Процес на сливане на леки ядра, осъществен в резултат на високата температура на средата, се нарича термоядрен синтез.

Термоядрени реакции протичат във вътрешността на Слънцето и другите звезди и са източник на излъчваната от тях енергия.

В зависимост от начина за достигане на високите температури термоядреният синтез бива неуправляем и управляем. 

В ядрото на слънцето огромното гравитационно налягане позволява това да става при температури около 10 милиона градуса.

При много по-ниски налягания (10 милиарда пъти по-ниски отколкото в слънцето), които може да създадем на земята, се изискват температури над 100 милиона градуса, за да имаме интересната за нас скорост на генериране на термоядрена енергия.

Газ, нагрят до такива температури, се превръща в "плазма", в която електроните са напълно отделени от атомните ядра.

Устройствата, в които термоядреният синтез протича бавно, като се контролира и управлява, се наричат термоядрени реактори.

За протичане на управляем термоядрен процес трябва да са изпълнени следните условия:

1. Създаване на високотемпературна плазма. 2. Задържане на плазмата далеч от стените на нейния

контейнер, за да се осъществи синтез на леките ядра. 3. Поддържане на голяма плътност на плазмата частици/ сm3, за да се увеличи броят на ядрата, участващи в синтеза.

Задържането на високотемпературна и висококонцентрирана плазма се оказва трудна задача тъй като тя е крайно нестабилна и се разлита за части от секундата.

Задържането и не може да се осъществи в нито един от известните материали, понеже те биха се изпарили, а самата плазма при допира с тях би понижила температурата си.

Затовя задържането и се постига чрез поставяне на плазмата в тороидален "кафез", направен от силни магнитни полета, които не позволяват на електрически заредените частици на плазмата да се изплъзват.

За преспективна засега се приема затворената система от типа “Токамак”. Първият термоядрен реактор е изобретен през 1950 година от Игор Там и

Андрей Сакаров. Той е бил наречен тороидална магнитана камера Токамак (от руското "тороидальная камера в магнитных катушках").

Особеното при токамака са магнитното поле и начинът, по който то се получава. Магнитното поле се създава от намотки, които обхващат камерата като халки, нанизани на пръстен, както и от големи намотки, успоредни на равнината на тора.

Във всяка точка от вакуумната камера магнитното поле има две компоненти: едната тороидален, насочена по оста на самия тор, а другата, наречена полоидална, е разположена в равнина, перпендикулярна на първата.

Тороидалната компонента се създава от намотките. През плазмата в този пояс протича мощен ток (няколко милиона ампера), индуциран от големите намотки. Комбинацията от тороидално и полоидално полета формира спираловидни магнитни силови линии, които обвиват тора.

При типичен експеримент с токамак първата операция е да се създаде тороидално магнитно поле.

За тази цел по съответните намотки протича ток. След това във вакуумния тороидален пояс инжектират определено количество деутерий (или смес от деутерий и тритий при най-новите експерименти).

После успоредно на тороидалното магнитно поле в плазмата се прилага електрично поле. То се създава чрез индукция от променливия ток, пуснат по успоредните на тора намотки.

Получава се електричен разряд, който превръща деутериевия газ в плазма – смес от положителни йони и електрони. Електричното поле ускорява електроните, което поражда тороидален ток през плазмата. Този "плазмен ток" индуцира полоидално магнитно поле и увеличава чрез ударите на електроните температурата на плазмата.

След като плазменият ток се стабилизира, се загрява допълнително. Тази последователност от операции трае само няколко секунди, освен ако намотките не са свръхпроводящи, в който случай протичащият през тях ток не ги загрява.

Най-големите в света токамаци са следните:

JET (Joint European Torus), Великобритания DIII-D, САЩ ASDEX Upgrade, Германия JT60-U, Япония Tore Supra, Франция

Снимка отвън на JET.ASDEX Upgrade, Германия

Други инженерни конструкции, варианти на Токамак - например "стелатор" използват само магнитни полета. Съществуват и разновидности на Токамак, наречени сферични Токамаци или сфематори, в които се използва основно магнитно поле във формата на сфера.

ITER е международен проект за проучване и разработка, който цели да демонстрира научната и техническата възможност да се постигне управляем термоядрен синтез.

В проекта участват Европейския съюз, Япония, Китай, Индия, Корея, Русия и САЩ. ITER ще бъде конструиран в Европа, в гр. Кадараш - Южна Франция.

От използванията в ITER Токамак се очаква да произвежда електрическа енергия с мощност между 100 и 500 MW. Като тази полезна енергия е разлика между произвежданата в самият ITER и подаваната електрическа енергия за работа на самият ITER и неговият Токамак.

Тоест термоядреният реактор ще произвежда повече електричество, отколкото консумира за работата си.

Как ще изглежда ITER 2019г.

В бъдещите токамаци и термоядрени реактори се планира използване на друга реакция на управляем термоядрен синтез - тази на сливане на хелий-3 и деутерий.

Предимството и е изключително ниското равнище на неутронен поток ( стените на камерата не се разрушава), както и пълната липса на каквато и да е слаба радиоактивност.  

Недостатъка на тази управляема термоядрена реакция е нуждата от десетократно по-висока температура за започване на реакцията - около един милиард градуса, което обаче в момента се счита за обикновен инженерен проблем.

Друго предложение за осъществяване на управляем термоядрен синтез е използването на мощни лазерни импулси.

Излъчванията на няколко десетки импулсни лазери се фокусират върху капсули пълни със замръзнала смес на деутерий и тритий.

Част от капсулата се свива и йоните на деутерия и трития увеличават енергията си до стойности, достатъчни за протичане на термоядрен синтез.

Предвижда се отделената енергия да превишава около 100 пъти енергията, отделена от лазерите.

Ако стените на съда издържат взривната вълна, енергията й може да се използва.

Запасите от термоядрено гориво на Земята са огромни и неизчерпаеми. В земната хидросфера се съдържат ~25 000 милиарда тона деутерий.

Термоядреното гориво има по-ниска цена от обикновеното и ядреното.

Не е необходимо масата на горивото да е равна на критичната, което изключва опасността от взривно протичане на реакцията.

При работа не се отделят радиоактивни отпадъци – от екологична гледна точка този начин за придобиване на енергия е за предпочитане.

Липсват парникови и отровни емисии.