカマク^{[ 73 ]}、フューザーでよく用いられます。ICF システムでは、ターゲットに隣接する金箔に 2 番目のビームを照射することで、プラズマを通過する X 線が生成されます。トカマクでは、ミラーと検出器を使用して光を反射することでこれを実現できます。
• 中性子検出器：いくつかの種類の中性子検出器は、中性子が生成される速度を記録できます。^{[ 74 ] [ 75 ]}
• X線検出器可視光線、赤外線、紫外線、およびX線は、粒子が速度を変えるたびに放出されます。^{[ 76 ]}原因が磁場による偏向の場合、低速ではサイクロトロン放射、高速ではシンクロトロン放射となります。原因が別の粒子による偏向の場合、プラズマは制動放射として知られるX線を放射します。^{[ 77 ]}

中性子ブランケットは中性子を吸収し、それによってブランケットが加熱されます。ブランケットから電力を取り出す方法はいくつかあります。

• 蒸気タービンは、作動流体に伝達された熱によって蒸気に変化し、発電機を駆動することができる。 ^{[ 78 ]}
• 中性子ブランケット：これらの中性子は使用済み核分裂燃料を再生することができます。^{[ 79 ]}トリチウムは、液体リチウムの増殖ブランケットまたはリチウム含有セラミック小石で作られたヘリウム冷却小石ベッドを使用して生成できます。^{[ 80 ]}
• 直接エネルギー変換：粒子の運動エネルギーを電圧に変換することができる。^{[ 24 ]}これは、1960年代後半にリチャード・F・ポストが磁気ミラーと組み合わせて初めて提案した。磁場反転構成や高密度プラズマフォーカス装置に提案されている。このプロセスでは、核融合生成物のランダムなエネルギーの大部分を方向性のある運動に変換する。その後、粒子はさまざまな大きな電位の電極上に収集される。この方法は、実験的に48パーセントの効率を実証している。^{[ 81 ]}
• 進行波管は、核融合反応直後の数メガボルトの高電圧で帯電したヘリウム原子を、外側にコイル状の導線が巻かれた管の中を通過させる。この高電圧で通過する電荷が導線を通して電流を引き込む。

閉じ込めとは、プラズマを核融合を起こすのに十分な時間、高密度かつ高温に保つために必要なすべての条件を指します。一般原則：

• 平衡状態：プラズマに作用する力は釣り合っていなければならない。ただし、慣性閉じ込めの場合、核融合反応はプラズマの拡散時間よりも速く起こらなければならない。
• 安定性：プラズマは、外乱によってプラズマが拡散しないように構築されなければならない。
• 輸送または伝導：物質の損失は十分に遅くなければならない。^{[ 9 ]}プラズマはエネルギーを運び去るため、物質の急速な損失は核融合を阻害する。物質は、異なる領域への輸送または固体や液体を通じた伝導によって失われる可能性がある。

自己持続的な核融合を実現するには、反応によって放出されるエネルギーの一部を、新たな反応物を加熱し、核融合に必要な条件を維持するために利用する必要がある。

最も簡単な核反応は、最も低いエネルギーで起こるD+T反応である。

² ₁ D+ ³ ₁ T→ ⁴ ₂ He(3.5 MeV) + ¹ ₀ n(14.1 MeV)

この反応は、研究、産業、軍事用途で一般的に用いられ、通常は中性子源として利用されます。重水素は天然に存在する水素の同位体であり、容易に入手可能です。水素同位体の質量比が大きいため、ウラン濃縮プロセスに比べて分離が容易です。三重水素も天然の水素同位体ですが、半減期が12.32年と短いため、発見、貯蔵、生産が困難で、高価です。したがって、重水素-三重水素燃料サイクルでは、以下のいずれかの反応を用いてリチウムから三重水素を生成する必要があります。

¹ ₀ n+ ⁶ ₃ Li→ ³ ₁ T+ ⁴ ₂ He

¹ ₀ n+ ⁷ ₃ Li→ ³ ₁ T+ ⁴ ₂ He+ ¹ ₀ n

反応中性子は、上記の D–T 核融合反応によって供給され、エネルギー収率が最も高い反応です。⁶ Liとの反応は発熱反応であり、原子炉にわずかなエネルギー利得をもたらします。 ⁷ Liとの反応は吸熱反応ですが、中性子を消費しません。 中性子増倍反応は、他の元素による吸収によって失われた中性子を補充するために必要です。 中性子増倍材料の有力候補はベリリウムと鉛ですが、⁷ Li 反応は中性子数を高く維持するのに役立ちます。 天然リチウムは主に^{7 Li であり、 6} Liに比べてトリチウム生成断面積が小さいため、ほとんどの原子炉設計では濃縮⁶ Liを含む増殖ブランケットを使用します。

D-T核融合発電の一般的な欠点としては、以下のようなものが挙げられます。

• 中性子の供給は原子炉材料の中性子放射化をもたらす。 ^{[ 93 ] :242}
• 結果として生じるエネルギーの80%は中性子によって持ち去られるため、直接エネルギー変換の使用が制限される。^{[ 94 ]}
• トリチウムは放射性同位体である。原子炉からトリチウムが漏洩する可能性がある。一部の推定では、これは相当量の環境放射能放出につながるとされている。^{[ 95 ]}

商用D-T核融合炉で予想される中性子束は、核分裂発電炉の約100倍であり、材料設計上の問題を引き起こしている。JETでの一連のD-T試験の後、真空容器は十分に放射能を帯びていたため、試験後1年間は遠隔操作が必要であった。^{[ 96 ]}

実際の運転環境では、中性子はリチウムセラミックペブルまたは液体リチウムで構成された増殖ブランケット内のリチウムと反応し、トリチウムを生成します。中性子のエネルギーはリチウムに蓄積され、それが電気生成の動力源として利用されます。リチウムブランケットは、原子炉の外側部分を中性子束から保護します。最新の設計、特に先進的なトカマクでは、設計要素として原子炉炉心内部にリチウムが使用されています。プラズマはリチウムと直接相互作用するため、「リサイクリング」と呼ばれる問題が回避されます。この設計の利点は、リチウムトカマク実験で実証されました。

2つの重水素原子核を融合させる反応は、2番目に簡単な核融合反応である。この反応には、ほぼ等しい確率で起こる2つの分岐がある。

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₁ T+ ¹ ₁ H

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₂ He+ ¹ ₀ n

この反応は研究においてもよく見られる。この反応を開始するための最適エネルギーは15  keVで、D–T反応の場合よりわずかに高いだけである。最初の分岐ではトリチウムが生成されるため、D–D反応炉はトリチウムやリチウムの投入を必要としないにもかかわらず、トリチウムフリーではない。トリトンを速やかに除去しない限り、生成されたトリチウムの大部分は原子炉内で燃焼され、トリチウムの取り扱いは軽減されるが、より多くの、そしてより高エネルギーの中性子が生成されるという欠点がある。D–D反応の2番目の分岐からの中性子のエネルギーはわずか2.45 MeV (0.393 pJ)であるのに対し、D–T反応からの中性子のエネルギーは14.1 MeV (2.26 pJ)であり、結果として同位体生成量と物質損傷が大きくなる。3He^が反応する間にトリトンを速やかに除去する場合、燃料サイクルは「トリチウム抑制核融合」と呼ばれる。^{[ 97 ]}除去されたトリチウムは半減期12.32年で3Heに崩壊する。3He崩壊生成物を原子炉にリサイクルすることで^、核融合炉は高速中性子に耐性のある材料を必要としない。    

トリチウムの完全除去と^{3He の}リサイクルを仮定すると、核融合エネルギーのわずか 6% しか中性子によって運ばれません。トリチウム抑制型 D–D 核融合では、D–T と比較して 10 倍長いエネルギー閉じ込めと 2 倍のプラズマ温度が必要です。^{[ 98 ]}

制御核融合発電の第2世代アプローチは、ヘリウム3（^3He）と重水素（^2H）を組み合わせることを含む。

² ₁ D+ ³ ₂ He→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₁ H

この反応では⁴ He と高エネルギー陽子が生成されます。p- ¹¹ B中性子なし核融合燃料サイクルと同様に、反応エネルギーの大部分は荷電粒子として放出されるため、原子炉ハウジングの放射化が軽減され、より効率的なエネルギー回収（複数の経路のいずれかによる）が可能になる可能性があります。^{[ 99 ]}実際には、D-D 副反応によってかなりの数の中性子が生成されるため、中性子なし核融合には p- ¹¹ B サイクルが好ましいものとなります。^{[ 99 ]}

中性子を含まない核融合は、物質科学上の問題と核不拡散上の懸念の両方を大幅に軽減します。理論的には、最も反応性の高い中性子を含まない燃料は^³Heです。しかし、^³Heを十分な量入手するには、月面、天王星、または土星の大気圏で大規模な地球外採掘を行う必要があります。したがって、このような核融合に最も有望な候補燃料は、容易に入手可能なプロチウム（すなわち陽子）とホウ素の核融合です。これらの核融合では中性子は放出されませんが、エネルギーを直接電力に変換できる高エネルギーの荷電アルファ（ヘリウム）粒子が生成されます。

¹ ₁ H+ ¹¹ ₅ B→ 3 ⁴ ₂ He

副反応では、出力の約 0.1% しか運ばない中性子が生成される可能性が高く、^{[ 100 ] :177–182}これは、中性子散乱がエネルギー伝達に使用されず、物質の活性化が数千分の 1 に減少することを意味します。この反応の最適温度は 123 keV ^{[ 101 ]}で、純粋な水素反応の最適温度の 10 倍近く高く、エネルギー閉じ込めは D–T 反応に必要な温度の 500 倍優れている必要があります。さらに、出力密度は D–T の 2500 分の 1 ですが、燃料の単位質量あたりでは、核分裂炉と比較すると依然としてかなり高くなっています。

トカマクとレーザーペレット核融合の閉じ込め特性は限界的であるため、中性子核融合の提案のほとんどは、ポリウェルや高密度プラズマフォーカスなど、根本的に異なる閉じ込め概念に基づいています。2013年、エコール・ポリテクニークのクリスティン・ラボーヌ率いる研究チームは、陽子-ホウ素核融合の新しい核融合率記録を報告しました。1.5ナノ秒のレーザー照射中に推定8000万回の核融合反応が発生し、これは以前の実験で報告された値の100倍です。^{[ 102 ] [ 103 ]}

磁場に埋め込まれたプラズマ（磁化プラズマとして知られる）では、核融合率は磁場強度の4乗に比例します。このため、プラズマの制御に磁場を利用する多くの核融合企業は、高温超伝導装置の開発に取り組んでいます。2021年、ロシアと日本の合弁会社であるSuperOxは、核融合炉用の超伝導YBCO線を製造するための新しい製造プロセスを開発しました。この新しい線は、1平方ミリメートルあたり700～2000アンペアの電流を流すことが実証されました。同社は9か月で186マイルの線を製造することができました。^{[ 112 ]}

小規模な生産規模であっても、封じ込め装置は物質とエネルギーの猛威にさらされる。プラズマ封じ込めの設計においては、以下の点を考慮する必要がある。

•  最大10MW/m²^の熱負荷に対応する暖房および冷房サイクル。
• 中性子放射線は、時間の経過とともに中性子放射化と脆化を引き起こします。
• 数十から数百電子ボルトの高エネルギーを持つイオンが放出される。
• アルファ粒子は数百万電子ボルトのエネルギーで放出される。
• 電子は高エネルギー状態で放出される。
• 光放射（赤外線、可視光線、紫外線、X線）。

アプローチによっては、これらの効果は核分裂炉よりも高くなる場合も低くなる場合もある。^{[ 113 ]}アプローチによっては、電気伝導率、透磁率、機械的強度などの他の考慮事項も重要となる。材料は長寿命放射性廃棄物にならないようにしなければならない。^{[ 104 ]}

長期使用の場合、壁の各原子は、材料が交換されるまでに約 100 回中性子に衝突され、変位すると予想されます。壁の原子とのこれらの高エネルギー中性子の衝突により、中性子が吸収され、原子の不安定な同位体が形成されます。同位体が崩壊すると、アルファ粒子、陽子、またはガンマ線を放出する可能性があります。アルファ粒子は、電子を捕獲して安定化すると、ヘリウム原子を形成し、粒界に蓄積して、材料の膨張、膨れ、または脆化を引き起こす可能性があります。^{[ 113 ] [ 114 ]}

タングステンは、その独自の特性と改良の可能性から、次世代核融合装置のプラズマ対向部品に最適な材料として広く認識されています。スパッタリング率が低く融点が高いため、核融合炉の高ストレス環境に特に適しており、急速な劣化を起こさずに過酷な条件に耐えることができます。さらに、共蒸着や注入によるトリチウムの保持率が低いことは、この放射性同位体の蓄積を最小限に抑えるのに役立つため、核融合の文脈では不可欠です。^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]}

液体金属（リチウム、ガリウム、スズ）を用いる方法が提案されており、例えば、 厚さ1～5mmの液体を10m  /sの速度で固体基板上に注入する方法などが挙げられる。

グラファイトは、物理的および化学的スパッタリングにより年間数メートルにも及ぶ大きな侵食速度を示すため、スパッタリングされた材料の再堆積が必要となる。再堆積場所は一般的にスパッタリング場所と完全に一致しないため、許容できないほどの正味の侵食が生じる可能性がある。さらに大きな問題は、再堆積したグラファイトとともにトリチウムが再堆積することである。壁やダスト中のトリチウムの蓄積量は数キログラムに達する可能性があり、資源の浪費と事故発生時の放射線危険につながる。グラファイトは短寿命実験の材料として好まれてきたが、商用原子炉の主要プラズマ対向材料（PFM）になる可能性は低いと思われる。^{[ 104 ] [ 119 ]}

炭化ケイ素（SiC）などのセラミック材料は、グラファイトと同様の問題を抱えています。炭化ケイ素プラズマ対向部品におけるトリチウムの保持量はグラファイトの約1.5～2倍であり、核融合炉における燃料効率の低下と安全リスクの増大につながります。SiCはより多くのトリチウムを捕捉する傾向があり、核融合に利用できるトリチウムを制限し、危険な蓄積のリスクを高め、トリチウム管理を複雑化させます。^{[ 120 ] [ 121 ]}さらに、SiCの化学的および物理的スパッタリングは依然として大きく、時間経過および粒子フルエンスの増加に伴う共析によってトリチウムの蓄積に寄与します。その結果、炭素系材料はITER、DEMO、および同様の装置から除外されています。^{[ 122 ]}

タングステンのスパッタリング率は炭素のそれよりも桁違いに小さく、再堆積したタングステンへのトリチウムの取り込みもはるかに少ない。しかし、タングステンプラズマ不純物は炭素不純物よりもはるかに有害であり、自己スパッタリングが大きくなる可能性があるため、タングステンと接触するプラズマの温度が高すぎないようにする必要がある（数百eVではなく数十eV程度）。タングステンには、異常なイベントにおける渦電流や溶融に関する問題、およびいくつかの放射線問題もある。^{[ 104 ]}

封じ込め装置材料の最近の進歩により、特定のセラミックスが実際に封じ込め装置材料の寿命を向上させることができることがわかっています。チタンシリコンカーバイドなどのMAX相に関する研究では、核融合の高い動作温度下で、材料はヘリウム気泡の成長によって六方晶構造から面心立方（FCC）構造への相転移を起こすことが示されています。ヘリウム原子は、Si原子がTi-Cスラブよりも移動性が高いため、六方晶構造のSi層に優先的に蓄積されます。より多くの原子が捕捉されると、Ti-Cスラブが剥がれ落ち、Si原子が新しいFCC構造内の移動性の高い格子間原子になります。He気泡によって誘発される格子歪みにより、Si原子は圧縮領域から拡散し、通常は材料の表面に向かって拡散し、保護的な二酸化ケイ素層を形成します。^{[ 123 ]}

核融合炉の格納容器材料を強化する有望なアプローチとして、ケイ酸鉄を容器材料に添加する方法も登場している。この方法は、ヘリウム原子が蓄積して気泡を形成する際に発生する一般的な問題である、粒界でのヘリウム脆化を標的としている。時間の経過とともに、これらの気泡は粒界で合体し、膨張して材料の構造的完全性を低下させる。対照的に、ケイ酸鉄を導入すると、金属マトリックス内にヘリウム凝集に対して熱力学的に有利な核生成サイトが作られる。ケイ酸鉄ナノ粒子の周囲に局所的に集積することで、粒界を弱めるのではなくマトリックスの歪みが生じ、材料の強度と寿命が維持される。^{[ 124 ] [ 125 ]}

事故の可能性と環境への影響は、社会的ライセンスとも呼ばれる核融合の社会的受容にとって極めて重要である。^{[ 126 ]}核融合炉は壊滅的なメルトダウンの影響を受けない。^{[ 127 ]}正味エネルギーを生成するには、温度、圧力、磁場パラメータを正確かつ制御する必要があり、必要な制御が損なわれたり失われたりすると、反応は急速に停止する。^{[ 128 ]}核融合炉は、常に数秒または数マイクロ秒分の燃料で稼働している。能動的な燃料補給がなければ、反応はすぐに停止する。^{[ 127 ]}

同様の制約により、暴走反応は防止されます。プラズマの体積は1,000 m ³ (35,000 ft ³ )以上になると予想されますが、プラズマに含まれる燃料は通常わずか数グラムです。^{[ 127 ]}これに対し、核分裂炉には通常、数ヶ月から数年分の燃料が装填されており、反応を継続するために追加の燃料は必要ありません。この大量の燃料供給が、メルトダウンの可能性を生み出します。^{[ 129 ]}  

磁気閉じ込め方式では、原子炉構造によって機械的に固定されたコイル内に強力な磁場が発生します。この構造が破損すると、この張力が解放され、磁石が外側へ「爆発」する可能性があります。この事象の深刻度は、他の産業事故やMRI装置のクエンチ／爆発と同程度であり、核分裂炉で使用されるものと同様の格納容器内に効果的に封じ込めることができます。

レーザー駆動慣性格納容器では、反応室のサイズが大きいほど材料にかかるストレスが軽減される。反応室の破損は起こり得るが、燃料供給を停止することで壊滅的な破損を防ぐことができる。^{[ 130 ]}

磁石クエンチとは、超伝導コイルの一部が超伝導状態から離脱（常伝導状態に戻る）した際に発生する、磁石動作の異常な終了現象です。これは、磁石内部の磁場が強すぎる場合、磁場の変化率が大きすぎる場合（渦電流が発生し、銅製の支持マトリックスが発熱する）、またはその両方の組み合わせによって発生する可能性があります。

まれに、磁石の欠陥が原因でクエンチが発生することがあります。この場合、その箇所は電流によるジュール熱を急速に受け、周囲の温度が上昇します。これにより、周囲の領域も正常状態に戻り、連鎖反応でさらに加熱が進みます。超伝導コイルのサイズにもよりますが、磁石全体が数秒以内に急速に正常状態に戻ります。このとき、磁場のエネルギーが熱に変換され、極低温流体が沸騰するため、大きな爆発音が伴います。電流の急激な減少により、キロボルト級の誘導電圧スパイクやアーク放電が発生することがあります。磁石自体に永久的な損傷が生じる可能性は低いですが、局所的な加熱、高電圧、または大きな機械的力によって部品が損傷する可能性があります。

実際には、磁石には通常、クエンチが検出された際に電流を停止または制限する安全装置が備えられています。大型磁石がクエンチを起こすと、蒸発する極低温流体によって生成される不活性蒸気が呼吸可能な空気を押し出し、作業員に重大な窒息の危険をもたらす可能性があります。

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の超伝導磁石の大部分が、2008年の起動運転中に予期せずクエンチを起こし、複数の磁石が破壊された。^{[ 131 ]}再発防止のため、LHCの超伝導磁石には、クエンチイベントが検出されると作動する高速昇温ヒーターが装備されている。双極子曲げ磁石は直列に接続されている。各電力回路には154個の個別の磁石が含まれており、クエンチイベントが発生した場合、これらの磁石に蓄積されたエネルギー全体を一度に放出する必要がある。このエネルギーは、抵抗加熱により数秒で数百℃まで加熱される巨大な金属ブロックに伝達される。磁石のクエンチは、粒子加速器の運転中に「かなり日常的なイベント」である。^{[ 132 ]}

核融合反応の自然生成物は少量のヘリウムであり、これは生命にとって無害である。一方、有害なトリチウムは完全に除去することが難しい。

トリチウムは揮発性で生物学的に活性ですが、トリチウムの半減期が短い（12.32年）ことと崩壊エネルギーが非常に低い（約14.95 keV）こと、そして生体蓄積 しないこと（体内で水として循環し、生物学的半減期は7～14日）から、放出による健康リスクはほとんどの放射性汚染物質よりもはるかに低いです。^{[ 133 ]} ITERにはトリチウム用の完全封じ込め施設が組み込まれています。^{[ 134 ]}

計算によると、一般的な原子力発電所には約1キログラム（2.2ポンド）のトリチウムやその他の放射性ガスが存在すると推定される。その量は、発電所の外周フェンスに到達するまでに法的に許容される限度まで希釈されるほど小さい。^{[ 135 ]} 

局所的な放射性物質の放出や従業員の負傷を含む小規模な産業事故の可能性は、核分裂に比べると小さいと推定されている。これには、リチウムやトリチウムの偶発的な放出、放射性原子炉部品の取り扱いミスなどが含まれる。^{[ 130 ]}

核融合炉は、核分裂炉よりもはるかに少ない放射性物質を生成します。さらに、生成される物質は生物学的に有害性が低く、放射能は安全な長期廃棄物貯蔵のための既存の工学的能力の範囲内で十分に消散します。^{[ 136 ]}具体的には、無中性子核融合の場合を除いて、^{[ 137 ] [ 138 ]}中性子束が構造材料を放射性にします。停止時の放射性物質の量は、重要な違いはあるものの、核分裂炉と同程度になる可能性があります。核融合および中性子活性化放射性同位体の半減期は、核分裂によるものよりも短い傾向があるため、危険性はより急速に減少します。核分裂炉は数千年にわたって放射能を帯びた廃棄物を生成するのに対し、核融合炉の放射性物質（トリチウムを除く）は炉心そのものであり、その大部分は約 50 年間放射能を帯び、その他の低レベル廃棄物はその後さらに 100 年ほど放射能を帯びる。^{[ 139 ]}核融合廃棄物の半減期が短いため、長期保管の課題は解消される。500 年後には、その物質の放射能毒性レベルは石炭灰と同じになる。^{[ 135 ]} それにもかかわらず、低レベル廃棄物ではなく中レベル廃棄物として分類すると、安全性の議論が複雑になる可能性がある。^{[ 140 ] [ 136 ]}

材料の選択は、特定の中性子断面積のために多くの材料が必要となる従来の核分裂よりも制約が少ない。核融合炉は、放射性になりにくい「低放射化」材料を使用して設計できる。例えば、バナジウムはステンレス鋼よりもはるかに放射性が低くなる。^{[ 141 ]}炭素繊維材料も低放射化であり、強度と軽量性を兼ね備えており、磁場を必要としないレーザー慣性炉に有望である。^{[ 142 ]}

核融合発電では一般的に重水素を燃料として使用することが提案されており、現在の多くの設計ではリチウムも使用されています。核融合エネルギー出力が1995年の世界の電力出力である約100 E J/年（= 1 × 10 ²⁰ J/年）に等しく、将来的に増加しないと仮定すると（これはありそうにありません）、既知の現在のリチウム埋蔵量は3000年持続します。一方、海水からのリチウムは6000万年持続し、重水素のみを使用するより複雑な核融合プロセスを利用すると、1500億年分の燃料を供給できます。^{[ 143 ]}

欧州連合は1990年代を通じて約100億ユーロを費やした。 ^{[ 147 ]} ITERは200億ドルを超える投資であり、現物拠出を含めるとさらに数百億ドルになる可能性がある。^{[ 148 ] [ 149 ]}欧州連合の第6次フレームワークプログラムの下では、核融合研究は（ITER資金に加えて）7億5000万ユーロを受け取ったが、持続可能なエネルギー研究には8億1000万ユーロが割り当てられた^{[ 150 ]}ため、核融合発電の研究は、競合するどの単一技術よりもはるかに先行している。米国エネルギー省は2010年以降毎年3億6700万ドルから6億7100万ドルを割り当てており、2020年にピークに達したが^{[ 151 ]} 、 2021会計年度予算要求では投資を4億2500万ドルに削減する計画である^{[ 152 ]} 。この予算の約4分の1はITERの支援に充てられている。

投資規模と期間から、核融合研究は従来、ほぼ公的資金のみで行われてきた。しかし、2010年代に入ると、パラダイムを変える低炭素エネルギー源を商業化するという約束が、多くの企業や投資家を引き付け始めた。^{[ 153 ]} 2000年から2020年頃（主に2015年以降）に20社以上のスタートアップ企業が10億ドル以上を集め、2021年にはさらに30億ドルの資金とマイルストーン関連のコミットメントを獲得した。^{[ 154 ] [ 155 ]}投資家には、ジェフ・ベゾス、ピーター・ティール、ビル・ゲイツのほか、リーガル＆ジェネラルなどの機関投資家、エクイノール、Eni、シェブロンなどのエネルギー企業、^{[ 156 ]}および中国のENNグループなどが含まれる。^{[ 68 ] [ 157 ] [ 138 ]} 2021年、Commonwealth Fusion Systems (CFS) は18億ドルの規模拡大資金を獲得し、Helion Energy は5億ドルを獲得し、さらにマイルストーン達成に応じて17億ドルを獲得した。^{[ 158 ]}

2000年代から2010年代初頭にかけて開発されたシナリオでは、核融合発電の商業化が人類文明の未来に及ぼす影響について議論されました。^{[ 159 ]}核分裂を指針として、これらのシナリオでは、ITER、そして後にDEMOが2050年頃に最初の商用原子炉を稼働させ、今世紀半ば以降に急速に拡大すると予測されました。^{[ 159 ]}一部のシナリオでは、「核融合原子力科学施設」がITERを超えるステップとして強調されました。^{[ 160 ] [ 161 ]}しかし、トカマク型核融合発電に対する経済的障害は依然として大きく、プロトタイプのトカマク型原子炉への投資^{[ 162 ]}や新しいサプライチェーンの開発^{[ 163 ]}が必要であり、これはあらゆる種類の核融合原子炉に影響を与える問題です。^{[ 164 ]}トカマク設計は労働集約的であるように見えますが^{[ 165 ]}、慣性核融合エネルギーなどの代替手段の商業化リスクは、政府資源の不足により高くなっています。^{[ 166 ]}

2010 年以降のシナリオでは、コンピューティングと材料科学の進歩により、さまざまな技術経路に沿った多段階の国家または費用分担型の「核融合パイロットプラント」（FPP）が可能になると指摘されています。 ^{[ 167 ] [ 161 ] [ 168 ] [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]}例えば、2030 ～ 2040 年の間に英国の球形トカマク型エネルギー生産装置などが挙げられます。 ^{[ 172 ] [ 173 ] [ 174 ]}特に、2021 年 6 月には、ゼネラル フュージョン社が、カルハム核融合エネルギーセンターに世界初の本格的な官民パートナーシップによる核融合実証プラントを誘致するという英国政府の申し出を受け入れると発表しました。^{[ 175 ]}このプラントは 2022 年～ 2025 年にかけて建設され、2020 年代後半の商業パイロットプラントの先駆けとなることが意図されています。このプラントはフルスケールの70%で、1億5000万度の安定したプラズマを達成すると予想されています。^{[ 176 ]}さらに、英国の計画には、レトフォード近郊の開発サイトが含まれています。^{[ 177 ]}米国では、官民パートナーシップによる費用分担型のFPPが実現する可能性が高いようです。^{[ 178 ]}また、2022年にDOEは、商業用核融合エネルギーに関する大胆な10年ビジョンの中心となるマイルストーンベースの核融合開発プログラムを発表しました。^{[ 179 ]}このプログラムでは、民間セクター主導のチームがFPPの概念設計前段階を提供し、技術ロードマップを定義し、FPP設計に向けた重要な科学的および技術的問題を解決するために必要な研究開発を追求することを想定しています。^{[ 180 ]}このような実証プラントに基づく小型原子炉技術は、早期に市場が見つかれば、2030年代からフリート方式による商業化を可能にするかもしれません。 ^{[ 181 ] [ 174 ]}

非原子力再生可能エネルギーの普及により、エネルギー情勢は一変した。こうした再生可能エネルギーは、2050年までに世界のエネルギーの74%を供給すると予測されている。^{[ 182 ]}再生可能エネルギー価格の着実な下落は、核融合発電の経済的競争力に課題を突きつけている。^{[ 140 ]}

一部の経済学者は、核融合発電が他の再生可能エネルギーのコストに匹敵する可能性は低いと示唆している。 ^{[ 140 ]}核融合発電所は、多額の初期費用と設備投資に直面すると予想されている。さらに、運転と保守にも費用がかかる可能性が高い。^{[ 140 ]}中国核融合工学試験炉のコストはよく知られていないが、EU DEMO核融合コンセプトでは、均等化発電原価（LCOE）が121ドル/MWhになると予測されている。^{[ 184 ]}

燃料費は低いが、経済学者によると、1ギガワット発電所のエネルギーコストは、建設への設備投資が10億ドル増加するごとに1MWhあたり16.5ドル増加すると予測されている。また、容易に入手できるリチウムが電池の製造に消費されるリスクもある。海水からリチウムを得るには莫大な費用がかかり、発電されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になる可能性がある。^{[ 140 ]}

対照的に、再生可能エネルギーの均等化発電コストの推定値は大幅に低い。例えば、2019年の太陽光発電の均等化発電コストは40～46ドル/MWh、陸上風力発電は29～56ドル/MWh、洋上風力発電は約92ドル/MWhと推定されている。^{[ 185 ]}

しかし、エネルギーと環境正義に関する行政の優先事項が市場にどのように影響するかによって、核融合発電は再生可能エネルギーによって生じたエネルギーギャップを埋める役割を果たす可能性がある。 ^{[ 174 ] [ 140 ]} 2020年代には、これらの要因を考慮し始めた核融合の社会経済学的研究が登場し、^{[ 186 ] 2022年にEUROFusionは、そのような要因が商業化}の経路とスケジュールにどのように影響するかを調査するために、社会経済学的研究と将来的な研究開発の分野を立ち上げた。^{[ 187 ]}同様に、2023年4月には、日本は核融合の産業化に関する国家戦略を発表した。^{[ 188 ]}したがって、核融合発電は主要なエネルギー源になるのではなく、他の再生可能エネルギー源と連携して機能する可能性がある。^{[ 140 ]}一部の用途では、統合された熱貯蔵とコジェネレーションを含め、石炭火力発電所の改修の可能性を考慮すると、核融合発電はベースロードを提供できる可能性がある。^{[ 174 ] [ 140 ]}

重水素-三重水素核融合では、副産物としてヘリウム4が生成される。^{[ 235 ]}

制御された熱核融合を初めて実現した装置は、1958年初頭にロスアラモス国立研究所のピンチマシン「シラI」でした。この実験を成功させたチームは、ジェームズ・タックというイギリス人科学者が率いており、若き日のマーシャル・ローゼンブルースも参加していました。タックはマンハッタン計画に関わっていましたが、1950年代初頭に核融合の研究に転向しました。彼はライマン・スピッツァーと共に、ホワイトハウスが後援する核融合炉開発コンテストの一環として、このプロジェクトの資金を申請しました。前年の1957年、イギリスはゼータ・ピンチマシンで熱核融合反応を実現したと主張していました。しかし、検出された中性子は核融合ではなくビームと標的の相互作用によるものであることが判明し、彼らはその主張を撤回しました。CERNが後援する制御熱核融合の研究グループは1958年から1964年まで活動していた。CERNがプラズマ物理学への限定的な支援を中止したことが明らかになったため、このグループは解散した。^{[ 238 ]}

当時、Scylla I は機密扱いの装置だったため、その成果は一般には知られていなかった。従来のZ ピンチでは、プラズマの中心に電流を流し、その電流がプラズマの周囲に磁力を発生させ、プラズマを核融合条件まで圧縮する。Scylla I はθ ピンチであり、重水素を使用して円筒の周囲に電流を流し、中心に磁力を発生させた。^{[ 36 ] [ 37 ]} Scylla I の成功後、ロスアラモス研究所はその後数年間で複数のピンチ装置を建造した。

スピッツァーはプリンストンでステラレーターの研究を続けた。核融合はすぐには実現しなかったが、この取り組みはプリンストン・プラズマ物理研究所の設立につながった。^{[ 239 ] [ 240 ]}

1950年代初頭、ソ連の物理学者I.E.タムとA.D.サハロフは、低出力ピンチ装置と低出力ステラレータを組み合わせたトカマクの概念を開発した。^{[ 205 ]} A.D.サハロフのグループは最初のトカマクを建設し、最初の準定常核融合反応を実現した。^{[ 241 ] :90}

時が経つにつれ、「先進トカマク」の概念が生まれ、これには非円形プラズマ、内部ダイバータとリミッタ、超伝導磁石、安定性が向上した「Hモード」アイランドでの運転^{[ 242 ]}、真空チャンバー内部に磁石を配置したコンパクトトカマク^{[ 243 ] [ 244 ]などが含まれていた。}

シヴァ計画から再利用されたノヴェット標的チャンバー（診断装置が放射状に突き出た金属球）と、背景に写っている2つの新設レーザーチェーン

1980年代にノヴァレーザーで行われた慣性閉じ込め核融合の爆縮実験は、核融合開発の重要な推進力となった。

シヴァレーザー（1977年建造）は、70年代に建造された最大のICFレーザーシステムである。

1979年のタンデムミラー実験（TMX）

レーザー核融合は、1960年のレーザーの発明直後の1962年にローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者によって提唱された。レーザーを用いた慣性閉じ込め核融合実験は、早くも1965年に始まった。LLNLでは、アルゴス、サイクロプス、ヤヌス、ロングパス、シヴァレーザー、ノヴァなど、いくつかのレーザーシステムが構築された。^{[ 245 ]}

レーザーの進歩には、赤外線レーザービームを紫外線ビームに変換する周波数3倍化結晶や、単一の波長を増幅して1つの周波数に再構成できる全スペクトルに変換する「チャープ」などがあった。^{[ 246 ]} 1980年代のレーザー研究には10億ドル以上が費やされた。^{[ 247 ]}

PLT 、TFTR、Tore Supra、JET、T-15、JT-60トカマクは1980年代に建設され、運用された。 ^{[ 248 ] [ 249 ] [ 250 ]} 1984年、ORNLのマーティン・ペンは、半径がはるかに小さい球形トカマクを提案した。 [ 251 ^]これは中心に1つの大きな導体を使用し、この導体から半円状に磁石を配置した。アスペクト比は1.2まで低下した。^{[ 252 ] :B247 [ 253 ] :225}ペンの提唱は、小型タイトアスペクト比トカマク（START）を建設したデレク・ロビンソンの関心を引いた。 ^{[ 252 ]}

1991年、欧州共同トーラスにおける予備トリチウム実験は、世界初の核融合エネルギーの制御放出を達成した。^{[ 254 ]}

1993年、TFTRは重水素と三重水素の混合を多量に用いた実験を行った最初のトカマクとなった。1994年には、これらの実験により、中性粒子ビーム加熱出力39.9MWで世界記録となる10.1MWの核融合出力を達成した。比率Qは0.26である。プラズマ中心部の比率Qは約0.8であった。^{[ 255 ]}

1996年、トーレ・スプラは、約100万アンペアの電流で2分間プラズマを生成し 、注入および抽出されたエネルギーの合計は280MJに達した。^{[ 256 ]}

1997年、JETは16.1MWの核融合出力のピーク （熱の65%がプラズマに変換^{[ 257 ]}）を達成し、10MWを超える核融合出力が0.5秒 以上持続した^{[ 258 ]。} 

「高速点火」^{[ 259 ] [ 260 ]}は電力を節約し、ICFをエネルギー生産競争に参入させた。

2006年、中国の実験用先進超伝導トカマク（EAST）試験炉が完成した。^{[ 261 ]}これは、トロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を生成するために超伝導磁石を使用した最初のトカマクであった。

2009年3月、レーザー駆動ICF NIFが稼働を開始した。^{[ 262 ]}

2000年代には、 TAE Technologies ^{[ 263 ]} 、General Fusion [ ^{264 ] [ 265 ]}、Tokamak Energy ^{[ 266 ]など、}民間の支援を受けた核融合企業が競争に参入した。

2010年代には民間と公共の研究が加速した。General Fusionはプラズマインジェクター技術を開発し、Tri Alpha EnergyはC-2Uデバイスのテストを行った。^{[ 267 ]}フランスのレーザーメガジュールが稼働を開始した。NIFは2013年に正味エネルギー利得を達成した^{[ 268 ]}。ただし、これはターゲット全体ではなく、崩壊したターゲットの中心にあるホットスポットという非常に限定的な意味で定義される。^{[ 269 ]}

2014年、フェニックス・ニュークリア・ラボは、24時間にわたって毎秒5× ^10¹¹回の重水素核融合反応を維持できる高出力中性子発生器を販売した。 ^{[ 270 ]}

2015年、MITはARC核融合炉と名付けたトカマクを発表し、希土類バリウム銅酸化物（REBCO）超伝導テープを使用して高磁場コイルを製造し、他の設計よりも小型の構成で同等の磁場強度を生成できると主張した。^{[ 271 ]}

10月、ドイツのグライフスヴァルトにあるマックス・プランク・プラズマ物理研究所の研究者らは、これまでで最大のステラレータであるヴェンデルシュタイン7-X（W7-X）の建設を完了した。W7-Xステラレータは、2015年12月10日に運用フェーズ1（OP1.1）を開始し、ヘリウムプラズマの生成に成功した。^{[ 272 ]}目的は、重要なシステムをテストし、装置の物理を理解することであった。2016年2月までに、水素プラズマが実現し、温度は最大1億ケルビンに達した。最初のテストでは、5つのグラファイトリミッターが使用された。2,000以上のパルスと重要なマイルストーンを達成した後、OP1.1は2016年3月10日に終了した。アップグレードが続き、2017年のOP1.2では、非冷却ダイバータのテストが目的とされた。2018年6月までに、記録的な温度が達成された。 W7-Xは、リミッターとアイランドダイバータのテストで最初のキャンペーンを終え、2018年末までに顕著な進歩を遂げた。^{[ 273 ] [ 274 ] [ 275 ]}すぐに最大30分間持続するヘリウムと水素のプラズマを生成した。^{[ 276 ]}

英国のトカマク・エナジー社のST40は「最初のプラズマ」を生成した。^{[ 277 ]}翌年、EniはMITのARC技術を商業化するために、コモンウェルス・フュージョン・システムズ社 に5000万ドルの投資を発表した。^{[ 278 ] [ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

2021年1月、SuperOxは700A/mm2を超える電流容量を持つ^新しい超電導線の商用化を発表した。^{[ 282 ]}

TAE Technologiesは、同社のNormanデバイスが約60MKの温度を 30ミリ秒間保持できたという結果を発表した。これは、同社の以前のデバイスと比較してそれぞれ8倍と10倍高い値である。^{[ 283 ]}

10月、オックスフォードを拠点とするFirst Light Fusionは、9メガアンペアの電気パルスで加速されたアルミニウムディスクを核融合ターゲットに発射し、秒速20キロメートル（12マイル/秒）の速度に達する発射型核融合プロジェクトを発表した。結果として生じる核融合は中性子を生成し、そのエネルギーは熱として捕捉される。^{[ 284 ]} 

On November 8, in an invited talk to the 63rd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics,^[285] the National Ignition Facility claimed^[286] to have triggered fusion ignition in the laboratory on August 8, 2021, for the first time in the 60+ year history of the ICF program.^[287][288] The shot yielded 1.3 MJ of fusion energy, an over 8X improvement on tests done in spring of 2021.^[286] NIF estimates that 230 kJ of energy reached the fuel capsule, which resulted in an almost 6-fold energy output from the capsule.^[286] A researcher from Imperial College London stated that the majority of the field agreed that ignition had been demonstrated.^[286]

In November 2021, Helion Energy reported receiving $500 million in Series E funding for its seventh-generation Polaris device, designed to demonstrate net electricity production, with an additional $1.7 billion of commitments tied to specific milestones,^[289] while Commonwealth Fusion Systems raised an additional $1.8 billion in Series B funding to construct and operate its SPARC tokamak, the single largest investment in any private fusion company.^[290]

In April 2022, First Light announced that their hypersonic projectile fusion prototype had produced neutrons compatible with fusion. Their technique electromagnetically fires projectiles at Mach 19 at a caged fuel pellet. The deuterium fuel is compressed at Mach 204, reaching pressure levels of 100 TPa.^[291]

On December 13, 2022, the US Department of Energy reported that researchers at the National Ignition Facility had achieved a net energy gain from a fusion reaction. The reaction of hydrogen fuel at the facility produced about 3.15 MJ of energy while consuming 2.05 MJ of input. However, while the fusion reactions may have produced more than 3 megajoules of energy—more than was delivered to the target—NIF's 192 lasers consumed 322 MJ of grid energy in the conversion process.^{[292][293][294][295]}

2023 年 5 月、米国エネルギー省(DOE) は、核融合発電所の設計と研究活動を支援するため、7 州の 8 社に 4,600 万ドルの助成金を提供しました。この資金は、マイルストーンベースの核融合開発プログラムの下で、10 年以内にパイロット規模の核融合を実証し、2050 年までに核融合をカーボン ニュートラルなエネルギー源として開発するという目標に合致しています。助成金を受けた企業は、今後 5 ～ 10 年で実現可能な核融合パイロットプラントの設計を作成するための科学的および技術的な課題に取り組むことが求められています。助成金を受けた企業には、Commonwealth Fusion Systems、Focused Energy Inc.、Princeton Stellarators Inc.、Realta Fusion Inc.、Tokamak Energy Inc.、Type One Energy Group、Xcimer Energy Inc.、および Zap Energy Inc. が含まれます。^{[ 296 ]}

2023年12月、最大かつ最先端のトカマクJT-60SAが日本の那珂で稼働を開始した。この原子炉は日本と欧州連合の共同プロジェクトである。原子炉は2023年10月に最初のプラズマを達成した。^{[ 297 ]}その後、韓国の核融合炉プロジェクトである韓国超伝導トカマク先端研究（KSTAR）は、2023年12月から2024年2月にかけて実施されたプラズマ試験において、1億度を超える高イオン温度を含む高封じ込めモード（Hモード）で102秒間の運転に成功した。^{[ 298 ]}

2025年1月、中国のEAST核融合炉が1066秒（約18分）にわたって定常状態の高閉じ込めプラズマ運転を維持したと報告された。^{[ 299 ]} 2025年2月、フランス原子力庁（CEA）は、WESTトカマクが1337秒（22分以上）にわたって安定したプラズマを維持したと発表した。^{[ 300 ]} 3月、Energy Singularityは21.7 Tの磁場を生成する磁石を発表した。^{[ 301 ]}

2026年、EASTはグリーンウォルドのプラズマ密度限界を超えたと発表した。この実験では、プラズマ壁の自己組織化、電子サイクロトロン共鳴加熱（オーム始動）、初期燃料ガス圧力の管理、境界不純物スパッタリングと原子炉壁からの汚染の能動的な低減が先駆的に行われた。プラズマは密度フリー領域に入り、密度が高くなっても不安定性は増加しなかった。^{[ 302 ]}