background image

Fusion as an Energy Source:
Challenges and Opportunities

Fusion as an Energy Source:
Challenges and Opportunities

Institute of Physics 

Report

Institute of Physics 

Report

A report prepared for the Institute of Physics by W J Nuttall

September 2008

For further information or a large print version, please contact: 

Rosie Davies

The Institute of Physics 
76 Portland Place 
London W1B 1NT, UK 
Tel +44 (0)20 7470 4800 
Fax +44 (0)20 7470 4848 

rosie.davies@iop.org
www.iop.org 

Registered charity no. 293851

© The Institute of Physics 

The material included in this report may be reproduced and disseminated 
without infringing copyright providing the following acknowledgement is given:

Fusion as an Energy Source: Challenges and Opportunities, 2008.

Reproduced by

permission of the Institute of Physics.

background image

Fusion as an energy source: challenges and opportunities

i

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

Acknowledgements 

ii

1:

 Introduction 

1

1.1:

  The funding landscape  

1.2:

  The benefits of fusion as an energy source  

2:

 What is fusion? The basic physics  

3

2.1:

  Tokamaks: a technical explanation  

 

3:

 The quest for fusion: a history 

3.1:

  Achievements of the large tokamaks 

3.2:

  The International Thermonuclear Experimental Reactor 

4:

 Unconventional magnetic confinement approaches to fusion 

4.1:

  Spherical tokamaks 

8

4.2: 

Beyond tokamaks: the stellarator 

5:

 Why is fusion research so slow? 

10

5.1:

  A strategy for the 21st century  

10

5.2:

  Historical, current and future costs 

11

5.3:

  Commercial fusion before fusion electricity: faster than fast track?  

12

6:

 Fusion – another way? 

13

6.1:

  Inertial confinement fusion energy  

13

6.2:

  Plasma pinch 

13

6.3:

  Cold fusion?  

13

7:

 Six challenges for fusion 

14

7.1:

  Planned availability 

14

7.2:

  Reliability 

14

7.3:

  Structural integrity 

14

7.4:

  Helium supply 

14

7.5:

  High-temperature plasma-facing materials – the divertor 

15

7.6:

  Problematic materials 

15

8:

 Conclusions 

16

9:

 Bibliography 

16

 

background image

Acknowledgements

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

ii

Acknowledgments

I am most grateful to David Ward, Richard Dendy, Rich-
ard Clarke, Bartek Glowacki, Malcolm Haines, Bruno 
Coppi, Joe Minervini, Leslie Bromberg, Jeffrey Freidberg 
and Peter Hagelstein for suggestions and advice. Any 
errors and omissions are my responsibility alone. 

I am also most grateful to Tajinder Panesor at the 

Institute of Physics for commissioning this report and 
to the Institute’s Rosie Davies for editing.

background image

1

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

1:

 Introduction

Figure 1: UK domestic 

fusion R&D budget and 

oil price from 1975 to 

2005. Source: UKAEA 

Culham.

1 engineers.ihs.com/news/

eu-en-greenhouse-gases-5-07.

htm.

Climate Action: Energy for a 

Changing World,

 ec.europa.eu/

energy/climate_actions/index_

en.htm.

3 IOP 2004 

The Future of 

Fission Power: Evolution or 

Revolution?

4 A Klix 

et al.

 2005.

Life on Earth currently faces a threat on a truly global 
scale: climate change. A scientific consensus is emerg-
ing that civilisation must reduce its emissions of global 
warming gases by more than half in less than 50 years

1

 

if we are to stand a chance of achieving a global climate 
as stable as that of the past 10 000 or so years.

This pressing need comes at a time when fossil-fuel 

prices are high, albeit perhaps for short-term reasons, 
giving the world a window of opportunity in which to 
make  a  significant  move  away  from  environmentally 
harmful fossil-fuel combustion. Thus far, no country has 
managed to make significant cuts in greenhouse-gas 
emissions as a consequence of rising concern over glo-
bal warming. In Europe, at least, political leaders have 
started to put in place policies that, if delivered, would 
have sufficient strength to have some impact on the 
problem. In January 2008 the EC president José Manuel 
Barroso released a major package of policies entitled 
“Climate Action”.

2

 The measures consolidated earlier 

plans for a 20% cut in EU greenhouse-gas emissions by 
2020, even in the absence of any global deal that might 
see the EU target become a 30% cut.

To  meet  its  primary  energy  needs  each  year,  the 

world consumes energy roughly equivalent to 12 billion 
tonnes of oil. Of this, three-quarters comes from fos-
sil fuels, all of which when combusted release carbon 
dioxide (CO

2

); while around 6% is supplied by the very 

low CO

2

-emitting technology of nuclear power. 

All nuclear power stations in operation today rely on 

fission – the splitting of large atomic nuclei, in particular 
the very heavy elements uranium and plutonium. Most 
nuclear power stations are fuelled by uranium, and some 
plutonium is produced from uranium by the reactions.

3

 

However, fission is not the only type of nuclear reaction 
to release energy. An alternative approach to usable 
energy production depends on nuclear fusion. The basis 
of this is the release of energy when very light nuclei are 
brought together to form more stable heavier ones.

As with fission, fusion would be a source of usable 

heat-energy producing almost no CO

2

 emissions. The 

only  greenhouse-gas  emissions  produced  would  be 
those  associated  with  the  construction  and  manu-
facture of the power station, and the need for exter-
nal energy inputs for start-up and operations. Fusion 
research holds out the promise of a clean, sustainable 
energy supply to contribute to the increasing needs of 
our civilisation.

In the history of fusion, governments have sometimes 

emphasised the scientific interest of fusion research. In 
the UK, however, the goal is clear: a fusion power sta-
tion producing electricity for a competitive market. This 
is a substantial technical challenge but it seems that 

none of the technological elements is beyond reach.

1.1: The funding landscape

Despite the growth in global concern about the increase 
in atmospheric CO

2

 and average global temperatures 

since the 1980s, it is only in more recent years, with 
rapidly rising fossil-fuel prices, that support for fusion 
research has increased. There is a correlation between 
oil price and support for fusion research; 

figure 1

 implies 

that there is a lag of a few years between a change in oil 
price and spending on the UK fusion programme.

Figure 2

 shows the UK’s investment in fusion research 

compared with international investment levels over a 
similar timescale. In all countries shown, fusion budg-
ets had declined by the late 1990s, reflecting a period 
of inexpensive energy supplies. It is noteworthy that in 
the US, decreases in fusion research budgets occurred 
most strongly in the late 1970s, only increasing again 
modestly following the “second oil crisis”, prompted by 
the 1979 Iranian revolution.

1.2: The benefits of fusion as an energy 

source

In principle, fusion has several key benefits over conven-
tional approaches to nuclear power based on fission:

The fuel for fusion is abundantly available

. Two 

isotopes of hydrogen are well suited for fusion: 
deuterium and tritium. Deuterium is available from 
seawater (and can be extracted by electrolysis) 
and it is expected that tritium can be produced 
within a fusion power station from small quantities 
of lithium.

4

 Lithium has a range of commercial 

uses, including, importantly, in modern batteries. 
Despite increasing demand, lithium supplies remain 

1:

 Introduction

0

UK domestic fusion R&D budget (£m – 1990)

50

1970

1980

year

40

30

20

10

1990

2000

2010

0

100

80

60

40

20

oil price ($/bbl)

fusion
oil

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

2

1:

 Introduction

Figure 2: Public 

spend on fusion 

RD&D, international 

comparison from 

1974 to 2006.

 

Source: 

International Energy 

Agency, see www.iea.

org/textbase/stats/

rd.asp.

5 Typical annual values, see 

R Pitts 

et al.

 2006.

6 See section 6.

abundant. The long-term fuel security of fusion 
would appear to exceed that of fission power and 
hence far exceed that of fossil-fuel energy. A fusion 
station would use about 100 kg of deuterium and 
3 tonnes of lithium to produce the same amount 
of energy as a coal-fuelled power using 3 million 
tonnes of fuel.

5

Fusion has a low environmental impact

. Whereas 

fission stations produce spent fuel with half-lives 
of thousands of years, the only radioactive wastes 
produced from a fusion station would be from the 
intermediate fuel, tritium, and any radioactivity 
generated in structural materials. The radioactivity 
of tritium is short-lived, with a half-life of around 
12 years, and if chosen appropriately the structural 
materials have a half-life of around 100 years.

Fusion is inherently safer than fission in that 

it does not rely on a critical mass of fuel

. This 

means that there are only small amounts of fuel 
in the reaction zone, making nuclear meltdown 
impossible.

Fusion power stations would present no 

opportunity for terrorists to cause widespread 
harm (no greater than a typical fossil-fuelled 
station) owing to the intrinsic safety of the 
technology

. Fusion in a tokamak relies on a 

continuous supply of fuel, without which the process 

soon dies away. Furthermore, the process is only 
sustained via careful use of the controlling magnetic 
fields. While the magnets contain some limited 
stored energy, the fusion reactor does not. This is in 
contrast with other low-carbon electricity sources, 
fission and conventional hydropower, which require 
the safe control of large amounts of stored energy, 
even when not operating.

As with fission, fusion power stations would 

provide energy at a constant rate, making them 
suitable for base-load electricity supply

. Fusion 

electricity will be similar to fission electricity in its 
cost structure; a power station will require complex 
and expensive engineering, while fuel costs will 
be negligible in comparison. Staffing levels will 
be roughly constant whether or not the plant is 
generating. As such, the majority of costs will 
be capital costs and almost all will be fixed. The 
marginal cost of electricity generation will be very 
small.

Fusion power stations would not produce fissile 

materials and make no use of uranium and 
plutonium, the elements associated with nuclear 
weapons

. This reduces proliferation concerns 

associated with these elements, although fusion is 
not completely free from proliferation risks.

6

1400

1200

1000

800

400

200

0

public spend on fusion RD&D ($m)

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

year

Germany

Italy

Japan

UK

US

600

background image

3

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

2:

 What is fusion? The basic physics

Nuclear reactions are different from chemical reactions 
in  that  they  involve  the  protons  and  neutrons  in  the 
nucleus, rather than electrons. Like chemical reactions, 
nuclear reactions can involve either a net absorption or 
a net release of energy. To achieve a release of energy 
in a fusion reaction, smaller, less stable nuclei must be 
joined together to form a more stable nucleus. Elements 
on the far left of the curve in

 figure 3

 release energy by 

fusion, while elements on the far right release energy 
via fission.

The  energy  released  arises  from  the  difference 

between  the  nuclear  binding  energies  of  the  initial 
and  final  components.  In  the  conventional  approach 
to  fusion,  no  fundamental  nuclear  particles  are  cre-
ated or destroyed. The energy associated with binding 
the initial components is greater than that associated 
with the reaction products, and it is this energy differ-
ence that is released during fusion. Interestingly, these 
small differences in binding energy are reflected in the 
observable masses of the various reaction components; 
via  Albert  Einstein’s  famous  equation  describing  the 
equivalence of mass and energy: 

mc

2

. This states 

that energy = mass 

×

 (speed of light)

2

. That is, the com-

ponents after the reaction actually weigh less than those 
before the reaction and the mass difference is released 
as energy. Einstein’s equation gives an indication of the 
scale of the proportionality between mass and energy, 
and it explains why very small changes of mass in nuclear 
fuel can release a great deal of usable energy.

Fusion occurs inside the Sun at 15 million °C, and at 

more than 100 million °C in manufactured experimental 
reactors.

It is interesting to note that, despite the tem-

peratures involved, the pressure inside a fusion tokamak 
will actually be quite low, similar to atmospheric pressure. 
This is a consequence of the small amounts of fusion fuel 
involved. Fusion reactors use specific isotopes of hydro-
gen as fuel because these can react at a useful rate for 
power production, allowing a fast reaction at more easily 
achievable temperatures. Most reactors use deuterium 
and tritium. As shown in 

figure 4

, all of these atoms have 

a single proton but, while hydrogen has no neutrons, 
deuterium has one and tritium has two.

In preparation for fusion, these isotopes are heated 

so that they become a plasma. This is an ionised gas 
consisting of free electrons and nuclei not bound into 
atoms, and it is a distinct state of matter, along with 
solids, liquids and gases. This allows the atomic nuclei 
to be separated out. Since the deuterium and tritium 
ions, like any atomic nuclei, are positively charged, they 
repel each other strongly with an electrostatic force. 
For fusion to occur, this repulsion must be overcome, 
forcing these lighter nuclei close enough together for 

long enough to bring them into collision. This involves 
confining the plasma at very high temperatures, and at 
the same time isolating it from the walls of the container 
to prevent impurities. Plasma stability remains an active 
area of fusion physics research. The fusion plasma must 
be confined and kept clean for the longest possible sus-
tained fusion reaction – ideally in an operating power 
station for several hours.

8

There  are  two  conventional  ways  of  achieving  this 

in  a  fusion  power  station.  In  magnetic  confinement 
approaches to fusion (MCF), magnetic fields hold the 
plasma in isolation while very high temperatures, cor-
responding to very high speeds for the nuclei, create 
the necessary collisions. MCF, in the form of a toka-
mak reactor, is the most common approach to fusion 

7 J Bahcall 2005. 

8 R Pitts 

et al.

 2006.

2:

 What is fusion? The basic physics

nuclear binding energy per nuclear particle (nucleon) (MeV) 

size of nucleus/mass number

4

2

0

50

100

150

200

yield from fusion 

per nucleon

Fe

yield from fission

per nucleon

6

8

p

hydrogen

n

p

n

p

n

n

n

n

n

p

p

p

n

deuterium

tritium

e

e

e

Figure 3: The relationship between binding energy and mass number of 

elements.

Figure 4: Hydrogen, deuterium and tritium.

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

4

2:

 What is fusion? The basic physics

Figure 5: The fusion 

reaction of deuterium 

and tritium.

power and magnetically confined fusion energy (MCE). 
In inertial confinement approaches to fusion research 
and to fusion energy (ICF and ICE), very high pressure is 
applied very quickly, initiating a short fusion pulse. Iner-
tial confinement can be achieved using high-powered 
lasers. The majority of this report deals with MCE, as 
this approach will more probably yield a usable energy 
source before ICE does.

Figure 5 

illustrates the fusion reaction between deu-

terium and tritium, releasing a helium nucleus and a 
single neutron, as well as 17.6 MeV (2.82 

×

 10

–12

 J) of 

energy. The original energy of convergence is negligible 
in comparison. The released energy is taken up by the 
two new particles in inverse proportion to their masses. 
That is, a fifth is taken up by the kinetic energy of the 
helium nucleus and four-fifths by the kinetic energy of 
the neutron. As an electrically neutral particle, the neu-
tron is unaffected by any magnetic fields. These fast 
neutrons are emitted in all directions and are the pri-
mary means by which energy leaves the fusion reactor.

Many of these neutrons would leave the reactor on its 

outer edge and come to rest in a component known as 
“the blanket”. This contains material designed to slow 
down the fast neutrons and in doing so become heated. 
This heat is, in turn, transferred to a medium such as 
high-pressure helium or steam. This hot, high-pressure 
gas can be used to drive an electricity-generating tur-
bine. Some modules of the power-station blanket would 
include lithium, which reacts with the fast neutrons to 
generate tritium, one of the two fuels required for the 
reaction. In this way a fusion power station could pro-
duce one component of its own fuel 

in situ

.

Unlike the neutron, the helium nucleus is charged, 

so in MCF it becomes trapped by the magnetic fields 
holding the plasma in place. This allows energy to be 
retained in the plasma, helping to maintain high tem-
peratures. If this internal heating effect is sufficient to 
sustain the required temperature at the correct density, 
the plasma is said to ignite and the reactor to operate 
in ignition mode.

However, once the helium nucleus has transferred its 

energy to the plasma, it becomes something of a prob-
lem. As a heavy ion it acts to dilute and cool the plasma, 
thereby inhibiting the reactions. It becomes helium ash, 
and  power-station  designs  incorporate  sophisticated 
devices known as divertors to extract this residue. Diver-
tors and the associated plasma geometry present sig-
nificant technical challenges. One key challenge is the 
choice  of  high-temperature  durable  materials  for  the 
divertor target.

9

 In an eventual power station the divertor 

would be subject to intense particle bombardment and 
reliability will be key to its commercial success.

2.1: Tokamaks: a technical explanation 

The  tokamak  addresses  a  key  challenge  for  fusion  – 
sustained operations and plasma stability. The conven-
tional design for an MCF reactor is shown in 

figure 6

The plasma is contained in a toroidal vessel and held in 
isolation from the walls by a helical magnetic field from 
a set of D-shaped toroidal field coils (blue). The process 
starts with the high-vacuum reactor vessel being charged 
with a small amount of deuterium and tritium gas, which 
is then ionised and the electrons are removed.

The  voltage  applied  to  the  primary  circuit  (red)  is 

swept slowly from a large positive to a large negative 
value. In near-term research machines, such a sweep 
might last for about a minute. In a commercial MCE 
power station, such a sweep would last far longer, per-
haps even hours. This magnetises the iron core (orange), 
generating a field that induces a current in the plasma 
(analogous  to  the  secondary  coil  of  a  conventional 
electric transformer). Positively and negatively charged 
components are not bound together in a plasma, so the 
changing field induces a current of two components: 
positive nuclei moving in one direction round the torus 
and negative electrons moving in the opposite direction. 
The key advantage of this geometric arrangement is the 
fact that the plasma particles do not follow smooth cir-
cular paths round the ring. While the transformer action 
gives rise to a poloidal magnetic field, the coils create a 
toroidal magnetic field. The combination of these fields 
results in the plasma particles following a helical path 

p

deuterium

nucleus

tritium

nucleus

neutron

helium

nucleus

+ energy

(17.6 MeV)

fusion

n

n

p

n

n

p

p

n

n

9 R Pitts 

et al.

 2006.

background image

5

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

2:

 What is fusion? The basic physics

Figure 6: Schematic 

of a tokamak.

 

Source: 

EFDA JET.

round the torus (black). This helical motion is key to the 
stability of a tokamak plasma.

At  the  start  of  a  voltage  sweep  the  plasma  is  cold 

and  viscous.  Much  of  the  applied  electrical  energy  is 
converted into plasma heat because of friction effects. 
However, such resistive heating alone is insufficient. In 
modern tokamaks, heat is also transferred to the plasma 
in a range of other ways, including resonant radio fre-
quency energy (not unlike the operation of a domestic 
microwave oven) and high-energy beams of neutral par-
ticles, such as hydrogen atoms (the motion of which is 
unaffected by the magnetic fields of the tokamak, at least 
prior to ionisation).

Tokamak plasma physics is benchmarked according 

to a few key indicators; an important one is the pressure 
ratio, 

β

. This is the ratio of the pressure in the plasma 

to the “magnetic pressure”, or energy density, which is 
proportional to the square of the applied magnetic field. 
Generally those considering fusion power concepts are 
attracted to high-

β

 designs because of their more effi-

cient use of the magnetic field.

Inductively  driven  tokamaks  are  pulsed  machines. 

Fundamentally  this  arises  because  the  plasma  cur-
rent is driven by transformer action, and the primary 
circuit  necessarily  only  has  a  limited  voltage  swing. 
This transformer action provides the initial heating and 
sets up the plasma current. Once the voltage sweep is 
finished, the plasma current starts to decay because 
of resistive losses. However, this plasma current can 
be sustained via directed heating, and also as a result 
of complex secondary effects, such as the so-called 
“bootstrap current”. These additional sources may be 
sufficient to allow a power station to operate in a near-
continuous, rather than pulsed, mode. At present, most 
fusion proponents look to tokamak operations lasting 
several hours in a long pulse mode, with only limited 

time required to reset for the next pulse.

Tokamaks  require  several  sets  of  magnetic  coils. 

Physically the largest coils are the toroidal field coils 
– superconducting magnets (blue in 

figure 6

). The mag-

netic fields required for a tokamak are very large, yet 
space around and within the machine is at a premium. 
These constraints lead to the need for superconducting 
magnets in all future large-scale tokamaks. The Interna-
tional Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) will 
use some of the largest superconducting magnets in 
the world.

10

 Superconductors have the property of zero 

electrical resistance at low temperatures, which allows 
large  currents  to  flow  through  ITER’s  electromagnets 
with very high efficiency.

transformer winding

(primary circuit)

iron transformer core

toroidal

field coils

toroidal

magnetic field

poloidal

magnetic field

resultant

helical field

(twist exaggerated)

plasma current

(secondary circuit)

10 See section 3.

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

6

3:

 The quest for fusion: a history

The first fusion experiments were conducted at the Uni-
versity of Cambridge, UK, during the 1930s, but it wasn’t 
until the following decade that fusion’s potential as an 
energy source was realised. Fusion research for energy 
generation has had a turbulent and complex history.

The 1950s saw misplaced optimism with the opera-

tion in the UK of the Harwell Laboratory’s Zero-Energy 
Thermonuclear Assembly (ZETA)

11

 – a stabilised toroidal 

pinch machine. It had a toroidal shape but the region 
of plasma physics interest was restricted to a particu-
lar toroidal segment – the “pinch”, where the plasma 
was magnetically squeezed to increase its “magnetic 
density”.

Throughout the early years of fusion research, plasma 

stability  in  MCF  systems  presented  an  ongoing  diffi-
culty. While some in Britain were calling for an end to 
fusion-energy research, a breakthrough came in 1968 
from the Kurchatov Institute in the Soviet Union. A new 
approach known as the tokamak was found to work very 
well in the form of the T3 machine, which was based on 
a 1951 concept from Igor Tamm and Andrei Sakharov.

In the 1970s the construction of big fusion-research 

machines was approved, including a European collabo-
ration to build the biggest machine to date – the Joint 
European  Torus  (JET).  In  the  1980s,  Soviet  general 
secretary Mikhael Gorbachev proposed to US president 
Ronald Reagan that the superpowers might collaborate 
to  build  ITER.  In  the  1990s,  however,  policy-makers’ 
enthusiasm for grand energy research projects wavered 
against a background of sustained low oil prices. A key 
step was taken in November 2006 when a much-revised 
ITER plan was finally agreed as a seven-party interna-
tional collaboration.

3.1: Achievements of the large tokamaks

While  much  good  research  has  been  conducted  on 
small tokamaks, it is three large tokamaks that have 
done the most to help to make fusion energy a viable 
prospect. They are:

Japan Atomic Energy Research Institute Tokamak-60 

(JT-60) in Naka, Japan, 1985 to present;
Tokamak Fusion Test Reactor in Princeton, New 

Jersey, US, 1982–1997;
JET in Culham, Oxfordshire, UK, 1984 to present. 

Together these three machines have demonstrated the 

scientific fundamentals of fusion power production. For 
instance, researchers at JT-60 demonstrated that even 
once the initial driving transformer sweep has ended, it 
should be possible to continue to operate the tokamak 
by means of an external current drive – an important 

step towards continuous electricity generation.

A greater challenge than maintained high plasma tem-

perature is plasma confinement. Much work has been 
undertaken to understand the diffusion of plasmas in 
tokamak fields. Key considerations are high-energy par-
ticle collisions and plasma turbulence. Another critical 
topic specifically for the tokamak is continuous opera-
tion. Sustained plasma motion and confinement might 
be maintainable as a consequence of the bootstrap cur-
rent – an important effect predicted theoretically in the 
early 1970s and first observed by Michael Zarnstorff in 
1984 at the University of Wisconsin-Madison.

 

The boot-

strap current was not anticipated when tokamaks were 
first proposed, but it could be of great importance in 
achieving continuous electricity generation. If the boot-
strap current is insufficient, plasma motion may also be 
enhanced, for example via directed neutral beam injec-
tion or resonant frequency electromagnetic waves.

12

 JET 

has achieved the highest level of fusion energy produc-
tion (

figure 8

). In 1997, JET briefly produced 64% of the 

amount of energy being fed into the plasma (denoted by 
Q = 0.64). This refers to the total energy released by the 
reaction, four-fifths of which is taken up by the emitted 
neutrons, providing the heat for electricity generation. 
Only when the plasma reactions release five times the 
amount of energy that is put in (Q > 5) is the internal 
heating power greater than the supplied power. Clearly a 
power station needs to produce vastly more energy than 
it consumes (e.g. Q ~ 50). Originally it was anticipated 

that a fusion power station might operate without ongo-
ing supplied power, in ignition mode (Q = ∞). Increas-

3:

 The quest for fusion: a history

Figure 7: The JET tokamak. Source: EDFA-JET.

11 C M Braams and P E Stott 

2002, section 4.2.

12 See section 2.1.

background image

7

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

3:

 The quest for fusion: a history

Figure 8 (left): Record-

breaking deuterium-

tritium fusion energy 

production at the JET 

facility. Source: EDFA-

JET.
Figure 9 (right): ITER 

cryostat and tokamak. 

Source: ITER.

ingly, however, this is recognised as neither essential 
nor even desirable for reasons of plasma control.

3.2: The International Thermonuclear 

Experimental Reactor 

ITER (“the way” in Latin) is an experimental tokamak reac-
tor that is due to be built between 2009 and 2018. The 
project is a collaboration between the EU, China, India, 
Japan, Russia, South Korea and the US, although current 
US participation is shaky, with only $10.7 m (£5.4 m)

13

 

having been appropriated for ITER in the 2008 federal 
budget, rather than the expected $160 m (£81.0 m).

14

ITER is to be the next step on the main trajectory 

towards a fusion power station, combining fusion sci-
ence  and  technology.  ITER  will  cost  at  least  €10 bn 
(£7.9 bn) over its 30-year lifetime. Roughly half of this 
will be used to build the machine and half to operate 
and decommission it. Following intense international 
competition, the global partners agreed to locate the 
machine at Cadarache in southern France.

While the earliest plans imagined that ITER should 

achieve ignition, this ambition has been scaled back 
(from aiming to achieve an infinite Q value, ignition, to a 
level of at least Q = 10), recognising that power stations 
would be unlikely to operate in ignition mode.

The goal for ITER is to produce roughly 500 MW of 

thermal  energy

15

  (a  similar  power  rating  to  that  of  a 

modular natural-gas-fuelled combined-cycle gas turbine 
for power production) in long pulses of at least 400 sec-
onds. The reactor is experimental; there is no intention 
of using ITER as a power station. Preparatory site works 
began in 2007, and most of the design and negotiation 
challenges have now been met.

fusion power (MW)

time (seconds)

10

5

0

0

15

1

2

3

4

5

6

JET 

(1991)

Q = 0.2

JET 

(1997)

JET 

(1997)

Q = 0.64

13 Based on 2008 exchange 

rates.

14 

ibid.

15 C Llewelyn Smith and 

D Ward 2005. 

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

8

4:

 Unconventional approaches to magnetic confinement

While there is a clear and coherent path from the early 
Russian T3 machine, through the big tokamaks of the 
1970s, towards ITER and an eventual fusion power sta-
tion, this sequence is not the only interesting and poten-
tially energy relevant tokamak research.

One research thread has been that of low-cost toka-

maks,  intended  primarily  for  scientific,  rather  than 
energy,  purposes.  Perhaps  the  most  radical  of  such 
proposals is the Ignitor concept from Bruno Coppi and 
colleagues  at  Massachusetts  Institute  of  Technology 
(MIT) and the Italian National Agency for New Technolo-
gies, Energy and the Environment (ENEA).

16

This design aims to achieve ignition as cheaply as pos-

sible. Perhaps most important is that the project avoids 
some  of  the  more  complicated  technology  of  other 
fusion reactors by not employing a divertor to extract 
the helium ash, because the machine is intended from 
the outset only to perform pulsed experiments. Coppi 
points to the high levels of inherent plasma cleanliness 
in the Ignitor concept as being a key positive attribute 
of that particular low-cost approach. At present, while 
components  of  Ignitor  have  been  manufactured,  the 
machine is far from complete.

4.1: Spherical tokamaks

Another radical and highly successful concept is Mar-
tin Peng’s spherical tokamak (ST), which was demon-
strated for the first time in the UK by the Spherical Tight 
Aspect  Ratio  Tokamak  (START).  The  Culham  Science 
Centre team built START in its spare time using sec-
ond-hand equipment, and in 1998 smashed the world 
record  with  a  high  value  for  the  key  plasma-physics 
benchmark – the pressure ratio 

β

.

17

 Since the success 

of START, impressive achievements have been made 
with second-generation STs, with Globus-M in Russia, 
the National Spherical Torus Experiment at Princeton 
in the US, and in the UK with the Mega Amp Spherical 

Tokamak (MAST), which has been running since 1999.

The ST is topologically identical to the torus of the 

conventional tokamaks because the sphere has a hole 
running through it. The term spherical refers to the outer 
shape only.

Princeton Plasma Physics Laboratory reports that ST 

plasma configuration “may have several advantages, a 
major one being the ability to confine a higher plasma 
pressure for a given magnetic field strength. Since the 
amount  of  fusion  power  produced  is  proportional  to 
the square of the plasma pressure, the use of spheri-
cally shaped plasmas could allow the development of 
smaller, more economical fusion reactors.”

18

In addition to a very high pressure ratio, STs also have 

the advantage of a very large bootstrap current com-
pared with conventional tori. This suggests the possibil-
ity that sustained operations would be achieved more 
easily in an ST than in more conventional approaches. 
Despite  these  opportunities,  it  must  be  emphasised 
that STs are far less developed than conventional tori 
such as ITER, which remain the technology on track for 
the first commercial deployment of fusion.

4.2: Beyond tokamaks: the stellarator

Before the breakthrough that gave us the tokamak, there 
was one other candidate expected to achieve a sustained 
MCF plasma. This was known as the stellarator, and in the 
1960s the US was a world leader in this area. In a stel-
larator, unlike in a tokamak, the field coils alone provide 
an induced helicity to the plasma. There is no transformer 
action with a sweeping driving current, so the machine 
operates in a steady-state mode, with plasma confine-
ment arising solely from the geometry of the external 
magnetic field. Studies done in Japan and Europe have 
shown that stellarators achieve distinctly higher plasma 
densities than tokamaks and do not suffer from current-
driven instabilities and plasma disruptions like the toka-

4:

 Unconventional approaches to

  magnetic confinement

Figure 10 (left): Hot 

plasma from the MAST 

fusion experiment. 

Source: UKAEA 

Culham.
Figure 11 (right): 

Schematic 

arrangement of 

a magnetic field 

coil system for the 

Wendelstein 7-X 

stellarator under 

construction in 

Greifswald, Germany. 

Source: Max Planck 

Institute.

16 R Herman 1990.

17 www.pppl.gov/projects/

pages/nstx.html.

18 See section 2.1.

background image

9

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

4:

 Unconventional approaches to magnetic confinement

mak. The confinement is observed to be similar to that of 
equal-sized tokamaks.

As 

figure 11

 illustrates, the stellarator requires field 

coils  of  an  extremely  complex  configuration.  Despite 
the benefits provided by computer-aided design, stel-

larators remain difficult machines to manufacture. The 
most impressive attempt under way is in Greifswald, 
Germany, where the 30 m

3

 Wendelstein 7-X stellarator 

is under development, with the first plasma operation 
scheduled for 2014.

19

19 J-H Feist 

et al.

 2007.

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

10

5:

 Why is fusion development so slow?

Figure 12: The goal 

of fusion energy 

recedes if research 

is under-supported. 

Source: DOE Princeton 

University Plasma 

Physics Laboratory.

In  public  policy  terms,  the  greatest  challenge  facing 
fusion is the pervasive perception that fusion as a power 
source is an ever-receding goal. This view is not without 
foundation. On 18 April 1967, then UK minister of tech-
nology Tony Benn noted in his diary that Soviet nuclear 
scientist Lev Andreevich Artsimovich had said to him: 
“Well, 10 years ago we said it would take us 20 years 
to make fusion work and we still say that it will take 20 
years to make fusion work, so we haven’t altered our 
view in any way.”

20

 Such insights might lead us to the 

view that things have actually got worse, not better.

In the fusion research laboratories an alternative view 

is presented. It is argued that the crucial measure is 
not time but effort. If sufficient resources had been pro-
vided and sustained then some of the earlier promises 
would have been fulfilled.

A  1976  report  from  the  US  Energy  Research  and 

Development  Administration  presented  a  set  of  sce-
narios  for  the  then  future  development  of  MCE.  The 
costs presented (US dollars in 1976) range from about 
$15 bn to $20 bn

21

 (£8.3 bn to £11.1 bn).

22

 Research-

ers at Princeton Plasma Physics Laboratory have con-
sidered US support for fusion since 1980 (

figure 12

). If 

all had gone well, the original 1980 estimate of $30 bn 
(£12.9 bn)

23

  might  have  been  sufficient  to  achieve 

demonstration fusion by the year 2000. In fact, federal 
research funding was supplied at a far slower rate than 
originally anticipated in the Magnetic Fusion Engineer-
ing Act of 1980. As a consequence the prospect of a 

demonstration of commercial fusion power production 
receded to the year 2035. The simple message from 
the fusion research community is that if we work less 
than half as hard, it will take us more than twice as long. 
These voices assert that if fusion is to address press-
ing energy policy challenges, it will need resources that 
constitute a significant proportion of the energy budget. 
At present, Europe devotes less than 0.5% of its total 
energy spend to related R&D, and fusion research is 
merely a small part of that total. To make significant 
adjustments to Europe’s energy system to address pol-
icy goals, much more R&D will be needed, not only in 
fusion but also in other areas.

5.1: A strategy for the 21st century

Scientific fusion research has had many successes, and 
it is often said that no fundamental scientific challenges 
remain, only engineering ones. Such statements can, 
however, give a false impression. While the fusion reac-
tion is well understood, many physics questions remain, 
such as those regarding plasma-burn control and robust 
fusion materials.

Various “fast-track” approaches are being pushed by 

fusion laboratories to bring forward the time when fusion 
energy will be a viable option. Central to the fast track is 
a strong emphasis on materials testing. Originally ITER 
was, in part, intended to provide a source of fast neu-
trons for materials testing.

24

 The necessary materials 

research would only start once ITER had demonstrated 

5:

 Why is fusion development so slow?

 funding for fusion research ($m – 2002)

35 000

year

0

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

2035

30 000

25 000

20 000

15 000

10 000

5000

Magnetic fusion

Engineering Act 

of 1980 intended

spend

actual spend

up to 2003

Fusion Energy Development

Plan, 2003 (MFE)

intended spend

ITER

demo

demo

FED

2003 status

20 T Benn 1996.

21 The 1976 ERDA report is 

most accessible as a reprint: 

S O Dean, Fusion power by 

magnetic confinement program 

plan 

Journal of Fusion Energy

 

17 4

 263–287.

22 Based on the 1976 

12 month average exchange 

rate.

23 Based on the 1980 

12 month average exchange 

rate.

24 V Barabash 2004.

background image

11

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

5:

 Why is fusion development so slow?

the  fundamental  fusion  physics.  Now,  however,  it  is 
recognised that other experimental demands will mean 
that  ITER  will  not  deliver  the  sustained  high  neutron 
fluxes required. Furthermore, waiting until the sched-
uled start of ITER in 2018 would cause an unhelpful 
delay in materials research. As a consequence, the fast 
track includes the International Fusion Material Irradia-
tion Facility (IFMIF), which was conceived in 1996. The 
Japanese are taking the lead on the engineering design 
of IFMIF in Rokkasho, but no site has been proposed in 
Japan, or elsewhere, for the facility. IFMIF would allow 
rapid progress on important materials-science research 
essential for fusion power stations, but at present the 
IFMIF facility is yet to be funded.

In addition to IFMIF, the fast track envisages only one 

step between the ITER experimental facility and a first 
commercial power station. That intermediate step is the 
Demonstration Power Plant (DEMO), which is intended 
to produce 250% of the heat of ITER – a thermal output 
consistent with the demands of an actual fusion power 
station. It is conventional to speak in terms of a single 
DEMO power station following the ITER research project, 
although it is probable that there would be several in 
different parts of the world such as in the US, Europe, 
Japan, and perhaps China or India. In some countries the 
DEMO stage is expected to be led by private corporations 
with public subsidy or other forms of initial support.

Conventionally it has been intended that DEMO should 

follow ITER and build on the research undertaken with 
that machine. Increasingly, however, individuals such as 
Chris Llewellyn Smith, director of the UK Atomic Energy 
Authority (UKAEA) Culham Division, have been advo-
cating a prompt start to the construction of DEMO, in 
advance of completion of the ITER machine.

5.2: Historical, current and future costs

Fusion research is controversial in science and technol-
ogy public-policy circles, not because of its technical 
merits or otherwise but because of its cost. For some it 
is the great white elephant of energy research budgets 
with ever more good public money being sent to follow 
investments gone bad. For others, the history of fusion 
is one of consistent underfunding punctuated by rela-
tively short bursts of proper research support when oil 
prices peak.

Fusion research is “big science”, but for most coun-

tries it is big science with a purpose – commercial energy 
production. The fusion community’s ambition to yield 
a sustainable energy source for the late 21st century 
prompts one to consider the costs of fusion research 
against those of other proposed energy technologies.

At the EU level the bulk of research support for fusion 

is handled via the Framework Programmes. In the Sev-
enth Framework Programme (2007–2013), EURATOM 
has a budget of approximately €2.7 bn, whereas Euro-
pean  co-operation  in  (non-nuclear)  energy  matters 
receives €2.35 bn.

25

 Of the EURATOM budget, roughly 

85% is for fusion research.

26

 In these terms fusion can 

appear to be expensive, taking the lion’s share of the 
pie. The pie, however, is not static. For instance, the EU 
budget for energy and transport networks has risen by 
92.5% between 2007 and 2008.

27

 It seems probable, 

as has occurred before, that as public-policy concern 
for energy rises, fusion budgets will recede in relative 
importance while growing in absolute terms.

It is also important to stress that most fusion research 

occurs at an international (e.g. European or global) scale. 
As such, the costs specified for this kind of research can 
appear to be very large when compared with more con-
ventional national research programmes in energy.

25 Council of the European 

Union press release, 16887/06 

(Presse 366), www.consilium.

europa.eu/ueDocs/cms_Data/

docs/pressData/en/

misc/92236.pdf.

26 Note that the EC also 

supports the Joint Research 

Centre, much of which relates to 

non-nuclear energy.

27 EU Budget 2008 

flier. Available at http://

ec.europa.eu/budget/library/

publications/budget_in_fig/

dep_eu_budg_2008_en.pdf.

proportion of total UK energy RD&D

197

4

year

renewables

fusion

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

197

6

1978 198

0

1982 198

4

1986 198

8

1990 1992 199

4

1996 199

8

2000 200

2

2004

0.0

Figure 13: Proportion of 

UK public spending on 

fusion in comparison 

with renewables RD&D. 

Source: International 

Energy Agency (see 

www.iea.org/textbase/

stats/rd.asp).

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

12

5:

 Why is fusion development so slow? 

28 K Kim 

et al.

 2005.

29 The subject of current 

research at MIT.

Looking at energy research spending in the UK allows 

a  cross-comparison  of  fusion  research  support  with 
renewables (

figure 13

). Broadly, the funding levels are 

similar, with fusion having secured greater support dur-
ing the 1990s when energy was inexpensive globally. 
Now that energy prices have started to rise significantly 
and climate change becomes a more pressing concern, 
support for renewables research is rising fast, outstrip-
ping that available to fusion.

Tokamak research involves co-operation and negotia-

tion between some of the world’s leading high-technol-
ogy economies. Fusion research includes activity at the 
Universidad Nacional Autónoma de México and at the 
University of Malaya in Kuala Lumpur, Malaysia. China 
has shown an impressive ability to develop its fusion 
research  capacity,  starting  with  the  use  of  donated 
second-hand fusion experiments such as the German 
Asdex and the Russian T7 tokamaks. China currently 
has  a  world-leading  position  with  its  impressive  and 
operational  mega-ampere  superconducting  tokamak 
EAST, formerly known as HT-7U, which started its experi-
mental programme in September 2006.

Another  country  rapidly  accelerating  its  fusion 

research  base  is  South  Korea.  In  September  2007, 
South Korea finished construction of a new experimen-
tal tokamak known as KSTAR. This machine will be the 
first in the world to make use of advanced superconduct-
ing magnet technology based on niobium-3-tin (Nb

3

Sn) 

conductors. Similar technology is planned for ITER. The 
KSTAR team encountered and successfully overcame 
some  difficulties  testing  the  large  superconducting 
toroidal field coils.

28

 Such technical difficulties are to 

be  expected  in  any  large,  complex,  high-technology 
project. Lessons learned from smaller machines, such 
as KSTAR, can help to minimise the technical risks to be 
faced by ITER, but they cannot be eliminated entirely.

5.3: Commercial fusion before fusion 

electricity: faster than fast track?

While most fusion research is dedicated to electricity 
generation through the orthodox approaches described 
here,  there  is  also  a  separate  fusion  research  com-
munity that addresses the issue of nuclear weapons 
reliability.  However,  these  two  relatively  well  funded 
communities  are  not  the  entirety  of  energy-related 

fusion research, and occasionally radical ideas emerge 
from outside these large fusion laboratories. Frequently 
these external proposals seek to make use of fusion 
energy on timescales that are even shorter than the 
fast track of MCE. Most of these ideas focus on a direct 
use of the heat of fast neutrons produced by tokamak 
fusion, rather than using it to make electricity.

There  are  also  some,  such  as  Wallace  Manheimer 

of the US Naval Research Laboratory, who seek to link 
fusion to fission-based nuclear power. Manheimer has 
advocated the construction of fission–fusion hybrids, 
in which fast neutrons released through fusion prompt 
fission  reactions  in  the  blanket  for  boosted  energy 
production. This technique might be used to produce 
fissile uranium-233 fuels for conventional fission reac-
tors from abundant thorium;

29

 or fusion’s fast neutrons 

might be used to transmute existing fission wastes into 
more benign and shorter-lived isotopes.

Leslie Bromberg and colleagues at the Plasma Sci-

ence and Fusion Center at MIT are interested in the role 
of an MCF facility as a fuel source for a fleet of relatively 
conventional fission power stations. Such a fusion facil-
ity would not produce commercial electricity, hydrogen 
or process heat; it would instead produce nuclear fuel 
for fission power stations. In the future, the commercial-
isation of fusion might involve much more than simply 
the sale of clean electricity.

Researchers  from  General  Atomics  in  San  Diego 

have long suggested that fusion-process heat might be 
used to produce hydrogen via high-temperature cata-
lytic chemistry. This could be a highly efficient route 
to hydrogen production that does not involve electricity 
production or electrolysis. One possible supply-chain 
for hydrogen would make use of liquid tanker shipments 
rather than gas-pipeline networks. In collaboration with 
Richard Clarke of Culham Science Centre and Bartek 
Glowacki of the Department of Materials Science and 
Metallurgy at the University of Cambridge, the author 
of this report has proposed that a fusion reactor for 
liquid-hydrogen  production  might  make  use  of  that 
same liquid-hydrogen product to cool the magnets of 
the fusion device. This approach seeks to free fusion 
reactors from the cost of large amounts of helium as 
a consumable for the cryogenics system. The idea is 
known as Fusion Island.

background image

13

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

6: 

Fusion – another way? 

Figure 14: Early 

representation of the 

EU’s HiPER. Source: 

HiPER (see www.hiper-

laser.org).

6.1: Inertial confinement fusion energy

While the major current approaches to fusion are all 
MCF based, ICF could also present opportunities for 
fusion energy. 

In a thermonuclear weapon, fusion materials are com-

pressed using radiation emitted by a first-stage fission 
reaction. In ICF, similar but much smaller pulsed com-
pression is employed on a (relatively) tiny fuel pellet. 
Inevitably, therefore, ICE would produce pulsed power. 
In a potential power station this would involve releasing 
energy in a series of millions of tiny controlled explo-
sions, not unlike the millions of explosions that occur in 
an internal combustion car engine. Such an ICE power 
station might pulse at around five times a second. The 
major approach to ICF uses very-high-intensity converg-
ing laser beams to compress and heat a millimetre-sized 
fusion  fuel  pellet.  Significant  experimental  facilities, 
dedicated  partly  to  assessing  nuclear  weapons  reli-
ability, are under construction in the US and France. 
These are also likely to advance progress towards com-
mercial ICF energy production. It is expected that the 
US Department of Energy installation will demonstrate 
ignition in around 2020. Even with such developments 
it remains probable that MCF will be the quicker route 
to commercial usable fusion energy.

In September 2007, EU scientists recommended sup-

port for a British-led High Power Laser Energy Research 
Facility (HiPER). This completely civilian enterprise will 
build on military advances in ICF from the US and else-
where. A £500 m research programme is expected for 
HiPER over seven years. 

6.2: Plasma pinch

Another possibility, taking ideas from both MCF and ICF, 
is the plasma pinch. The most developed concept is the 
Z-pinch, which achieves fusion in a similar way to ICF. A 
fuel pellet of cryogenically frozen deuterium and tritium 
is compressed by a uniform radiation pressure, which is 
achieved by rapidly creating, vaporising and pinching a 
plasma of ionised metal atoms rather than by the direct 
use of laser beams.

The heavy ionised metal plasma arises from the pas-

sage of an enormous current through a small high-preci-
sion wire cage known as a hohlraum. When the pinched 
metal ions collide at high energy, X-rays are produced 
that  should  in  principle  be  sufficient  to  compress  a 
pellet of fuel into a fusing plasma. If Z-pinch machines 
could  be  developed  for  electricity  production,  they 
would have the following advantages over conventional 

ICE systems: the pulse rate would be more manageable 
at once every 10 seconds rather than several times a 
second; the energy production process would be more 
efficient; and the energy produced per pulse would be 
larger.  The  drawbacks  compared  with  more  conven-
tional ICE approaches would be that each fuel pellet 
assembly would be a more complex manufactured item 
and that the hohlraum in Z-pinch would be far larger 
than its ICE equivalent. Lastly, it is important to stress 
that Z-pinch for energy production is farther from com-
mercialisation than conventional ICE and hence much 
further from commercialisation than MCE approaches 
based on ITER. 

6.3: Cold fusion?

In 1989 two electrochemists, Stanley Pons and Mar-
tin Fleischmann, observed unusual phenomena that, 
they reported, suggested fusion in a simple table-top 
apparatus. Some researchers, including Peter Hagel-
stein of MIT, continue to search for fundamental new 
physics in such experiments. If cold fusion releases 
energy, as Hagelstein and others continue to report, 
then it does so without the production of large num-
bers of high-energy neutrons or other emitted reaction 
products. That would mean that the physics involved 
must differ fundamentally from that observed in a con-
ventional “hot fusion” process. Any cold fusion reac-
tion would involve the emitted nuclear energy coupling 
directly  with  the  atomic  lattice  of  the  electrodes  in 
the table-top cell: such speculative new physics has 
been termed condensed-matter nuclear science. The 
orthodox view of cold fusion is that such phenomena 
do not exist. In response the proponents continue to 
suggest that such phenomena are merely difficult to 
generate.

6:

 Fusion – another way?

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

14

7: 

Six challenges for fusion

7.1: Planned availability

Large capital costs with a small marginal cost of elec-
tricity-generation force fusion power towards base-load 
supply. D Ladra and co-workers have reported: “to be 
competitive,  fusion  power  stations  should  have  high 
availability,  preferably  exceeding  80%,  with  very  few 
unplanned shutdowns”.

30

 The 80% target, now routinely 

achieved by fission technology, will be a stretch for any 
planned fusion power station.

The requirement for continuous power at high avail-

ability  is  particularly  demanding  for  the  tokamak’s 
essentially pulsed output, albeit possibly operating in 
very-long-pulse  mode.  Although  researchers  suggest 
that plasma motion and stability can be maintained for 
many hours after the initiating voltage sweep, there is 
a significant availability difference between long-pulse 
operations  and  a  truly  continuous  operation.  Much 
consideration has been given to the challenge of con-
tinuous operation.

31

 In extremis, multiple tokamaks in a 

single power station would be a possibility. For instance, 
two pulsed tokamaks operating out of phase with each 
other might raise steam to drive a single turbogenerator 
set for continuous electricity production. 

7.2: Reliability

An  even  greater  challenge  than  availability  is  the 
need to achieve very high levels of reliability. That is, 
unscheduled and unanticipated interruptions to power 
generation must be avoided. A fusion-based electric-
ity company in a modern competitive electricity market 
will need to enter into long-term bilateral contracts with 
electricity suppliers to provide the necessary business 
stability. 

A rule of thumb for plasma stability in tokamaks is: 

the bigger the machine, the better. Also, the engineer-
ing of a fusion power station is likely to face significant 
economies of scale, further favouring large machines 
of at least 1.5 GW electrical output. If such a machine 
were to be forced to shut down unexpectedly then there 
would be significant penalties in the electricity market. 
In addition, intervention would be required to ensure 
the supply-demand balance. This represents a potential 
pressure on the system operator (i.e. the National Grid 
in the UK). If a power station were to fail during a high-
demand period, even if the cause of the problem was 
minor, the station might not be able to restart because 
the  system  operator  would  not  be  able  to  spare  the 
large amounts of power required to restart the fusion 
process. This issue is relatively easy to address, with 
on-site generation and/or energy storage such as fly-
wheels,  which  can  already  deliver  many  hundreds  of 
megawatts on JET. Such items would provide the restart 

power but would represent a significant capital cost for 
the MCE power station and in a conventional concept 
would only be used intermittently. 

7.3: Structural integrity

As a consequence of its basis as a transformer driven 
by a single sweep of the primary, a tokamak is inher-
ently a pulsed device. A power station will operate with 
very long pulses, but during its life it will still be subject 
to many tens of thousands of pulses. Given the very 
large magnetic fields associated with plasma confine-
ment and drive, each pulse will place significant mag-
netic stresses on the structure of the power station. 
The station must withstand repeated cycling of these 
structural loads. 

Much of a station’s structure, such as the blanket, will 

be at high temperatures at which conventional steels 
cease  to  have  good  tensile  properties,  and  this  will 
make the structural strength of the machine an even 
greater challenge. 

Lastly, some of the structural components could be 

exposed to significant neutron fluxes. Each fast neutron 
impact can cause microstructural defects in engineer-
ing materials. 

A tokamak power station is a major structural engi-

neering challenge,  in  terms  not of whether  it  can  be 
built,  but  of  whether  it  can  survive  years  of  reliable 
operation. 

7.4: Helium supply

While the fuels for fusion power are abundant and eas-
ily obtained, this does not mean that a fusion power 
station would be free from energy security risks. Cen-
tral to such risks must be the long-term availability of 
affordable helium used for tokamak pumping, purging 
and, above all, cooling superconducting magnets. While 
helium could in principle be obtained from the atmos-
phere at great cost, and while it is also possible that 
economically viable helium gas wells could be devel-
oped, the reality today is that all commercial helium is 
obtained as a by-product of the natural-gas industry. 
That industry is expanding and, as it moves towards liq-
uefied production and supply, the economics of helium 
production are favoured. While it is likely that abundant 
helium will be available in the short term, the natural-
gas industry is a fundamentally unsustainable process 
of resource depletion. These issues are considered by 
a joint UKAEA, Linde-BOC and University of Cambridge 
research project considering global helium resources.

32 

Helium  availability  and  cost  are  potentially  serious 
issues for the large-scale deployment of fusion energy 
systems. A move to liquid hydrogen for superconductiv-

7:

 Six challenges for fusion

30 D Ladra 

et al.

 2001.

31 H S Bosch 

et al.

 1996. 

32 Z Cai 

et al.

 2007.

background image

15

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

7: 

Six challenges for fusion

ity would eliminate the jeopardy, possibly extant, in an 
over-reliance on helium. 

7.5: High-temperature plasma-facing 

materials – the divertor

Components directly facing the very hot fusion plasma 
include the first wall of the blanket on the outer edge of 
the torus and the divertor, which is usually placed round 
the bottom of the torus. In all MCF the plasma must 
at some point touch the vacuum vessel. This could be 
using a device dedicated to that purpose (a limiter), but 
more conventionally that role is played by the divertor. 
As a result of contact with the vacuum vessel, the tiles 
of the divertor will glow white hot. It is expected that 
these tiles will need frequent replacement and, given 
that the tokamak vessel will be a highly radioactive envi-
ronment, this will need to be done robotically. At JET, 
much effort has gone into such remote handling. Never-
theless, divertor component reliability and replacement 
represent key challenges for a fusion power station. 

7.6: Problematic materials

It is often rightly stressed that, if properly developed, 
a fusion power programme need not lead to a legacy 
of long-lived radioactive waste. The waste of the fusion 
process is harmless helium gas in small quantities. The 
main issue of concern for waste is the radioactivation 
of the tokamak. It is possible to manufacture the device 
from materials known only to activate into short-lived 
radioisotopes.  As  such  we  can  be  confident  that  a 
fusion power station would leave a negligible radioac-
tive legacy 100 years after shutdown. 

A more controversial matter is whether fusion energy 

would represent a proliferation hazard. There is agree-
ment on the benefits of fusion making no use of fissile 
isotopes such as uranium-235 or plutonium-239, which 
are required for fission weapons, but beyond that opin-
ion is divided. The remaining issues fall into two broad 
classes: tritium and fast neutrons. 

7.6.1: Tritium

Tritium is an intensely radioactive gas with a half-life of 
12.3 years, and it is an essential fuel for a fusion power 
station. Despite its radioactive hazards it has numerous 
conventional industrial applications. It is also a material 

of interest to the nuclear weapons community, particu-
larly in the context of boosted fission weapons.

33

 

Even in a scenario of nuclear weapons proliferation 

it is possible that tritium might remain as a material of 
only modest concern because the spread of thermo-
nuclear  fusion-boosted  weapons  might  be  prevented 
purely via the prevention of the spread of basic nuclear 
weapons technology. Such long-standing proliferation 
prevention  methods  rely  on  safeguards  against  the 
spread of special nuclear materials – essentially plu-
tonium  and  highly  enriched  uranium.

34

  Without  such 

materials, fission weapons and boosted fission weap-
ons cannot exist.

At  present,  tritium  is  not  a  material  controlled  by 

strong international safeguards. It has numerous indus-
trial applications and is difficult to inventory because 
it tends to be absorbed into metals and other struc-
tures. If nuclear proliferation grows as an international 
concern then it seems likely that tritium controls would 
increase  in  the  coming  years,  possibly  affecting  the 
fusion research community in all countries.

7.6.2: Fast neutrons

Deuterium-tritium  fusion  is  a  source  of  high-energy 
neutrons. Some assert that these represent a prolifera-
tion risk because they can convert mundane materials 
(benign fertile actinide elements), such as thorium and 
depleted uranium (neither of which are subject to any 
controls and both of which are difficult to detect), into the 
special nuclear materials (fissile isotopes) of proliferation 
concern. Such a breeder capacity would require special 
engineering of the tokamak, including additional cooling, 
shielding and a reprocessing capability. It would not be 
possible to establish such infrastructures at a station 
that was subject to rigorous international inspections. 
The additional equipment required, and the fissile mate-
rials  produced,  would  be  easily  detected  and  current 
International Atomic Energy Agency (IAEA) safeguards 
should be sufficient to prevent illicit production of any fis-
sile materials at a fusion facility. It is important to stress 
that there are much easier ways for proliferators to seek 
to make fissile isotopes than via the misuse of a future 
fusion facility. Nevertheless, as a source of high-energy 
fast neutrons, fusion energy applications will surely need 
to be monitored.

33 Federation of American 

Scientists 

Special Weapons 

Primer Tritium Production

, see 

www.fas.org/nuke/intro/nuke/

tritium.htm.

34 After the first Gulf War in 

the early 1990s, the IAEA 

Safeguards were extended to 

include fuel-cycle research 

and specified manufacturing 

activities, such as heavy-water 

manufacture, see www.hse.

gov.uk/nuclear/safeguards/

what.htm.

background image

I

n s t I t u t e

 

o f

  P

h y s I c s

  R

e P o R t

  f

u s I o n

 

a s

 

a n

  e

n e R g y

  s

o u R c e

 

s

e P t e m b e R

  2 0 0 8 

16

8&9: 

Conclusions and bibliography

In the last 10 years the pace of development for fusion 
as an energy source has noticeably quickened. ITER has 
been agreed, the fast track has been accepted, and 
energy and climate sustainability have moved to centre 
stage. As a consequence, the fusion community is start-
ing to look forward collectively to the day that fusion 
energy becomes a commercial reality. The best years 
for fusion physics are still to come. 

J Bahcall 2000 

How the Sun Shines

, nobelprize.org/

nobel_prizes/physics/articles/fusion/index.html.

V Barabash 2004 Role and contribution of ITER in 

research of materials and reactor components 

Journal of Nuclear Materials

 

329–333

 156–160.

T Benn 1996 

The Benn Diaries (Arrow Books).

M Beurskens 2004 

Fusion and the Flow of Money

 

(Euratom-FOM, Institute for Plasma Physics 
Rijnhuizen).

H S Bosch 

et al.

 1996 Summary of the workshop 

on technological aspects of steady-state devices 

Plasma Phys. Control. Fusion 

38

 415–449.

C M Braams and P E Stott 2002 

Nuclear Fusion: Half 

a Century of Magnetic Confinement Fusion Research

 

(Taylor and Francis).

Z Cai, R Clarke, N Ward, W J Nuttall and B A Glowacki 

2007 Modelling Helium Markets Spring Doctoral 
Conference 2007, Judge Business School.

J-H Feist 

et al.

 2007 Quality management for 

WENDELSTEIN 7-X: Lessons Learned 

Fusion 

Engineering and Design

 

82

 2838–2843.

J P Freidberg 2007 

Plasma Physics and Fusion Energy

 

(Cambridge University Press).

P L Hagelstein, M C H McKubre, D J Nagel, T A Chubb 

and R J Hekman 2004 

New Physical Effects In Metal 

Deuterides

, Condensed Matter Nuclear Science 

Proceedings of the 11th International Conference on 
Cold Fusion.

R Herman 1990 

Fusion: The Search for Endless Energy

 

(Cambridge University Press).

IOP 2004 

The Future of Fission Power: Evolution or 

Revolution?

K Kim

 et al.

 2005

 Nuclear Fusion

 

45

 783–789.

A Klix 

et al.

 2005 Tritium breeding experiments with 

blanket mock-ups containing enriched lithium 
titanate and beryllium irradiated with DT neutrons 

Fusion Engineering and Design

 

75–79

 881–884.

D Ladra, G P Sanguinetti and E Stube 2001 Fusion 

power plant availability study 

Fusion Engineering 

and Design

 

58–59

 1117–1121.

C Llewelyn Smith and D Ward 2005 Fusion power 

European Review

 

13

 337–359.

W Manheimer 2000 Can a return to the fusion hybrid 

help both the fission and fusion programs? 

Fusion 

Technology

 

36

 1–15.

F Najmabadi 1999 Prospects for attractive fusion 

power systems 

Phil Trans. R. Soc. London

 

357

 

625–638.

W J Nuttall 2005 

Nuclear Renaissance Technologies 

and Policies for the Future of Nuclear Power

 (Taylor 

and Francis).

W J Nuttall, B A Glowacki and R Clarke 2005 A trip to 

fusion island 

The Engineer

 31 Oct–13 Nov 16–18.

R Pitts, R Buttery and S Pinches 2006 Fusion: the way 

ahead 

Physics World

 

19

 20.

J Sheffield 

et al.

 2001 A study of options for the 

deployment of large fusion power plant 

Fusion 

Science and Technology

 

40

 1–35.

G M Voss 

et al.

 2000 A conceptual design of a 

spherical tokamak power plant 

Fusion Engineering 

and Design

 

51–52

 309–318.

8:

 Conclusions

9:

 Bibliography

background image

Fusion as an Energy Source:
Challenges and Opportunities

Fusion as an Energy Source:
Challenges and Opportunities

Institute of Physics 

Report

Institute of Physics 

Report

A report prepared for the Institute of Physics by W J Nuttall

September 2008

For further information or a large print version, please contact: 

Rosie Davies

The Institute of Physics 
76 Portland Place 
London W1B 1NT, UK 
Tel +44 (0)20 7470 4800 
Fax +44 (0)20 7470 4848 

rosie.davies@iop.org
www.iop.org 

Registered charity no. 293851

© The Institute of Physics 

The material included in this report may be reproduced and disseminated 
without infringing copyright providing the following acknowledgement is given:

Fusion as an Energy Source: Challenges and Opportunities, 2008.

Reproduced by

permission of the Institute of Physics.