เพื่อแสดงให้เห็นถึงความยากลำบากในการสร้างระบบฟิวชั่นเป้าหมายลำแสง เราจะพิจารณาเชื้อเพลิงฟิวชั่นที่มีแนวโน้มดีตัวหนึ่ง นั่นคือ วงจรโปรตอน-โบรอน หรือ p-B11 ^{[ 6 ]}

โบรอนสามารถก่อตัวเป็นบล็อกของแข็งที่มีความบริสุทธิ์สูง และโปรตอนสามารถผลิตได้ง่ายโดยการแตกตัวเป็นไอออนของ ก๊าซ ไฮโดรเจนโปรตอนสามารถเร่งความเร็วและยิงเข้าไปในบล็อกโบรอน และปฏิกิริยาจะทำให้เกิดอนุภาคอัลฟา หลายตัว อนุภาคเหล่านี้สามารถรวบรวมได้ในระบบไฟฟ้าสถิตเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยตรงโดยไม่ต้องใช้ รอบแรงค์ไคน์หรือระบบที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนที่คล้ายกัน เนื่องจากปฏิกิริยาไม่ได้สร้างนิวตรอนโดยตรง จึงมีข้อดีในทางปฏิบัติมากมายในด้านความปลอดภัยเช่นกัน^{[ 7 ]}

โอกาสที่จะเกิดการชนกันจะสูงสุดเมื่อโปรตอนมีพลังงานประมาณ 675  keV เมื่อพวกมันรวมตัวกัน อนุภาคอัลฟาจะนำพลังงานไปทั้งหมด 8.7  MeV พลังงานส่วนหนึ่ง 0.675  MeV จะต้องถูกนำกลับไปใช้ในเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อผลิตโปรตอนใหม่เพื่อดำเนินกระบวนการต่อไป และกระบวนการสร้างและเร่งอนุภาคนั้นไม่น่าจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 50% ซึ่งก็ยังเหลือพลังงานสุทธิเพียงพอที่จะปิดวงจร อย่างไรก็ตาม นี่เป็นการสมมติว่าโปรตอนทุกตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชัน ซึ่งในความเป็นจริงแล้วไม่เกิดขึ้น เมื่อพิจารณาถึงความน่าจะเป็นของปฏิกิริยา วงจรที่ได้จะเป็นดังนี้:

E = 8.7  MeVζ ζ - 0.675  MeV ^{[ 8 ]}

โดยที่ζ และζ คือความน่าจะเป็นที่โปรตอนหรือโบรอนใดๆ จะเกิดปฏิกิริยา เมื่อจัดเรียงใหม่ เราสามารถแสดงได้ว่า:

ζ ζ = 0.67  MeV / 8.6  MeV = 1 ⁄ 13 ^{[ 8 ]}

นั่นหมายความว่าเพื่อให้ระบบคุ้มทุน จำเป็นต้องมีอนุภาคอย่างน้อย1/13 ส่วนที่เกิดปฏิกิริยาฟิว ชันเพื่อให้โปรตอนมีโอกาสชนกับโบรอนได้ มันต้องเคลื่อนที่ผ่านอะตอมโบรอนจำนวนมาก อัตราการชนคือ:

n = σ ρ d ^{[ 8 ]}

โดยที่σคือภาคตัดขวางนิวเคลียร์ระหว่างโปรตอนกับโบรอนρคือความหนาแน่นของโบรอน และdคือระยะทางเฉลี่ยที่โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านโบรอนก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชัน สำหรับ p-B11 นั้นσคือ 0.9 × 10 ⁻²⁴  cm ⁻² , ρคือ 2.535  g/cm ³และดังนั้นd ~ 8  cm อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนที่ผ่านบล็อกทำให้โปรตอนแตกตัวเป็นไอออนอะตอมของโบรอนที่มันผ่าน ซึ่งทำให้โปรตอนช้าลง ที่ 0.675  MeV กระบวนการนี้ทำให้โปรตอนช้าลงจนมีพลังงานต่ำกว่า keV ในระยะทางประมาณ 10 ⁻⁴  cm ซึ่งน้อยกว่าที่ต้องการหลายอันดับ^{[ 8 ]}

สิ่งต่างๆ สามารถปรับปรุงได้บ้างโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคสองเครื่องยิงใส่กันแทนที่จะใช้เครื่องเร่งอนุภาคเพียงเครื่องเดียวและเป้าหมายที่ไม่เคลื่อนที่ ในกรณีนี้ เชื้อเพลิงตัวที่สอง โบรอนในตัวอย่างข้างต้น จะถูกไอออนไนซ์แล้ว ดังนั้น "แรงต้านการไอออนไนซ์" ที่โปรตอนเห็นเมื่อเข้าสู่บล็อกของแข็งจึงถูกกำจัด^{[ 9 ]}

ในกรณีนี้ อย่างไรก็ตาม แนวคิดเรื่องความยาวปฏิสัมพันธ์ลักษณะเฉพาะไม่มีความหมาย เนื่องจากไม่มีเป้าหมายที่เป็นของแข็ง ดังนั้น สำหรับระบบประเภทนี้ การวัดโดยทั่วไปคือการใช้ความสว่างของลำแสง L ซึ่งเป็นคำที่รวมพื้นที่หน้าตัดปฏิกิริยากับจำนวนเหตุการณ์ โดยปกติแล้วคำนี้จะถูกกำหนดดังนี้:

L = ⁠1/σ⁠ ⁠d N/d t[ ^{10 ]​}

สำหรับการอภิปรายนี้ เราจะจัดเรียงใหม่เพื่อแยกความถี่ของการชนกันออกมา:

⁠d N/d t⁠ = σ L ^{[ 10 ]}

การชนกันแต่ละครั้งจะสร้างพลังงาน 8.7  MeV ดังนั้นการคูณด้วย⁠d N/d tให้พลังงาน ในการสร้าง การชนกัน Nครั้ง จำเป็นต้องใช้ความสว่าง L การสร้างความสว่าง L จำเป็นต้องใช้พลังงาน ดังนั้นเราสามารถคำนวณปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการสร้างความสว่าง L ที่กำหนดได้โดยใช้สูตร:

L = ⁠พี/σ 8.76  MeV[ ^{11 ]​}

ถ้าเราตั้งค่า P เป็น 1  MW ซึ่งเทียบเท่ากับกังหันลม ขนาดเล็ก จะต้อง ใช้L เท่ากับ 10 ⁴²  cm ⁻² s ^{−1 [ 10 ]}เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ สถิติโลกด้านความสว่างที่บันทึกโดยเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider)ในปี 2017 คือ 2.06 × 10 ³⁴  cm ⁻² s ⁻¹ซึ่งต่ำกว่าความเป็นจริงถึงกว่าเจ็ดอันดับ^{[ 12 ]}

อุปกรณ์Migmaอาจเป็นความพยายามครั้งสำคัญครั้งแรกในการแก้ปัญหาการหมุนเวียน มันใช้ระบบจัดเก็บซึ่งในทางปฏิบัติแล้วคือวงแหวนจัดเก็บจำนวนอนันต์ที่จัดเรียงในตำแหน่งและมุมที่แตกต่างกัน สิ่งนี้ไม่ได้ทำโดยการเพิ่มส่วนประกอบหรือการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ แต่ทำผ่านการจัดเรียงสนามแม่เหล็กอย่างระมัดระวังภายในห้องสุญญากาศทรงกระบอกที่กว้างแต่แบน ไอออนที่เกิดการกระเจิงในมุมสูงมากเท่านั้นที่จะสูญหายไป และการคำนวณชี้ให้เห็นว่าอัตราของเหตุการณ์เหล่านี้เป็นเช่นนั้น ไอออนใดๆ ก็ตามจะผ่านพื้นที่ปฏิกิริยา 10⁸ ^{ครั้ง}ก่อนที่จะกระเจิงออกไป ซึ่งจะเพียงพอที่จะรักษาระดับพลังงานบวกไว้ได้^{[ 14 ]}

มีการสร้างอุปกรณ์ Migma หลายเครื่องและแสดงให้เห็นถึงศักยภาพบางอย่าง แต่ก็ไม่ได้พัฒนาไปไกลกว่าอุปกรณ์ขนาดปานกลาง มีข้อกังวลทางทฤษฎีหลายประการเกิดขึ้นโดยอิงจาก การพิจารณาข้อจำกัด ของประจุในอวกาศซึ่งชี้ให้เห็นว่าการเพิ่มความหนาแน่นของเชื้อเพลิงให้ถึงระดับที่ใช้งานได้จะต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่เพื่อกักเก็บมันไว้ ในระหว่างการระดมทุน ระบบดังกล่าวตกอยู่ในการถกเถียงที่ขัดแย้งกับหน่วยงานด้านพลังงานต่างๆ และการพัฒนาเพิ่มเติมก็สิ้นสุดลงในช่วงทศวรรษ 1980 ^{[ 15 ]}

บริษัท TAE Technologies ซึ่งเดิมชื่อ Tri-Alpha Energy (TAE) กำลังพยายามใช้แนวคิดที่คล้ายกันโดยอิงจากแนวคิดของ Norman Rostoker ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์เป็นหลัก เอกสารเผยแพร่ในช่วงแรกจากช่วงต้นทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นอุปกรณ์ที่ใช้แหวนเก็บประจุแบบตัดกันทั่วไปและการจัดเรียงการโฟกัสใหม่ แต่เอกสารในภายหลังจากปี 1996 ระบุว่าใช้ระบบที่แตกต่างออกไปมาก โดยยิงไอออนเชื้อเพลิงเข้าไปในการกำหนดค่าแบบกลับทิศทางสนาม (FRC) ^{[ 16 ]}

FRC คือการจัดเรียงพลาสมาที่มีเสถียรภาพในตัวเอง ซึ่งมีรูปทรงเรขาคณิตที่ดูเหมือนการผสมผสานระหว่างวงแหวนกระแสน้ำวนและท่อผนังหนา สนามแม่เหล็กจะกักอนุภาคไว้ระหว่างผนังท่อ ทำให้เกิดการหมุนเวียนอย่างรวดเร็ว TAE ตั้งใจที่จะสร้าง FRC ที่มีเสถียรภาพก่อน จากนั้นใช้เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อยิงไอออนเชื้อเพลิงเพิ่มเติมเข้าไปในนั้นเพื่อให้ไอออนเหล่านั้นถูกกักไว้ ไอออนจะชดเชยการสูญเสียจากการแผ่รังสีจาก FRC และฉีดเฮลิซิตี้แม่เหล็ก เพิ่มเติม เข้าไปใน FRC เพื่อรักษารูปร่าง ไอออนจากเครื่องเร่งอนุภาคจะชนกันเพื่อสร้างฟิวชัน^{[ 16 ]}

เมื่อแนวคิดนี้ถูกเปิดเผยครั้งแรก ก็ได้รับคำวิจารณ์เชิงลบมากมายในวารสาร^{[ 17 ] [ 18 ]}ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไข และได้มีการสร้างอุปกรณ์ทดลองขนาดเล็กหลายชิ้นตามมาณ ปี 2018ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่รายงานของระบบอยู่ห่างจากจุดคุ้มทุนประมาณ 10 ⁻¹²เท่า ในช่วงต้นปี 2019 มีการประกาศว่าระบบจะได้รับการพัฒนาโดยใช้เชื้อเพลิง DT แบบดั้งเดิมแทน และบริษัทได้เปลี่ยนชื่อเป็น TAE ^{[ 19 ]}

ตัวอย่างคลาสสิกของอุปกรณ์ IEC คือฟิวเซอร์ ฟิวเซอร์ทั่วไปมีกรงโลหะทรงกลมสองอันซ้อนกันอยู่ในสุญญากาศ มี แรงดันไฟฟ้า สูง อยู่ระหว่างกรงทั้งสอง และฉีดก๊าซเชื้อเพลิงเข้าไป^{[ 20 ] [ 21 ]}เชื้อเพลิงจะแตกตัวเป็นไอออนและถูกเร่งความเร็วไปยังกรงด้านใน ไอออนที่พลาดกรงด้านในสามารถหลอมรวมกันได้

เครื่องฟิวเซอร์ไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของตระกูล CBFR เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วไม่ได้ใช้ลำแสง

มีปัญหาหลายประการเกี่ยวกับฟิวเซอร์ในฐานะ เครื่องปฏิกรณ์ พลังงานฟิวชันประการหนึ่งคือ ตะแกรงไฟฟ้าถูกประจุจนถึงจุดที่มีแรงทางกลที่รุนแรงดึงเข้าหากัน ซึ่งจำกัดขนาดของวัสดุตะแกรงให้เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ส่งผลให้อัตราการชนกันระหว่างไอออนและตะแกรงมีน้อยที่สุด ทำให้พลังงานถูกดึงออกจากระบบ นอกจากนี้ การชนกันเหล่านี้ยังทำให้โลหะหลุดร่วงลงไปในเชื้อเพลิง ซึ่งทำให้เชื้อเพลิงสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วผ่านการแผ่รังสี อาจเป็นไปได้ว่าวัสดุตะแกรงที่เล็กที่สุดก็ยังมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้การชนกับไอออนดึงพลังงานออกจากระบบได้เร็วกว่าอัตราการฟิวชัน นอกจากนั้น ยังมีกลไกการสูญเสียหลายอย่างที่บ่งชี้ว่ารังสีเอ็กซ์จากระบบดังกล่าวจะดึงพลังงานออกไปเร็วกว่าที่ฟิวชันจะสามารถจัดหาได้เช่นกัน^{[ 21 ]}

ในปี 2017 มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ได้จำลองระบบลำแสง N-Body เพื่อตรวจสอบว่าลำแสงไอออนหมุนเวียนสามารถเข้าถึงสภาวะการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้หรือไม่ แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าแนวคิดนี้มีข้อจำกัดพื้นฐาน เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงความหนาแน่นที่เพียงพอสำหรับการผลิตพลังงานฟิวชันได้

โรเบิร์ต บัสซาร์ด ได้พยายามหลีกเลี่ยงปัญหาการชนกันของกริดใน การออกแบบ โพลีเวลล์ ของเขา โดยใช้การจัดเรียงสนามแม่เหล็กแบบคัสป์เพื่อสร้าง "อิเล็กโทรดเสมือน" ที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ถูกดักจับ ผลลัพธ์ที่ได้คือการสร้างสนามเร่งความเร็วที่คล้ายกับที่เกิดจากลวดกริดในฟิวเซอร์ แต่ไม่มีลวด การชนกับอิเล็กตรอนในอิเล็กโทรดเสมือนนั้นเป็นไปได้ แต่ต่างจากฟิวเซอร์ตรงที่สิ่งเหล่านี้ไม่ก่อให้เกิดการสูญเสียผ่านไอออนโลหะที่หลุดออกมา^{[ 22 ]}

ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของโพลีเวลล์คือความสามารถในการรักษาพลาสมาให้เป็นลบได้เป็นเวลานานพอสมควร ในทางปฏิบัติ ประจุลบจำนวนมากจะหายไปอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ การวิเคราะห์โดย Todd Rider ในปี 1995 ชี้ให้เห็นว่าระบบใดๆ ที่มีพลาสมาที่ไม่สมดุลจะประสบกับการสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วผ่านเบร็มส์ตราห์ลุงเบร็มส์ตราห์ลุงเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีประจุถูกเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการแผ่รังสีเอกซ์ และสูญเสียพลังงาน ในกรณีของอุปกรณ์ IEC รวมถึงฟิวเซอร์และโพลีเวลล์ การชนกันระหว่างไอออนที่เร่งความเร็วเมื่อเร็วๆ นี้ที่เข้าสู่บริเวณปฏิกิริยาและไอออนและอิเล็กตรอนพลังงานต่ำก่อให้เกิดขีดจำกัดล่างของเบร็มส์ตราห์ลุงที่ดูเหมือนจะสูงกว่าอัตราการหลอมรวมที่เป็นไปได้มาก^{[ 23 ]}