Ein Reaktor muss zwei Zwecke erfüllen:

1. Einschluss des Plasmas, derart, dass eine dauerhafte Reaktion aufrechterhalten wird;
2. Abfuhr von Energie zur technischen Nutzung.

Es werden mehrere Möglichkeiten verfolgt, den Einschluss zu bewerkstelligen: Magnetfeldeinschluss: In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges verdrilltes Magnetfeld das Plasma ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren eines elektrischen Stromsins Plasma, Stellaratoren haben dazu spezielle, komplizierte Formen der Magnetfeldspulen.

Inertieller oder Trägheitseinschluss: Hierbei wird der Brennstoff in Form kleiner Kügelchen (Pellets) durch Laserpulse oder Schwerionenstrahlen in kurzer Zeit zur Zündung gebracht. Die Reaktion läuft so lange ab, wie der Brennstoff durch seine Masseträgheit zusammenhält.

Farnsworth-Hirsch Fusor -Reaktoren erzeugen mittels eines elektrischen Stromes durch das Plasma ein Magnetfeld, und schließen das Brennmaterial ein.

Einige Forscher haben behauptet, Kernfusion in dem Reagenzglas an Katalysatoren bei tiefen Temperaturen beobachtet zu haben. Diese kontroversen Experimente gelten heute als pseudowissenschaftlich. Die damals gemessenen Wärmefreisetzungen werden von Wissenschaftlern zumeist mit unerwarteten chemischen Reaktionen erklärt.

Der Begriff "Kalte Fusion" geht auf einen Vorschlag von Andrej Sacharow von 1948 zurück, die (funktionierende aber ineffiziente) Myonen-katalysierte Kernfusion: Ein Myon verdrängt das Elektron eines Tritiumatoms. Auf Grund der hohen Masse des Myons ist sein Orbital um den Tritiumkern nun wesentlich kleiner. Dieses myonische Tritiumatom lagert sich dem Deuteriummolekül an. Deuterium- und Tritiumatom kommen sich dabei nahe genug, um zu fusionieren. In 99.4 Prozent der Fälle wird das Myon wieder freigesetzt und kann so weitere Kernreaktionen katalysieren. Mit einer Lebensdauer von 2.2 Mikrosekunden (= 10 ^{- 6}s = μs) überlebt ein Myon mehr als 100 Reaktionen, dabei werden etwa 2 GeV (GigaElektronenvolt) an Energie frei. Leider gibt es keinen effizienten Weg, um Myonen (Ruhemasse m₀ = 106 MeV) herzustellen. Für die Produktion in Teilchenbeschleunigern muss pro Myon etwa eine Energie von 3 GeV aufgewendet werden.

Jüngst machte erneut ein Team rund um den Forscher Taleyarkhan mit einem spektakulären Fusionsexperiment auf sich aufmerksam. Demzufolge wurden in dem Rahmen der Sonolumineszenz die Produktion von Neutronen beobachtet. Dabei handelt es sich um Gasblasen in Flüssigkeiten, die durch Ultraschall angeregt werden und beim Kollabieren kurzzeitig sehr hohe Drücke und Temperaturen erreichen. Dabei kommt es zur Licht-Aussendung und der zitierten Arbeit zufolge auch zur Kernfusion. Hauptkritikpunkt an den Arbeiten ist, dass auch Neutronen benutzt wurden, um die Gasblasen ursprünglich zu erzeugen. Das Messsignal kann diese Anregungsneutronen nicht sicher genug von den Fusionsneutronen unterscheiden.

Es handelt sich hier zwar, falls die Experimente sich bestätigen, ebenfalls um Kernfusion in kleinen Anlagen, aber nicht um "kalte" Kernfusion, da kurzzeitig hohe Temperaturen und Drücke erreicht werden. Unklar ist auch hier die Energiebilanz, also das Verhältnis aus zugeführter Schallenergie zu erzeugter Fusionsenergie.

Während einer laufenden Kernfusion können die gebildeten Heliumkerne die Energie zur Aufrechterhaltung der für die Fusionsreaktion notwendigen Temperatur liefern. Um die Fusion in Gang zu bringen, muss das Wasserstoffplasma allerdings auf etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Zu diesem Zweck sind verschiedene Konzepte entworfen worden.

Das Plasma ist ein elektrischer Leiter, und kann mittels eines induzierten elektrischen Stroms erwärmt werden. Allerdings steigt die Leitfähigkeit des Plasmas mit steigender Temperatur, so dass der dem Strom entgegengesetzte Widerstand ab etwa 20-30 Millionen Grad nicht mehr ausreicht, das Plasma stärker aufzuheizen.

Das Einschießen von neutralen Atomenins Plasma ist eine weitere Methode. Die kinetische Energie der Atome (die in dem Plasma sofort ionisiert werden) dient zu dem Aufheizen des Plasmas.

Ein Gas kann durch schnelles ("adiabatisches") Zusammenpressen erwärmt werden. Dasselbe kann mit einem Plasma durchgeführt werden, und ein Magnetfeld ist geeignet, das Plasma zusammenzupressen. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode ist, dass das Plasma gleichzeitig dichter wird und somit eine höhere Reaktionsrate erhält. Nachteilig ist, dass das komprimierte Plasma unter Umständen ca. noch einen kleinen Teil des Volumens des Reaktionsgefäßes einnimmt.

Mikrowellen können die Ionen und Elektronen in dem Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen, und somit Energieins Plasma übertragen.

20 Prozent der freigesetzten Energie ist kinetische Energie der erzeugten Helium-Atomkerne. Durch Stöße wird diese Energie auf die in dem Plasma befindlichen Deuterium- und Tritium-Atome übertragen und erhöht somit die Temperatur des Plasmas.

Die einfachste erreichbare Kernfusion ist die zwischen Deuterium und Tritium. Daher wird sie auch zuerst eingesetzt werden.

Diese Reaktion besitzt allerdigs folgende Nachteile:

1. Das erforderliche Tritium ist radioaktiv.
2. Bei der Reaktion entstehen viele Neutronen, die das Reaktormaterial radioaktiv aktivieren.
3. Es ist schwierig, gleich viel Tritium zu erzeugen wie verbraucht wird.

Die Erbrütung von Tritium findet meistens in dem Blanket des betreffenden Fusionsreaktors statt.

Insbesondere der Neutronenfluss, der den eines typischen Kernspaltungsreaktors um den Faktor 100 übertrifft, stellt ein Problem dar. Zu dem einen altern die Materialien, aus denen der Reaktor besteht, dadurch verstärkt. Zu dem anderen können durch Kernreaktionen zwischen den Neutronen und Wandatomen radioaktive Isotope gebildet werden. Bei der Wahl der benutzten Materialien muss dies berücksichtigt werden, um die Lebensdauern der erzeugten Isotope kurz zu halten.

Die Neutronen sind die Teilchen, deren Energie letztlich zur Stromerzeugung benutzt wird, da sie als neutrale Teilchen das einschließende Magnetfeld verlassen und ihre Energie an einen Kühlkreislauf abgeben können. Zusätzlich soll mit ihrer Hilfe das in der Natur nicht vorkommende Tritium aus Lithium erbrütet werden:

(7.6 Prozent Vorkommen)

(92.4 Prozent Vorkommen)

Der Wirkungsquerschnitt für die exotherme Reaktion mit ⁶Li ist für Fusionsneutronen (kinetische Energie etwa 14 MeV) kleiner als für die Reaktion mit ⁷Li, bei der auch wieder ein Neutron abgegeben wird. Allerdings haben die entstehenden Neutronen kleinere Energie, weil die Reaktion endotherm verläuft und teilweise an die anderen Reaktionsprodukte abgegeben wird. Dadurch ist für die sekundären Neutronen der Wirkungsquerschnitt viel kleiner, der für ⁶Li dafür höher. Da bei jeder Fusionsreaktion ein Neutron freigesetzt wird, muss man in dem Durchschnitt durch jedes Neutron ein Tritiumatom erzeugen, um den Tritiumbedarf decken zu können. Durch die Erfahrung mit Brutreaktoren rechnet man damit, dass man wegen Neutronenverlusten noch zusätzliche Neutronenmultiplikatoren wie Beryllium benötigt.

Bei der D-D-Reaktion ist kein Erbrüten des Brennstoffs nötig. Zwei Reaktionen sind möglich:

Folgereaktionen:

Es ist vorgeschlagen worden, Materialien wie Lithium, Beryllium oder Bor zu fusionieren. Derartige Reaktionen würden wenige Neutronen freisetzen, und die Energie in geladenen Teilchen abgeben, also leicht zu nutzen sein.

Trotz dieser attraktiven Merkmalen wird der Einsatz solcher Materialien aufgrund einer in dem Vergleich zur D-T-Reaktion 5-fach höheren Reaktionstemperatur nicht erwartet.

• Joint European Torus (JET) - Culham, England
• ITER - Frankreich oder Japan
• ASDEX Upgrade - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching bei München

• Wendelstein-7AS (http://www.ipp.mpg.de/eng/for/projekte/w7as/for_proj_w7as.html) - Garching, Deutschland
• Wendelstein-7X (http://www.ipp.mpg.de/eng/for/projekte/w7x/for_proj_w7x.html) - Greifswald, Deutschland

• NIF
• inertial electrostatic confinement

• http://www.iter.org - ITER
• http://fire.pppl.gov - FIRE
• http://fusedweb.pppl.gov/FAQ/fusion-faq.html - FUSION FAQ
• http://www.efda.org - European Fusion Development Agreement
• http://fusedweb.pppl.gov/Glossary/glossary.html - Plasma/Fusion Glossary
• http://www.ipp.mpg.de - Max-Planck-Institut für Plasmaphysik