Température de fusion
Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs dizaines de millions de degrés). Dans ces conditions, les électrons se détachent complètement de leur noyau — on dit que l'atome s'ionise. La matière entre alors dans un nouvel état : l'état de plasma.
Afin d'obtenir de telles températures, plusieurs méthodes ont été expérimentées :
- l'utilisation de l'effet Joule produit par le déplacement des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ;
- l'injection de particules accélérées dans un accélérateur de particule annexe ;
- l'échauffement obtenu par de puissants lasers (effet Compton) ;
- l'utilisation d'ondes électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du four à micro-ondes).
Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire pourrait être obtenue par une combinaison de ces méthodes.
Confinement du plasma
L'enjeu consiste à contrôler le plasma au cœur du tokamak dans un volume limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un tore au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit créer un champ toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit au sein même du plasma.
Ce dispositif se distingue des Stellarators, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au sein desquels aucun courant ne circule dans le plasma.
Bilan énergétique
On constate qu'il est nécessaire de fournir une énergie initiale pour garantir les conditions de maintien de la réaction (température et confinement). En principe, plus on injecte de combustible, plus l'énergie thermique produite est importante.
Si la température produite était égale à celle demandée par la réaction, il ne serait plus nécessaire de réchauffer le combustible par des moyens extérieurs, on aurait alors atteint le seuil d'ignition de la réaction.
Ainsi pour un tel générateur, si le rapport de l'énergie produite par rapport à l'énergie fournie de façon extérieure arrivait à l'équilibre (autant d'énergie produite que d'énergie nécessaire au maintien de la réaction), on parlerait de breakeven. Ce générateur serait alors autonome sur un plan énergétique. Au-delà de ce seuil, tout surplus de combustible produirait un surplus d'énergie au bénéfice de l'exploitant.
