Wesentliche Probleme der kontrollierten Kernfusion sind, das Plasma extrem aufzuheizen und gleichzeitig bei geringen Wärmeverlust lange genug zusammenzuhalten. Um dies zu erreichen, werden experimentell hauptsächlich zwei Methoden untersucht:

1. Trägheitseinschluss

Hierbei werden Brennstoffkügelchen (Radius typisch 1 mm) aus Deuterium und Tritium allseitig mit Laser (Energie typisch 0,1 MJ) oder Teilchenstrahlen (v. a. Schwerionen, typisch 50 MeV) beschossen und innerhalb von etwa 10^-9 Sekunden auf Fusionsbedingungen aufgeheizt. Die explosionsartig sich ausdehnenden äußeren Schichten der Kügelchen komprimieren dabei das innere Plasma. Der dabei entstehende Druck von typisch 10¹² bar sind aufrund der extrem kurzen Einschlusszeit auch notwendig, damit die Atomkerne verschmelzen können. Die kurzen Einschlusszeiten sind ein Grund, warum für Fusionskraftwerke der magnetische Plasmaeinschluss bevorzugt wird.

2. magnetischer Einschluss

Das Plasma wird durch starke Magnetfelder zusammengehalten und von den Wänden der Plasmakammer ferngehalten. Zur Heizung des Plasmas gibt es mehrere Methoden. Der Einschluss wurde bisher mit zwei magnetischen Anordnungen verwirklicht: Stellarator und Tokamak. Beide nutzen Magnetfelder und Plasmakammern in Form eines Autoreifens (Torus). Stellaratoren sind für den Dauerbetrieb geeignet erzeugen die Magnetfelder nur durch äßere Spulen, die (meistens) pulsweise arbeitenden Tokamaks zusätzlich durch Stromfluss im Plasma. Die meisten experimentellen Anlagen sind heute vom Typ Tokamak.

Außerdem:

Weit weniger gefördert wird die Erforschung der Kernfusion im Plasma-Fokus. Diese Maschine nutzt das starke Magnetfeld in einer Plasmaentladung, um das Plasma extrem zu komprimieren.

Tokamak

Das Magnetfeld, das das Plasma einschließt, wird durch Spulen erzeugt und zusätzlich durch einen elektrischen Kreisstrom im Plasma. Der Plasmastrom wird wie in einem Transformator erzeugt: Die Primärwicklung ist um ein Eisenjoch gewunden, das durch die torusförmige Plasmakammer führt. Die Brennkammer entspricht der Sekundärwicklung. Ein Strom wird allerdings im Plasma nur erzeugt, solange der Strom in der Primärwicklung ansteigt, und das geht nur begrenzte Zeit. Danach muss der Primärstrom erneut hochgefahren werden. Grafik: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Damit ein Tokamak im Dauerbetrieb arbeitet, müsste der Strom kontinuierlich erzeugt werden, zum Beispiel durch hochfrequente elektromagnetische Wellen.

Bisher werden in den meisten Fusionsanlagen normalleitende Magnetspulen verwendet, beispielsweise aus wassergekühlten und in Kunstharz gegossenen Kupferschinen. In zukünftige Fusionskraftwerken werden supraleitende Spulen eingesetzt. Sie werden tiefgekühlt und leiten den elektrischen Strom praktisch ohne Widerstand.

Typischer Ablauf eines Tokamak-Experiments

1. Hochvakuum von 10^-8 Millibar in der Plasmakammer
2. Hochfahren des Stroms in der Tranformatorspule
3. Einlassen von Wasserstoff kurz vor Beginn der Gasentladung, Druck steigt auf 10^-5 Millibar
4. Runterfahren des Transformatorstroms; induzierte Spannung startet Ionisierung des Wasserstoffs
5. Dichte des entstehenden Plasmas wird durch Gaseinlass auf gewünschten Wert gebracht
6. Durchführung des eigentlichen Experiments
7. Experiment endet mit Stromminimum des Transformators, da ohne Änderung des Magnetfelds kein Strom mehr im Plasma induziert wird, der Heizstrom versiegt

Stellarator

Das Magnetfeld, das das Plasma einschließt, wird nur durch Spulen erzeugt, ohne zusätzlichen Kreisstrom im Plasma. Stellaratoren sind daher für den Dauerbetrieb geeignet. Aber die Spulen besitzen eine komplexere Form, da ihr Magnetfeld allein die Plasmateilchen von den Kammerwänden fernhalten muss. In der Grafik links sind sie blau dargestellt, das Plasma orange. Der Versuchs-Stellarator WENDELSTEIN 7-X des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik wird mit supraleitenden Spulen aus Niob-Titan ausgerstet. Sie sollen im Plasmazentrum ein Feld von 3 Tesla erzeugen. Grafik: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Typischer Ablauf eines Stellarator-Experiments

1. Hochvakuum in der Plasmakammer
2. Aufbau des Magnetfeldes
3. Heizung durch Einstrahlung elektromagnetischer Wellen oder durch Einschuss von Teilchen
4. Einlassen von Wasserstoff kurz vor Beginn der Gasentladung
5. Plasmaheizung bestimmt Dauer des Experiments

Der Magnetfeldkäfig

Das Magnetfeld in der Plasmakammer des Fusionsreaktors soll das extrem heiße Plasma (typisch 100 Mill. °C) von den Kammerwänden fernhalten. Das Plasma besteht aus elektrisch geladenen Elektronen und Atomkernen. Sie werden von der Lorentzkraft senkrecht zu ihrer momentanen Geschwindigkeit und senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt. Um die Plasmateilchen von der Kammerwand fernzuhalten, muss das Magnetfeld so gerichtet sein, dass alle Teilchen unabhängig von ihrer Flugrichtung auf Spiralbahnen um den Mittelkreis der torusförmigen Plasmakammer gelenkt werden. So ein Magnetfeld lässt sich aus einem Toroidfeld und einem Poloidfeld zusammensetzen.

In der Grafik ist das Magnetfeld B blau und der es erzeugende Strom I rot angedeutet. Das Toroidfeld wird beim Tokamak und Stellarator jeweils durch eine die Plasmakammer wendelförmig umschließende Spule erzeugt. Das Poloidfeld wird beim Tokamak durch den Kreisstrom im Plasma erzeugt, beim Stellarator dagegen durch eine weitere Spule mit kompliziertem Windungsverlauf. Um das Plasma zusammenzuhalten werden magnetische Flussdichten von an die 10 Tesla benötigt (Erdmagnetfeld um 45 µT). 

Methoden der Plasmaheizung

Bis das Plasma durch Kernfusion von sich aus genug Energie erzeugt, um die Fusion am Laufen zu halten, muss es von außen geheizt werden. Prinzipiell gibt es hierfür mehrere Methoden.

Widerstandsheizung

Elektrischer Strom wird durch das Plasma geschickt, im Jet-Reaktor bis zu 7 Mio. Ampere. Der elektrische Widerstand heizt das Plasma wie die Wendel einer Glühbirne. Da der Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt, eignet sich diese Methode nur zur Anfangsheizung.

Hochfrequenzheizung

Ähnlich einem Mikrowellenherd werden elektromagnetische Wellen geeigneter Frequenz in das Plasma gestrahlt (einige MW), so dass die Plasmateilchen die Energie der Welle aufnehmen. Geeignete Frequenzen führen zu Kreisbewegungen der Atomkerne und Elektronen um die Magnetfeldlinien. Die Kreisfrequenz der Kerne liegt zwischen 10 und 100 Megahertz, die der leichteren Elektronen zwischen 60 und 150 Gigahertz.

Neutralteilchenheizung

Deuterium- oder Tritium-Atome werden mit hoher Geschwindigkeit in das Plasma geschossen und heizen es durch Stöße (einige MW). Die Teilchen müssen elektrisch neutral sein, damit sie ungehindert in den Magnetfeldkäfig des Plasmas eindringen können. Dazu werden sie ionisiert, in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann wieder neutralisiert.

Wenn die durch Fusion erzeugte Energie genügend hoch ist, um die Plasmatemperatur gegen die Wärmeverluste aufrecht zu erhalten, wird dies auch Zündung genannt.