L'histoire de la fusion nucléaire a commencé au début du siècle, lorsque l'on s'est intéressé à la façon dont les étoiles produisent leur énergie. Elle s'est ensuite étendue à une vaste recherche sur la nature de la matière et de l'énergie, alors que les applications potentielles s'élargissaient au domaine militaire, à la production d'énergie et à la propulsion des fusées.
Toutes premières recherches vignette|400x400px| De nombreux auteurs ont proposé des moyens d'organiser toutes les approches de la fusion qui ont été testées. L'organigramme ci-dessus regroupe les approches en plusieurs familles codées par des couleurs : la famille Pinch (« pincement », en orange), la famille Mirror (« miroir », en rouge), les systèmes de type Cusp (« cuspide » en violet), les Tokamaks (en jaune), les Stellarators (en vert), les structures plasma (en gris), les systèmes à confinement inertiel électrostatique (en anglais : Inertial Electrostatic Confinement, ou IEC, en jaune foncé), la fusion par confinement inertiel (en anglais : Inertial Confinement Fusion, ou ICF, en bleu), la fusion magnéto-inertielle par jet de plasma (en anglais : Plasma Jet Magneto Inertial Fusion, ou PJMIF, en rose foncé). En 1920, le physicien britannique Francis William Aston découvrait que la masse totale de quatre atomes d'hydrogène était plus élevée que la masse d'un atome d'hélium 4, ce qui impliquait que de l'énergie serait libérée si l'on combinait des atomes d'hydrogène pour former de l'hélium. Cette idée fournissait les premiers indices sur le mécanisme par lequel les étoiles génèrent leur énergie. Tout au long des années 1920, Arthur Stanley Eddington devenait l'un des principaux partisans pour expliquer le fonctionnement du Soleil principalement à l'aide de la réaction en chaîne proton-proton (réaction PP). En 1929, Friedrich Hund découvrait l'effet tunnel, et peu de temps après, Robert Atkinson et Fritz Houtermans comparaient les masses d'éléments légers pour montrer qu'une grande quantité d'énergie pouvait être libérée en fusionnant des petits noyaux.
Henry Norris Russell avait observé que la relation dans le diagramme de Hertzsprung-Russell suggérait que la chaleur d'une étoile devait provenir d'un noyau chaud plutôt que de l'étoile dans son ensemble. Eddington s'est servi de cette hypothèse pour calculer que le noyau devait avoir une température d'environ 40 millions de °C. Cette valeur avait alors fait l'objet d'un débat car elle était beaucoup plus élevée que les observations astronomiques, ces dernières suggérant plutôt entre 13 et 20 millions de °C. En 1928, George Gamow introduisait la base mathématique de l'effet tunnel et en 1929, Atkinson et Houtermans fournissaient les premières estimations du taux de fusion stellaire et montraient que la fusion pouvait se produire à des énergies plus faibles que ce que l'on croyait auparavant, ce qui confirmait les calculs qu'avait fait Eddington.
C'est au Laboratoire Cavendish, dirigé par Ernest Rutherford, à l'Université de Cambridge, que des expériences nucléaires ont utilisé pour la première fois un accélérateur de particules, construit par John Cockcroft et Ernest Walton. En 1932, Walton produisait la première fission artificielle en utilisant les protons issus de l'accélérateur pour diviser du lithium en particules alpha.. L'accélérateur a ensuite été utilisé pour bombarder des deutérons sur diverses cibles. En collaboration avec Rutherford et d'autres, Mark Oliphant découvrait les noyaux d'hélium 3 (les hélions) et de tritium (les tritons), ce qui fut le premier cas de fusion provoqué par l'homme..
Des neutrons provenant de réaction de fusion ont été détectés pour la première fois en 1933. L'expérience utilisait des protons accélérés vers une cible à des énergies allant jusqu'à 600 000 eV.
En 1939, une théorie vérifiée par Hans Bethe montrait que la désintégration bêta et l'effet tunnel au sein du noyau du Soleil pouvaient convertir un proton en un neutron et ainsi produire un noyau de deutérium plutôt qu'un diproton (noyau de l'hélium 2). Le deutérium pourrait alors fusionner au cours d'autres réactions pour augmenter encore plus la production d'énergie. Pour ce travail, Bethe remporta le prix Nobel de physique en 1967...
En 1938, Peter Thonemann élaborait un plan détaillé pour un dispositif de pincement, mais on lui avait dit de poursuivre d'autres travaux dans le cadre de sa thèse doctorale.
Le premier brevet relatif à un réacteur nucléaire à fusion a été déposé en 1946. par l'Autorité britannique de l'énergie atomique (en anglais : United Kingdom Atomic Energy Authority, ou UKAEA). Les inventeurs étaient Sir George Paget Thomson et Moses Blackman. Il s'agissait du premier examen détaillé du concept de pincement axiale (Z-pinch). À partir de 1947, deux équipes britanniques ont mené des expériences basées sur ce concept.
Années 1950 vignette| Le premier dispositif de fusion nucléaire fabriqué par l'homme qui est parvenu à produire une détonation fut le test Ivy Mike. droite|vignette| Première photo d'un plasma à l'intérieur d'une machine à pincement (Imperial College 1950/1951). Le premier dispositif de fusion artificiel qui a fonctionné était la bombe à fission dopée testée en 1951 dans le cadre de l'essai Greenhouse Item. La première véritable arme nucléaire à fusion était Ivy Mike en 1952, mais sa masse (60 tonnes) ne permettait pas d'en faire une arme pratique. En 1954, Castle Bravo devenait le premier exemple pratique. Dans tous ces dispositifs, le principe est que l'énergie libérée par une explosion de fission comprime et chauffe le combustible, déclenchant la réaction de fusion. La fusion libère des neutrons, qui vont ensuite frapper le combustible de fission environnant, provoquant la division des atomes beaucoup plus rapidement que lors des processus de fission normaux, ce qui augmente l'efficacité des bombes (les armes à fission traditionnelles explosent avant que tout leur carburant ne soit utilisé, alors que les armes à fusion/fission gaspillent moins de carburant).
Stellarator En 1949, l'expatrié allemand Ronald Richter proposait le projet Huemul en Argentine, et annonçait ses résultats dès 1951. Ceux-ci se sont avérés être faux, mais ils ont suscité l'intérêt d'autres scientifiques. Lyman Spitzer commença alors à envisager des moyens pour résoudre les problèmes liés au confinement d'un plasma chaud. Ignorant les efforts concernant le pincement axial, il créait le stellarator. Spitzer demanda ensuite à la Commission de l'énergie atomique des États-Unis (en anglais, United States Atomic Energy Commission, ou AEC) de financer la construction d'un appareil de test.
Pendant cette période, James L. Tuck, qui avait travaillé avec les équipes britanniques sur le pincement axial, présentait le concept de stellarator à ses collègues du Laboratoire national de Los Alamos (en anglais : Los Alamos National Laboratory, ou LANL). Lorsqu'il entendit parler du travail de Spitzer, il demanda à construire sa propre machine à pincement, le Perhapsatron...the first money to be allocated [to controlled nuclear research] happened to be for Tuck, and was diverted from Project Lincoln, in the Hood Laboratory. The coincidence of names prompted the well-known cover name "Project Sherwood". James L. Tuck, "Curriculum Vita and Autobiography", declassified document from Los Alamos National Laboratory (1974), reproduced with permission. Archived 9 February 2012..
L'idée de Spitzer avait permis d'obtenir des financements et il put commencer à travailler dans le cadre du projet Matterhorn. Ses travaux ont finalement conduit à la création du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (en anglais : Princeton Plasma Physics Laboratory, ou PPPL). Tuck est retourné au LANL et a organisé un financement local pour construire sa machine. À ce stade, il était clair que les machines à pincement étaient affligées par de l'instabilité qui entravait tout nouveau progrès. En 1953, Tuck et d'autres avaient suggéré des solutions qui ont conduit à une deuxième série de machines à pincement, telles que les dispositifs ZETA et Sceptre.
La première machine de Spitzer, nommée « A », a fonctionné, mais la suivante, « B », souffrait d'instabilités et de fuites de plasma..
En 1954, le président de l'AEC, Lewis Strauss, prévoyait que l'électricité serait « trop bon marché pour avoir besoin d'être mesurée ».. Strauss faisait probablement référence à l'énergie de fusionPfau, Richard (1984) No Sacrifice Too Great: The Life of Lewis L. Strauss University Press of Virginia, Charlottesville, Virginia, p. 187. , qui faisait alors partie du projet secret Sherwood, mais sa déclaration avait été interprétée comme faisant référence à la fission. Quelques mois auparavant, L'AEC avait publié des témoignages plus réalistes concernant la fission, prévoyant que « les coûts peuvent être réduits... [à]... à peu près le même que le coût de l'électricité provenant de sources conventionnelles... »
Edouard Teller En 1951, Edward Teller et Stanislaw Ulam du LANL développaient le concept Teller-Ulam pour une arme thermonucléaire, ce qui permettait la réalisation de bombes à fusion avec un rendement de plusieurs mégatonnes. Les travaux de fusion au Royaume-Uni étaient devenus confidentiels depuis l'affaire Klaus Fuchs.
Vers le milieu des années 1950, les outils théoriques utilisés pour calculer les performances des machines à fusion ne prédisaient pas leur comportement réel de façon correcte. Les machines laissaient invariablement échapper du plasma à des taux beaucoup plus élevés que prévu. En 1954, Edward Teller avait réuni les chercheurs intéressés par la fusion au Princeton Gun Club pour souligner les problèmes, et suggérer que tout système confinant un plasma avec des champs concaves était voué à l'échec en raison de ce qu'on a appelé plus tard l'instabilité d'échange. Les participants se souviennent de l'avoir entendu dire que les champs étaient comme des élastiques et qu'ils tenteraient de revenir à leur configuration droite chaque fois que la puissance serait augmentée, éjectant ainsi le plasma. Selon lui, la seule façon de confiner le plasma de manière prévisible était d'utiliser des champs convexes : une configuration produisant une « cuspide » magnétique.
À la suite de la réunion, la plupart des chercheurs ont publié des articles expliquant pourquoi les préoccupations de Teller ne s'appliquaient pas à leurs dispositifs. Les machines à pincement n'utilisaient pas les champs magnétiques de cette manière, tandis que les défenseurs des dispositifs à miroir et à stellarator proposaient diverses solutions. Ceci fut bientôt suivi par un article de Martin David Kruskal et Martin Schwarzschild sur les machines à pincement, qui démontrait que les instabilités de ces appareils étaient inhérentes.
ZETA Le plus grand dispositif à pincement « classique » était le ZETA (de l'anglais : Zero Energy Thermonuclear Assembly), qui a commencé à fonctionner au Royaume-Uni en 1957. Son nom est une allusion au petits réacteurs à fission expérimentaux qui avaient souvent « zéro énergie » dans leur nom, comme par exemple le ZEEP (de l'anglais : Zero Energy Experimental Pile) au Canada.
Au début de 1958, John Cockcroft avait annoncé que de la fusion s'était produite dans le ZETA, ce qui fit les gros titres dans le monde entier. De plus, il avait rejeté les préoccupations que soulevaient les physiciens américains. Les expériences américaines avaient rapidement produit des neutrons similaires à ceux du ZETA, bien que les mesures de température suggéraient que ces derniers ne pouvaient pas provenir de la fusion. Il fut démontré plus tard que les neutrons du ZETA étaient produits par différentes versions des processus d'instabilité qui avaient tant tourmenté les machines précédentes. Cockcroft a été contraint de revenir sur ses revendications de fusion, ce qui a entaché l'ensemble du domaine de la fusion pendant des années. Le projet ZETA fut arrêté en 1968.
Scylla