miniatura|Camp magnètic i corrent d'un tokamak. Es mostra el camp toroidal i les bobines (blau) que el generen, el corrent del plasma (vermell), amb el seu camp poloidal (produït per ell), i el camp resultant quan hi ha superposició. La paraula tokamak, acrònim del rus тороидальная камера с магнитными катушками - toroidàlnaia kàmera s magnitnimi katúixkami - (en català cambra toroidal amb bobines magnètiques), és un giny que té per objectiu obtenir la fusió de les partícules del plasma, cosa que generaria grans quantitats d'energia. En efecte, la reacció nuclear de fusió de dues partícules lleugeres en una partícula més estable de pes mitjà produeix una energia en relació amb l'equivalència d'Einstein:
Els avantatges de la fusió sobre la fissió (que s'utilitza avui en les centrals nuclears) són que no produeix residus radioactius directes i que no necessita un combustible no renovable i tan escàs com l'urani. En canvi, és molt més difícil d'iniciar. No s'ha arribat al punt d'equilibri entre l'energia que es necessita per accelerar i confinar el plasma i la que s'obté amb la fusió d'algunes partícules. No obstant això, no hi ha raons teòriques per aquest fet, sinó només raons tècniques, que el projecte internacional ITER haurà de resoldre.
El tokamak va ser creat la dècada del 1950 pels físics russos Ígor Tamm i Andrei Sàkharov, basant-se en les idees d'Oleg Lavréntiev.
Història miniatura|275px|Interior d'un reactor de fusió Tokamak. miniatura|Un segell de la URSS, 1987: Sistema termonuclear Tokamak
Primers passos En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck i Ernest Rutherford van ser els primers a aconseguir la fusió en la Terra, utilitzant un accelerador de partícules per a disparar nuclis de deuteri en una làmina metàl·lica que contenia deuteri o altres àtoms. Això els va permetre mesurar la secció transversal nuclear de diverses reaccions de fusió, i van determinar que la reacció deuteri-deuteri ocorria a una energia més baixa que altres reaccions, aconseguint un màxim d'uns 100.000 electronvolts (100 keV).
La fusió basada en un accelerador no és pràctica perquè la secció transversal del reactor és diminuta; la majoria de les partícules de l'accelerador es dispersaran del combustible, no es fusionaran amb ell. Aquestes dispersions fan que les partícules perdin energia fins al punt que ja no poden sotmetre's a la fusió. L'energia posada en aquestes partícules es perd així, i és fàcil demostrar que és molta més energia de la que poden alliberar les reaccions de fusió resultants.
Per a mantenir la fusió i produir energia neta, la major part del combustible ha d'elevar-se a altes temperatures perquè els seus àtoms xoquin constantment a gran velocitat; això dona lloc al nom de termonuclear a causa de les altes temperatures necessàries perquè es produeixi. En 1944, Enrico Fermi va calcular que la reacció seria autosostenible a uns 50.000.000 K; a aquesta temperatura, la velocitat a la qual es desprèn l'energia de les reaccions és prou alta per a escalfar el combustible circumdant amb la suficient rapidesa per a mantenir la temperatura contra les pèrdues en el medi ambient, continuant la reacció.
Durant el Projecte Manhattan, es va crear la primera forma pràctica d'aconseguir aquestes temperatures, utilitzant una bomba atòmica. En 1944, Fermi va donar una xerrada sobre la física de la fusió en el context d'una llavors hipotètica bomba d'hidrogen. No obstant això, ja s'havia pensat en un dispositiu de fusió controlat, i James L. Tuck i Stanisław Ulam l'havien intentat utilitzant càrregues conformades que impulsaven una làmina metàl·lica infosa amb deuteri, encara que sense èxit.
Els primers intents de construir una màquina de fusió pràctica van tenir lloc al Regne Unit, on George Paget Thomson havia seleccionat el pinçament com a tècnica prometedora en 1945. Després de diversos intents fallits d'obtenir finançament, es va donar per vençut i va demanar a dos estudiants de postgrau, Stanley (Stan) W. Cousins i Alan Alfred Ware (1924-2010), que construïssin un dispositiu amb equips de radar sobrants. Aquest dispositiu va ser operat amb èxit en 1948, però no va mostrar cap evidència clara de fusió i no va aconseguir guanyar l'interès de l'Establiment de Recerca d'Energia Atòmica.
Carta de Lavréntiev En 1950, Oleg Lavréntiev, llavors sergent de l'Exèrcit Soviètic destinat a Sakhalín, va escriure una carta al Comitè Central del Partit Comunista de la Unió Soviètica. La carta esbossava la idea d'utilitzar una bomba atòmica per a encendre un combustible de fusió, i després passava a descriure un sistema que utilitzava camps electroestàtics per a contenir un plasma calent en estat estable per a la producció d'energia.
La carta va ser enviada a Andrei Sàkharov perquè la comentés. Sàkharov va assenyalar que "l'autor formula un problema molt important i no necessàriament irremeiable", i va considerar que la seva principal preocupació en la disposició era que el plasma colpegés els cables dels elèctrodes, i que "les malles amples i una part prima conductora de corrent que haurà de reflectir gairebé tots els nuclis incidents de tornada al reactor. Amb tota probabilitat, aquest requisit és incompatible amb la resistència mecànica del dispositiu".
Un indici de la importància que se li va donar a la carta de Lavréntiev pot veure's en la rapidesa amb la qual es va tramitar; la carta va ser rebuda pel Comitè Central el 29 de juliol, Sàkharov va enviar la seva revisió el 18 d'agost, a l'octubre, Sàkharov i Ígor Tamm havien completat el primer estudi detallat d'un reactor de fusió, i havien demanat finançament per a construir-lo el gener de 1951.
Confinament magnètic Quan s'escalfa a temperatures de fusió, els electrons es dissocien dels àtoms, donant lloc a un fluid de nuclis i electrons conegut com a plasma. A diferència dels àtoms elèctricament neutres, un plasma és conductor de l'electricitat i, per tant, pot ser manipulat per camps elèctrics o magnètics.
La preocupació de Sàkharov pels elèctrodes ho va portar a considerar l'ús del confinament magnètic en lloc de l'electroestàtic. En el cas d'un camp magnètic, les partícules donaran voltes al voltant de les línies de força. Com les partícules es mouen a gran velocitat, les seves trajectòries resultants semblen una hèlix. Si es disposa un camp magnètic de manera que les línies de força siguin paral·leles i siguin pròximes, les partícules que orbiten les línies adjacents poden col·lidir i fusionar-se.
Un camp així pot crear-se en un solenoide, un cilindre amb imants embolicats en el seu exterior. Els camps combinats dels imants creen un conjunt de línies magnètiques paral·leles que recorren la longitud del cilindre. Aquesta disposició impedeix que les partícules es desplacin lateralment cap a la paret del cilindre, però no evita que surtin per l'extrem. La solució òbvia a aquest problema és doblegar el cilindre en forma de dònut, o toroide, de manera que les línies formin una sèrie d'anells continus. En aquesta disposició, les partícules donen voltes sense fi.
Sàkharov va discutir el concepte amb Ígor Tamm, i a la fi d'octubre de 1950 tots dos havien redactat una proposta i l'havien enviat a Ígor Kurtxàtov, director del projecte de la bomba atòmica a l'URSS, i al seu adjunt, Ígor Golovín. No obstant això, aquesta proposta inicial ignorava un problema fonamental; quan es disposen al llarg d'un solenoide recte, els imants externs estan uniformement espaiats, però quan es dobleguen en forma de toroide, estan més junts a l'interior de l'anell que en l'exterior. Això provoca forces desiguals que fan que les partícules s'allunyin de les seves línies magnètiques.
Durant les seves visites al Laboratori d'Instruments de mesura de l'Acadèmia de Ciències de l'URSS (LIPAN, antecessor de l'Institut Kurtxàtov), el centre de recerca nuclear soviètic, Sàkharov va suggerir dues possibles solucions a aquest problema. Una era suspendre un anell conductor de corrent en el centre del toro. El corrent en l'anell produiria un camp magnètic que es barrejaria amb el dels imants de l'exterior. El camp resultant es retorçaria en forma d'hèlix, de manera que qualsevol partícula es trobaria repetidament en l'exterior i després a l'interior del toro. Les derives causades pels camps desiguals es produeixen en direccions oposades a l'interior i en l'exterior, per la qual cosa en el transcurs de múltiples òrbites al voltant de l'eix llarg del toro, les derives oposades s'anul·larien. Com a alternativa, va suggerir utilitzar un imant extern per a induir un corrent en el propi plasma, en lloc d'un anell metàl·lic separat, la qual cosa tindria el mateix efecte.
El gener de 1951, Kurtxàtov va organitzar una reunió en el LIPAN per a estudiar els conceptes de Sàkharov. Van trobar un ampli interès i suport, i al febrer es va enviar un informe sobre el tema a Lavrenti Beria, que supervisava els esforços atòmics a l'URSS. Durant un temps, no es va rebre cap resposta.
Richter i el naixement de la recerca sobre la fusió miniatura|upright=1.5|Ronald Richter (esquerra) amb Juan Domingo Perón (dreta). Les afirmacions de Richter van provocar la recerca de la fusió a tot el món. El 25 de març de 1951, el president argentí Juan Perón va anunciar que un antic científic alemany, Ronald Richter, havia aconseguit produir fusió a escala de laboratori com a part del que avui es coneix com el Projecte Huemul. Científics de tot el món es van entusiasmar amb l'anunci, però aviat van arribar a la conclusió que no era cert; càlculs senzills van demostrar que el seu muntatge experimental no podia produir suficient energia per a escalfar el combustible de fusió a les temperatures necessàries.
Encara que els investigadors nuclears ho van descartar, l'àmplia cobertura de les notícies va fer que els polítics anessin sobtadament conscients i receptius a la recerca sobre la fusió. Al Regne Unit, Thomson va rebre de sobte un finançament considerable. En els mesos següents, es van posar en marxa dos projectes basats en el sistema de pessic. Als Estats Units, Lyman Spitzer va llegir la història de Huemul, es va adonar que era falsa i es va posar a dissenyar una màquina que funcionés. Al maig va rebre 50.000 dòlars per a començar a investigar el seu concepte de stellarator. Jim Tuck havia tornat breument al Regne Unit i va veure les màquines de pessic de Thomson. Quan va tornar a Los Alamos també va rebre 50.000 dòlars directament del pressupost dels Àlbers.
A l'URSS van ocórrer fets similars. A mitjan abril, Dmitri Efrémov, de l'Institut de Recerca Científica d'Aparells Electrofísics, va irrompre en l'estudi de Kurtxàtov amb una revista que contenia un article sobre el treball de Richter, exigint saber per què havien estat derrotats pels argentins. Kurtxàtov es va posar immediatament en contacte amb Beria per a proposar-li la creació d'un laboratori de recerca de la fusió independent amb Lev Artsimóvitx com a director. Només uns dies després, el 5 de maig, la proposta havia estat signada per Iósif Stalin.
Noves idees miniatura|Plasma vermell de l'EAST A l'octubre, Sàkharov i Tamm havien completat una consideració molt més detallada de la seva proposta original, demanant un dispositiu amb un radi major (del toro en el seu conjunt) de 12 metres i un radi menor (l'interior del cilindre) de 2 metres. La proposta suggeria que el sistema podria produir 100 grams de triti al dia, o reproduir 10 quilograms d'U233 al dia.
A mesura que es desenvolupava la idea, es va veure que un corrent en el plasma podria crear un camp prou fort com per a confinar el plasma també, eliminant la necessitat dels imants externs. En aquest punt, els investigadors soviètics havien reinventat el sistema de pessic que s'estava desenvolupant al Regne Unit, encara que havien arribat a aquest disseny des d'un punt de partida molt diferent.