همه مواد از اتم ها تشكيل شده اند كه هر اتم از هسته با بار مثبت و الكترون هاى بار منفى در اطراف آن تشكيل شده است. هسته نيز شامل پروتون است كه داراى بار مثبت و نوترون كه به لحاظ بار الكتريكى خنثى است. پروتون و نوترون هاى هسته از طريق يك نيروى قوى بين مولكولى در كنار هم قرار گرفته اند. الكترون ها نيز توسط يك نيروى ضعيف تر از نيروى بين مولكولى داخل هسته به نام نيروى الكتريكى اطراف پروتون هاى هسته قرار گرفته و اطراف آن مى چرخد.

•فرآيند همجوشى
در عمل همجوشى دو اتم سبك با يكديگر جوش خورده و يك اتم سنگين تر را ايجاد مى كنند و در اثر اين همجوشى انرژى زيادى آزاد مى شود كه حاصل نيروى قوى بين هسته اى است. به عنوان مثال از همجوشى دو اتم دوتريم Deuterium، هليوم و انرژى آزاد مى شود.

He + Energy → D + D 
 

•فيوژن به عنوان عامل توليد انرژى خورشيد

فيوژن فرآيندى است كه باعث گرم شدن خورشيد و ساير ستارگان مى شود. در خورشيد در هر ثانيه ۱۰ ميليون تن هيدروژن از طريق همجوشى به هليوم تبديل مى شود و انرژى حاصل از آن همان انرژى اى است كه باعث حيات در كره زمين شده است. در ستارگان عمل فيوژن سريع تر و بيشتر از خورشيد صورت مى پذيرد. اتم هاى سنگين نيز مى توانند با هم همجوشى انجام دهند و اتم سنگين ترى مثل كربن، نيتروژن و اكسيژن را ايجاد كنند. در واقع همه مواد موجود در جهان از فيوژن اتم سبك هيدروژن ايجاد شده است.

•فيزيون (شكافت اتم)

شكافت هسته اى فرآيندى است كه امروزه در نيروگاه هاى اتمى براى توليد برق به كار برده مى شود و فرآيند آن عكس همجوشى است. در فرآيند شكافت يك اتم سبك به اتم هاى سبك تر تقسيم و انرژى آزاد مى شود. شكافت هسته اى يك واكنش زنجيره اى است بدين معنى كه يك شكافت هسته به طور متوسط ۵/۲ نوترون ايجاد مى كند كه هريك از اين نوترون ها يك واكنش جديد را ايجاد مى كنند و به همين ترتيب به سرعت واكنش هاى بعدى انجام مى شود. بنابراين وقتى اين واكنش شروع مى شود مى بايست آن را كنترل كرد در غير اين صورت شكافت تبديل به بمب اتمى مى شود. در واكنش فيوژن بايد سوخت به طور مدام به رآكتور تغذيه شود و اگر جلوى اين تغذيه گرفته شود واكنش متوقف مى شود بنابراين واكنش فيوژن ذاتاً مطمئن است و امكان انفجار وجود ندارد. 

•هسته ها يكديگر را دفع مى كنند

پروتون در هسته بار مثبت دارد لذا وقتى دو هسته به هم نزديك مى شوند تا همجوشى كنند، نيروى دافعه الكتريكى باعث مى شود كه دو اتم از هم دور شوند. در صورتى كه دو اتم خيلى به هم نزديك شوند نيروى قوى بين هسته اى ايجاد مى شود و دو هسته به طور ناگهانى به هم ديگر جذب مى شوند و اين نزديكى امكان ندارد مگر اينكه سرعت اتم ها خيلى بالا باشد. بعد از واكنش همجوشى انرژى خيلى بالايى آزاد مى شود. اين آزاد شدن انرژى دقيقاً مشابه حركت يك توپ گلف به سمت بالاى تپه و سپس سقوط آن به يك دره عميق است. كافى است انرژى لازم براى رسيدن توپ به بالاى تپه را ايجاد كنيم پس از آن انرژى زيادى حاصل از سقوط به دست مى آوريم. بنابراين براى رسيدن اتم ها به يكديگر و برخورد با هم لازم است سرعت اتم ها بالا باشد و براى رسيدن به اين سرعت بالا لازم است درجه حرارت بالايى داشته باشيم. در رآكتورهاى فيوژن درجه حرارت ۱۵۰ ميليون درجه است. در اين درجه حرارت هسته هيدروژن با سرعت هزار كيلومتر بر ثانيه حركت مى كند.

•ايجاد پلاسما (Plasma)

در دماى ۱۵۰ ميليون درجه چه اتفاقى مى افتد؟ در يك مكعب يخ اتم ها به طور منظم كنار هم قرار گرفته اند و موقعيت ثابتى دارند. وقتى به آن حرارت داده مى شود يخ جامد تبديل به مايع شده و مولكول ها آزادانه مى توانند حركت كنند. اگر دما را باز هم زياد كنيم  آب تبخير مى شود و يك گاز تحت  عنوان بخار را ايجاد مى كند و آزادى مولكول ها (سرعت مولكول ها)  زيادتر مى شود. اگر عمل گرم كردن را ادامه دهيم مولكول هاى آب به اتم هاى اكسيژن و هيدروژن تقسيم مى شود و در دماهاى بالاتر اتم ها نيز به هسته ها و الكترون ها تقسيم مى شود در اين شرايط پلاسما خواهيم داشت.

•پلاسما به طور طبيعى وجود دارد

در پديده هايى همچون رعد و برق، خورشيد و ستارگان پلاسما وجود دارد. ساده تر از آن در لامپ فلورسنت شما پلاسما داريد. پلاسما به طور گسترده در صنعت و براى روشنايى استفاده مى شود به عنوان مثال تراشه هاى كامپيوترى به كمك منابع نورى پلاسما ساخته مى شود همچنين از پلاسما براى فرآيندهاى جوشكارى استفاده مى شود. صفحات كامپيوترى جديد كه صفحه پلاسمايى گفته مى شود از تخليه هاى پلاسمايى نازك استفاده مى كنند.

•ميدان مغناطيسى مى تواند پلاسما را كنترل كند

در پلاسما همه ذرات در همه جهات با دماى بالا حركت مى كنند. بنابراين نگهدارى پلاسما خود يك مشكل است زيرا ديواره هاى رآكتور تحمل چنين دمايى را ندارند. خوشبختانه مى توان از ميادين مغناطيسى براى تاثير بر روى پلاسما استفاده كرد. با ايجاد خطوط ميدان مغناطيسى، ذرات باردار در پلاسما از خط مغناطيسى پيروى كرده و بدين ترتيب مى توان پلاسما را در داخل اين ميدان محبوس كرد و ديواره ها را از آن دور نگه داشت.

• Tokamak

براى حبس پلاسما اگر ما از يك لوله مستقيم استفاده كنيم در ابتدا و انتها هنوز مشكل برخورد پلاسما را خواهيم داشت اما اين مشكل به راحتى از طريق يك محفظه حلقوى  شكل كه اساساً يك لوله بدون انتها است قابل حل است. اين روش حبس پلاسما توسط روس ها ابداع شده و Tokamak  مخفف Toridial Chamher with magnetic field coils  است.
 

•سوخت هاى پلاسما در زمين

در زمين امكان واكنش هيدروژن با هيدروژن غيرعملى است زيرا اين واكنش نياز به دماى خيلى بالا دارد. اما واكنش دوتريم و تريتيم با دماى حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ ميليون درجه سانتى گراد امكان پذير است كه اين منابع در زمين و آب دريا به وفور موجود است.

Tritium+Deuterium→ Helium + Neutron + Energy
 

•تريتيم + دوتريم

دوتريم و تريتيم ايزوتوپ هاى هيدروژن هستند. اين بدان معنى است كه اختلاف آنها با هيدروژن در تعداد نوترون اتم ها در هسته است. دو تريم يك نوترون اضافى و تريتيم دو نوترون اضافى دارد. ۳۳ ميلى گرم از دو تريم در هر ليتر آب معمولى وجود دارد و اگر با تريتيم همجوشى شود معادل ۳۴۰ ليتر بنزين انرژى آزاد مى شود. دو تريم به اندازه كافى در درياها براى انرژى بيليون ها نفر وجود دارد.

•تريتيم مى تواند از ليتيم توليد شود

تريتيم راديواكتيو است اما طول عمر آن كوتاه و ۳/۱۲ سال است بنابراين به طور طبيعى در طبيعت وجود ندارد. اين ماده بايد از ليتيم ساخته شود. پوسته زمين به وفور ليتيم دارد همچنين در آب هاى دريا نيز به وفور مى توان اين عناصر را استخراج كرد.نوترون آزاد شده در فرآيند فيوژن مى تواند ليتيم را به هليوم و تريتيم تبديل كند و تنها در ابتداى راه اندازى يا هنگام توقف نيروگاه لازم است مقدارى تريتيم داشته باشيم و بعد از آن ديگر نيازى به تريتيم نداريم.بنابراين دوتريم و تريتيم به و فور قابل استحصال است. تنها ۱۰ گرم دوتريم و ۱۵ گرم تريتيم تمام انرژى مورد نياز يك شهروند در يك كشور توسعه يافته در سرتاسر عمرش را جوابگو است. منابع موجود دوتريم و تريتيم براى تامين ميليون ها سال انرژى كفايت مى كند.

•تريتيم

تريتيم يك ماده راديواكتيو ضعيف است كه طول عمر ۳/۱۲ سال دارد اين بدان معنى است كه بعد از اين زمان نصف تريتيم اصلى ناپديد مى شود. وقتى اين ماده تجزيه مى شود يك الكترون (به نام بتا) با انرژى خيلى كم آزاد مى كنند. انرژى اين الكترون به قدرى كم است كه قادر به عبور از پوست نبوده و در هوا بيش از چند ميلى متر حركت نمى كند و متوقف مى شود. بنابراين تريتيم يك راديواكتيو خطرناك نيست.تريتيم به مقدار كم در بالاى جو ايجاد مى شود و از طريق باران به زمين مى رسد. در آب تازه مقدار بسيار جزيى از تريتيم يافت مى شود و كل تريتيم موجود در محيط زيست در حد 3/7Kg است.

Tritium- 3
Electron +Helium

*از تريتيم مى توان براى اندازه گيرى عمر آب هاى زيرزمينى يا عمر يك بطرى قديمى خراب استفاده كرد. واكنش فيوژن با توجه به اينكه احتمال خارج شدن از حد كنترل وجود ندارد لذا بسيار روش مطمئن به لحاظ زيست محيطى است.

*در يك نيروگاه فيوژن يك لايه محدود كننده در اطراف آن كه مانع تشعشع مواد راديواكتيو مى شود وجود دارد.

*در صورت وقوع حوادث غيرمنتظره اى همچون زلزله و آزاد شدن تريتيم حداكثر مقدار آزاد شده  1Kg است. اين مقدار تريتيم براى يك شهروند در نزديك نيروگاه منجر به دوز حدود 4sv   مى شود.

*فيوژن هيچ گونه اثر گلخانه اى ندارد.

*حين واكنش فيوژن پوسته اطراف پلاسما و اجزاى موجود در ديواره ها به وسيله نوترون توليد شده توسط فيوژن بمباران مى شود. اين امر باعث مى شود اين مواد راديواكتيو شوند. اگر از مواد كم فعال استفاده شود، اين راديواكتيويته داراى عمر كوتاه ۱۰۰ سال خواهد بود در حالى كه در شكافت هسته اى عمر بسيار بالاست. 
*بعد از ۱۰۰ سال مواد مى توانند بازيافت شوند و به مرحمت اين زمان كوتاه و مواد كم فعال، زائدات فيوژن يك شكل براى اين نيروگاه نيستند. اروپا يك برنامه تحقيقاتى گسترده براى ايجاد مواد خاص براى به كارگيرى در نيروگاه هاى آينده دارد. 
*براى تحقيقات به طور متوسط هر اروپايى يك يورو براى تحقيقات فيوژن در سال هزينه مى كند و انتظار مى رود در ۵۰ سال آينده قيمت آن در حدود انرژى هاى نو باشد.

•اجزاى نيروگاه فيوژن

يك نيروگاه فيوژن شامل بخش هاى مختلفى از جمله پلاسما، سيستم سوخت، مغناطيس ها، بالشتك ليتيم، مبدل حرارتى، توربين بخار و غيره است.

۱- سوخت دو تريم

سوخت نيروگاه فيوژن مخلوطى از دوتريم و تريتيم است كه ايزوتوپ هاى هيدروژن هستند دوتريم در آب يافت مى شود هر ليتر آبmg ۳۵ دوتريم دارد. هنگامى كه اين مقدار دوتريم با تريتيم مخلوط مى شود انرژى در حدود ۳۴۰ ليتر بنزين ايجاد مى شود.

۲- بالشتك ليتيم

در بالشتك ليتيم به تريتيم تبديل مى شود. نوترون حاصل از واكنش فيوژن با توجه به اينكه هيچ گونه بارى ندارد و تحت تاثير ميدان قرار نمى گيرد از پلاسما خارج شده و در بالشتك با ليتيم واكنش انجام مى دهد و تريتيم و هليوم ۳- ايجاد مى كند تريتيم حاصل به داخل واكنش فيوژن فرستاده مى شود.

۳- پلاسما

پلاسما شامل دوتريم و تريتيم در دماى ۱۰۰ الى ۱۵۰ ميليون درجه است. اين دما براى انجام واكنش فيوژن لازم است. پلاسما از طريق ميدان مغناطيسى در فضاى حلقوى مشخص محبوس مى شود.

۴- جداكننده زائدات از سوخت

خروجى محفظه وكيوم شده پلاسما بعد از واكنش سوخت و مواد تبديلى مثل هليوم است. در اين قسمت سوخت از هليوم جدا شده و سوخت تصفيه شده به پلاسما بازگردانده مى شود و هليوم توسط كپسول هايى جمع آورى مى شود. هليوم مى تواند براى بالن ها استفاده شود. يك نيروگاه 1000MW  در طول سال تنها 250Kg  هليوم توليد مى كند.

۵- مبدل حرارتى

حرارت توسط واكنش فيوژن توليد مى شود و توسط نوترون ها منتقل مى شود و در بالشتك ليتيم ذخيره مى گردد و اين حرارت از طريق يك سيستم خنك كننده (هليوم يا آب) به آب منتقل و بخار حاصل براى توليد برق استفاده مى شود.

۶ -توربين بخار

براى توليد برق و انتقال آن به شبكه استفاده مى شود.

•گرمايش پلاسما

براى رسيدن به دماى بالاى مورد نياز (۱۵۰ ميليون درجه)، روش هاى مختلف گرمايش استفاده مى شود:

۱- جريان پلاسما (گرمايش اهميك)

۲- اشعه هاى اتمى

۳- تشعش هاى ميكروويو. در عمل هر سه روش به كار مى رود.

الف-گرمايش جريان پلاسما

يك پلاسما حاوى ذرات باردار بوده و مى تواند يك جريان الكتريكى را ايجاد كند. جريان از طريق يك ترانسفورماتور القا مى شود به گونه اى كه حلقه پلاسما نقش سيم پيچ ثانويه آن را دارد. وجود اين جريان و مقاومت اهميك آن باعث ايجاد گرما مى شود. در واقع نيروى حركت دهنده ذرات باردار باعث برخوردهاى زيادى مى گردد كه عامل ايجاد گرما است. با اين روش پلاسما مى تواند به دماى حدود ۱۰ ميليون درجه برسد.

ب-گرمايش اشعه هاى خنثى

يك شتاب دهنده ذرات مى تواند ذراتى با سرعت بالا ايجاد نمايد. براى به كارگيرى اين روش براى گرمايش پلاسما  احتياج به ذرات خنثى است به گونه اى كه اين ذرات مى تواند ذرات باردار شده در ميدان مغناطيسى را متاثر نمايد. ذرات خنثى وارد شده به پلاسما با ذرات داخل پلاسما برخورد كرده و باعث مى شود الكترون آنها از دست برود و دوباره باردار شوند و در ميدان مغناطيسى محبوس شود.

ج- تشعشع ميكروويو

امواج الكترومغناطيسى مى توانند انرژيشان را به پلاسما بدهند؟ ۳ نوع فركانس براى گرماى پلاسما به كار مى رود. سيكلوترون يونى ( MHZ ۵۵-۲۵) . سيكلوترون الكترون (MHZ ۲۰۰ -۱۰۰)  و هيبريد پائين تر (GHZ ۸ -۱)  ذرات باردار داخل پلاسما تشعش هاى ميكروويو را جذب كرده و دماشان را زياد مى كنند. امواج مورد استفاده در گرمايش سيكلوترون الكترونى از نوع ميكروويو است و از طريق آنتن هاى بزرگ مشابه آنچه كه در يك ميكروويو معمولى در آشپزخانه وجود دارد امواج را ارسال مى كنند.

•اروپا و تحقيقات جهانى

در حال حاضر تحقيقات فيوژن يكى از موضوعات روز دنيا است. در اروپا حدود ۲۰ لابراتوار تحقيقاتى و دانشگاه در قالب همكارى هاى EURATOM  بر روى تحقيقات فيوژن مطالعه مى كنند. توافقنامه توسعه فيوژن اروپا (EFDA)  كليه فعاليت هاى اروپا در زمينه مهار مغناطيسى فيوژن را پوشش مى دهد. بزرگترين  Tokamak  جهان (Joint European Torus) JET  واقع درCulham  انگليس است. اين دستگاه توسط فيزيكدانان و مهندسين سراسر اروپا ساخته شده است. در سال ۱۹۸۳ اولين آزمايشات توسط اين دستگاه انجام شد و در سال ،۱۹۹۱ براى اولين بار در زمين ۷/۱ مگاوات برق از آن گرفته شد و در سال ۱۹۹۷ ، ۱۶ مگاوات برق ديگر گرفته شد.