สเตลลาเรเตอร์เป็น อุปกรณ์ ผลิตพลังงานฟิวชั่นที่กักเก็บพลาสมาโดยใช้แม่เหล็กภายนอก เป็นหนึ่งใน อุปกรณ์ ฟิวชั่นแบบกักเก็บด้วยแม่เหล็ก หลายประเภท และเป็นหนึ่งในอุปกรณ์แรกๆ ที่ถูกคิดค้นขึ้น ชื่อ "สเตลลาเรเตอร์" มาจากคำว่าดาวฤกษ์เนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชั่นส่วนใหญ่เกิดขึ้นในดาวฤกษ์ เช่นดวงอาทิตย์^{[ 1 ]}เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ ผลิตพลังงานฟิวชั่นที่ มนุษย์ออกแบบขึ้นในยุคแรกๆ

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นแบบสเตลลาเรเตอร์ถูกคิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันไลแมน สปิตเซอร์ในปี 1951 การพัฒนาในช่วงแรกส่วนใหญ่ดำเนินการโดยทีมของสปิตเซอร์ที่ต่อมา กลายเป็น ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาแห่งพรินซ์ตัน (PPPL) รุ่น Model A ของสปิตเซอร์เริ่มใช้งานในปี 1953 และแสดงให้เห็นถึงการกักเก็บพลาสมา รุ่นที่ใหญ่กว่าตามมา แต่แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ต่ำ โดยมีการสูญเสียพลาสมาในอัตราที่แย่กว่าที่คาดการณ์ทางทฤษฎีไว้มาก ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ความสนใจจึงหันไปที่ทฤษฎีพื้นฐาน ในช่วงกลางทศวรรษ 1960 สปิตเซอร์เชื่อมั่นว่าสเตลลาเรเตอร์มีอัตราการแพร่กระจายตรงกับ อัตรา การแพร่กระจายของโบห์มซึ่งบ่งชี้ว่ามันจะไม่เป็นอุปกรณ์ฟิวชั่นที่ใช้งานได้จริง

การออกแบบ โทคาแมคของสหภาพโซเวียตเป็นลางบอกเหตุถึงความก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดในด้านประสิทธิภาพ PPPL ได้ดัดแปลงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์รุ่น C ให้เป็นโทคาแมคแบบสมมาตร (ST) เพื่อยืนยันหรือปฏิเสธผลลัพธ์ดังกล่าว และ ST ก็มีประสิทธิภาพเหนือกว่า งานวิจัยเกี่ยวกับสเตลลาเรเตอร์ขนาดใหญ่ในสหรัฐอเมริกาจึงถูกแทนที่ด้วยโทคาแมค การวิจัยยังคงดำเนินต่อไปในเยอรมนีและญี่ปุ่น โดยแก้ไขปัญหาหลายอย่างที่พบในรุ่นแรก และเริ่มเข้าใกล้ประสิทธิภาพของโทคาแมครุ่นแรกๆ

ในที่สุด โทคาแมคก็พิสูจน์แล้วว่ามีปัญหาคล้ายกับสเตลลาเรเตอร์ (ด้วยเหตุผลที่แตกต่างกัน) ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 ความสนใจในสเตลลาเรเตอร์ก็กลับมาอีกครั้ง^{[ 2 ]}เทคนิคใหม่ๆ ช่วยเพิ่มคุณภาพสนามและพลังงาน ปรับปรุงประสิทธิภาพ^{[ 3 ]}

ในปี พ.ศ. 2477 มาร์ค โอลิแฟนท์พอล ฮาร์เทคและเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นกลุ่มแรกที่สร้างปฏิกิริยาฟิวชัน โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคยิง นิวเคลียส ของดิวเทอเรียมเข้าไปในแผ่นฟอยล์โลหะที่มีดิวเทอเรียมลิเธียมหรือธาตุอื่นๆ^{[ 4 ]}การทดลองเหล่านี้ทำให้พวกเขาสามารถวัดภาคตัดขวางนิวเคลียร์ของปฏิกิริยาฟิวชันต่างๆ ระหว่างนิวเคลียสได้ พวกเขาพบว่า ปฏิกิริยาของ ทริเทียม -ดิวเทอเรียมเกิดขึ้นที่พลังงานต่ำกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ โดยมีค่าสูงสุดประมาณ 100,000  อิเล็กตรอนโวลต์ (100 keV) ^{[ 5 ] [ a ]}

100 keV สอดคล้องกับอุณหภูมิประมาณหนึ่งพันล้านเคลวินตามที่อธิบายโดยสถิติของแม็กซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ก๊าซจำนวนมากที่อุณหภูมิต่ำกว่ามากจะยังคงมีอนุภาคบางส่วนที่มีพลังงานเหล่านี้อยู่ เนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชันปล่อยพลังงานออกมามาก แม้แต่ปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อยก็สามารถปล่อยพลังงานออกมามากพอที่จะรักษาอุณหภูมิของก๊าซให้อยู่ในระดับที่ต้องการได้ ในปี พ.ศ. 2487 เอนริโก เฟอร์มิได้แสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิโดยรวมประมาณ 50 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งอยู่ในช่วงของระบบทดลองที่มีอยู่ ปัญหาสำคัญคือการกักเก็บพลาสมา ไม่มีภาชนะวัสดุใดที่สามารถทนต่ออุณหภูมิเหล่านั้นได้ อย่างไรก็ตาม พลาสมาเป็นตัวนำไฟฟ้า ทำให้พลาสมาอยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก^{[ 6 ]}

ในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนและนิวเคลียสของพลาสมาจะโคจรรอบเส้นแรงแม่เหล็ก วิธีการกักเก็บแบบหนึ่งคือการวางหลอดเชื้อเพลิงไว้ภายในแกนเปิดของโซลินอยด์โซลินอยด์สร้างเส้นแรงแม่เหล็กที่วิ่งลงมาตามศูนย์กลาง และเชื้อเพลิงจะถูกกันไม่ให้เข้าใกล้ผนังโดยการโคจรรอบเส้นแรงเหล่านี้ แต่การจัดเรียงแบบนี้ไม่สามารถกักเก็บพลาสมาไว้ตามความยาวของหลอดได้ วิธีแก้ปัญหาที่ชัดเจนคือการดัดหลอดให้เป็นรูปวงแหวน (โดนัท) เพื่อให้เส้นใดเส้นหนึ่งก่อตัวเป็นวงกลม และอนุภาคสามารถโคจรได้ตลอดไป^{[ 7 ]}

อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลทางเรขาคณิตล้วนๆ แม่เหล็กที่ล้อมรอบวงแหวนจะอยู่ใกล้กันมากขึ้นที่ส่วนโค้งด้านใน ภายใน "รูโดนัท" เฟอร์มิตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งนี้จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกห่างจากนิวเคลียส ซึ่งในที่สุดจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูง สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะทำให้วงแหวนพลาสมาภายในวงแหวนขยายตัวจนกระทั่งชนกับผนังของเครื่องปฏิกรณ์^{[ 7 ]}

หลังสงครามโลกครั้งที่สองนักวิจัยเริ่มพิจารณาวิธีการกักเก็บพลาสมาจอร์จ พาเก็ต ทอมสันแห่งอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนเสนอระบบที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อz-pinchซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านพลาสมา^{[ 8 ]}เนื่องจากแรงลอเรนซ์กระแสไฟฟ้านี้สร้างสนามแม่เหล็กที่ดึงพลาสมาเข้าหาตัวเอง ทำให้พลาสมาอยู่ห่างจากผนัง ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้แม่เหล็กภายนอก และหลีกเลี่ยงปัญหาของเฟอร์มิ ทีมต่างๆ ในสหราชอาณาจักรได้สร้างอุปกรณ์ทดลองขนาดเล็กจำนวนหนึ่งโดยใช้เทคนิคนี้ในช่วงปลายทศวรรษ 1940 ^{[ 8 ]}

โรนัลด์ ริชเตอร์เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันที่อพยพไปอาร์เจนตินาเทอร์โมตรอนของเขาใช้ส่วนโค้งไฟฟ้าและการบีบอัดเชิงกล (คลื่นเสียง) สำหรับการให้ความร้อนและการกักเก็บ เขาโน้มน้าวให้ฮวน เปโรน สนับสนุน เงินทุนในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ทดลอง ซึ่งรู้จักกันในชื่อโครงการฮูเอมุลและเสร็จสมบูรณ์ในปี 1951 ริชเตอร์เชื่อมั่นว่าการหลอมรวมนิวเคลียร์ประสบความสำเร็จแล้ว แม้ว่าจะมีความขัดแย้งกับนักวิจัยคนอื่นๆ ก็ตาม^{[ 9 ]}

ขณะเตรียมตัวไปเล่นสกีที่แอสเพน สปิตเซอร์ได้รับโทรศัพท์จากพ่อของเขา ซึ่งพูดถึงบทความเกี่ยวกับฮูเอมุลในเดอะนิวยอร์กไทมส์ [ ^{10 ] ส}ปิตเซอร์สรุปว่ามันเป็นไปไม่ได้ ระบบไม่สามารถให้พลังงานได้เพียงพอ จากนั้นเขาก็เริ่มพิจารณาทางเลือกอื่น แนวคิดสเตลลาเรเตอร์เกิดขึ้นขณะนั่งกระเช้าสกี^{[ 11 ] [ b ]}

แนวทางของเขาคือการปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเรขาคณิตของทอรัสเพื่อแก้ไขข้อกังวลของเฟอร์มิ โดยการบิดปลายด้านหนึ่งของทอรัสเมื่อเทียบกับอีกด้านหนึ่ง ทำให้เกิดโครงสร้างรูปเลข 8 แทนที่จะเป็นวงกลม เส้นแม่เหล็กจึงเคลื่อนเข้าใกล้และห่างจากศูนย์กลางของทอรัส อนุภาคที่โคจรรอบเส้นเหล่านี้จะเคลื่อนที่เข้าและออกอย่างต่อเนื่องตามแกนรองของทอรัส โดยจะเคลื่อนที่ขึ้นไปด้านบนในช่วงครึ่งรอบหนึ่งและกลับทิศทางในอีกครึ่งรอบหนึ่ง การหักล้างนั้นไม่สมบูรณ์แบบ แต่ดูเหมือนว่าวิธีนี้จะช่วยลดการเคลื่อนที่สุทธิได้มากพอที่จะทำให้เชื้อเพลิงยังคงติดอยู่ได้นานพอที่จะถึงอุณหภูมิที่ต้องการ^{[ 12 ]}

ห้องปฏิบัติการวิจัยลับที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันดำเนินงานวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับระเบิดไฮโดรเจนหลังจากปี 1951 สปิตเซอร์ได้รับเชิญให้เข้าร่วมโครงการนี้เนื่องจากงานวิจัยก่อนหน้านี้ของเขาเกี่ยวกับพลาสมาในอวกาศ^{[ 13 ]}

จากนั้นสปิตเซอร์ก็หมดความสนใจในการออกแบบระเบิด และหันมาสนใจการหลอมรวมนิวเคลียร์ในฐานะแหล่งพลังงานแทน^{[ 14 ]}สปิตเซอร์ได้จัดทำรายงานชุดหนึ่งซึ่งสรุปพื้นฐานเชิงแนวคิดสำหรับสเตลลาเรเตอร์ รวมถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้น รายงานชุดนี้มีความโดดเด่นในด้านความลึกซึ้ง โดยมีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ของพลาสมาและความเสถียรอย่างละเอียด รวมถึงการให้ความร้อนแก่พลาสมาและการจัดการกับสิ่งเจือปน^{[ 15 ]}

สปิตเซอร์เริ่มล็อบบี้คณะกรรมการพลังงานปรมาณูแห่งสหรัฐอเมริกา (AEC) เพื่อขอรับเงินทุน^{[ 15 ]}แผนของเขามีสามขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนอาศัยความสำเร็จของขั้นตอนก่อนหน้าตลอดระยะเวลาหนึ่งทศวรรษ: ^{[ 16 ]}

• แบบจำลอง A ได้รับมอบหมายให้แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างพลาสมาได้ และระยะเวลาการกักเก็บพลาสมานั้นดีกว่าแบบทอรัส
• แบบจำลอง B จะให้ความร้อนแก่พลาสมาจนถึงอุณหภูมิปฏิกิริยาฟิวชัน
• แบบจำลอง C จะพยายามสร้างปฏิกิริยาฟิวชั่นในระดับใหญ่^{[ 17 ]}

ในเวลาเดียวกันนั้นจิม ทัคได้รู้จักกับแนวคิดเรื่องการบีบอัดขณะทำงานอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแคลเรน ดอน มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ในที่สุดเขาก็ได้ไปอยู่ที่ลอสอะลามอส ซึ่งเขาได้แนะนำแนวคิดนี้ให้กับนักวิจัยคนอื่นๆ เมื่อเขาได้ยินว่าสปิตเซอร์กำลังส่งเสริมสเตลลาเรเตอร์ เขาจึงเดินทางไปวอชิงตันเพื่อเสนอให้สร้างอุปกรณ์บีบอัด เขาคิดว่าแผนของสปิตเซอร์นั้น "ทะเยอทะยานอย่างเหลือเชื่อ" อย่างไรก็ตาม สปิตเซอร์ได้รับเงินทุน 50,000 ดอลลาร์ ในขณะที่ทัคไม่ได้รับอะไรเลย^{[ 17 ]}

สปิตเซอร์ นักปีนเขาตัวยง^{[ c ]}เสนอชื่อ " โครงการแมทเทอร์ฮอร์น " เพราะเขารู้สึกว่า "งานที่ทำดูเหมือนจะยาก เหมือนกับการปีนเขา" ^{[ 18 ]}ในตอนแรกมีการจัดตั้งสองส่วน คือ ส่วน S ทำงานเกี่ยวกับสเตลลาเรเตอร์ภายใต้การดูแลของสปิตเซอร์ และส่วน B ทำงานเกี่ยวกับการออกแบบระเบิดภายใต้การดูแลของวีลเลอร์^{[ d ]}สปิตเซอร์ได้จัดตั้งส่วน S ที่เป็นความลับสุดยอดขึ้นในกรงกระต่ายเก่า^{[ 19 ]}

ห้องปฏิบัติการอื่นๆ จึงเริ่มเรียกร้องเงินทุนของตนเอง Tuck สามารถจัดหาเงินทุนสำหรับPerhapsatron ของเขา ได้ผ่านงบประมาณตามดุลยพินิจบางส่วนที่ LANL แต่ทีมอื่นๆ ที่ LANL, BerkeleyและOak Ridge (ORNL) ก็แสวงหาเงินทุนเช่นกัน ในที่สุด AEC ก็จัดตั้ง Project Sherwood ซึ่งเป็นแผนกใหม่สำหรับโครงการเหล่านี้^{[ 20 ]}

สปิตเซอร์เชิญเจมส์ แวน อัลเลนเข้าร่วมกลุ่มและจัดตั้งโครงการทดลอง อัลเลนแนะนำให้เริ่มต้นด้วยอุปกรณ์แบบ "ตั้งโต๊ะ" ซึ่งนำไปสู่การออกแบบรุ่น A ซึ่งเริ่มก่อสร้างในปี 1952 โดยทำจาก ท่อ ไพเร็กซ์ ขนาด 5 ซม. ยาวรวมประมาณ 350 ซม. และแม่เหล็กที่มีกำลังประมาณ 1,000 เกาส์^{[ 21 ]}เครื่องเริ่มใช้งานในช่วงต้นปี 1953 และแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการกักเก็บที่ดีขึ้นกว่าทอรัสแบบธรรมดา^{[ 22 ]}

สิ่งนี้จึงนำไปสู่รุ่น B ซึ่งแม่เหล็กติดตั้งไม่แน่นและมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่เมื่อได้รับพลังงานถึง 50,000 เกาส์ การออกแบบครั้งที่สองล้มเหลวด้วยเหตุผลเดียวกัน แต่เครื่องนี้แสดงให้เห็นรังสีเอ็กซ์ที่มี แรงดันหลายร้อยกิโลโวลต์ ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการกักเก็บรังสีที่ดี

ต่อมาคือเครื่อง B-1 ซึ่งใช้ความร้อนโอห์มิกเพื่อให้ได้อุณหภูมิประมาณ 100,000 องศา^{[ 22 ]}เครื่องนี้แสดงให้เห็นว่าสิ่งเจือปนในพลาสมาปล่อยรังสีเอกซ์ ขนาดใหญ่ ที่ทำให้พลาสมาเย็นลง ในปี 1956 เครื่อง B-1 ได้รับการสร้างใหม่ด้วยระบบสุญญากาศสูงพิเศษเพื่อลดสิ่งเจือปน แต่พบว่าแม้จะมีปริมาณน้อยลงก็ยังคงเป็นปัญหาอยู่ ผลกระทบอีกอย่างหนึ่งคือ ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน อนุภาคจะยังคงถูกกักขังอยู่เพียงไม่กี่ส่วนสิบของมิลลิวินาที ในขณะที่เมื่อปิดสนามแล้ว อนุภาคที่เหลืออยู่จะถูกกักขังได้นานถึง 10 มิลลิวินาที ดูเหมือนว่าสิ่งนี้จะเป็นผลมาจาก "ผลกระทบแบบร่วมมือ" ภายในพลาสมา^{[ 23 ]}

B-2 มีลักษณะคล้ายกับ B-1 แต่ใช้พลังงานแบบพัลส์เพื่อให้สามารถเข้าถึงพลังงานแม่เหล็กที่สูงขึ้น และมีระบบทำความร้อนที่สองที่เรียกว่าการปั๊มแม่เหล็ก เครื่องนี้ได้รับการดัดแปลงเพื่อเพิ่มระบบสุญญากาศสูงพิเศษ น่าเสียดายที่ B-2 แสดงให้เห็นความร้อนจากการปั๊มแม่เหล็กน้อยมาก เนื่องจากต้องใช้เวลาในการกักเก็บที่ยาวนานกว่า มันถูกจัดแสดงในงานAtoms for Peace ^{[ 23 ]}อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงระบบทำความร้อนทำให้การเชื่อมต่อเพิ่มขึ้น แสดงให้เห็นอุณหภูมิภายในส่วนทำความร้อนสูงถึง1000 eVประมาณ 12 ล้าน K ^{[ 21 ] [ e ]}

B-64 สร้างเสร็จในปี พ.ศ. 2498 โดยพื้นฐานแล้วเป็น B-1 ที่มีขนาดใหญ่กว่า แต่ใช้พลังงานจากพัลส์ที่สร้างสนามแม่เหล็กได้สูงถึง 15,000 เกาส์ เครื่องนี้มีไดเวอร์เตอร์ซึ่งกำจัดสิ่งเจือปนออกจากพลาสมา ลดผลกระทบจากการระบายความร้อนด้วยรังสีเอ็กซ์ได้อย่างมาก B-64 มีส่วนตรงที่ปลายโค้ง ทำให้มีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส ลักษณะนี้ทำให้ได้ชื่อเล่นว่า "รูปเลข 8 สี่เหลี่ยม" หรือ "64" ในปี พ.ศ. 2499 เครื่องนี้ได้รับการประกอบใหม่โดยไม่มีการบิดในท่อ ทำให้อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องหมุน^{[ 24 ]}

B-65, completed in 1957, was built using the "racetrack" layout, following the observation that adding helical coils to the curved portions of the device produced a field that introduced the rotation purely through the resulting magnetic fields. This had the added advantage that the magnetic field included shear, which was known to improve stability.^[24]

B-3, also completed in 1957, was an enlarged B-2 with ultra-high vacuum and pulsed confinement up to 50,000 gauss and projected confinement times as long as 0.01 second.

The last B-series was the B-66, completed in 1958, essentially a combination of the racetrack layout with the larger size and energy of the B-3.^[23]

Unfortunately, these larger machines demonstrated "pump out". This effect caused plasma drift rates higher than classical theory suggested and much higher than the Bohm rates. B-3's drift rate was a full three times that of the worst-case Bohm predictions, and failed to maintain confinement for more than a few tens of microseconds.^[24]

As early as 1954, design of Model C was taking shape. It emerged as a large racetrack with multiple heating sources and a divertor, essentially a larger B-66. Construction began in 1958 and was completed in 1961. It could be adjusted to allow a plasma minor axis between 5 and 7.5 cm and was 1200 cm in length. The toroidal field coils normally operated at 35,000 gauss.^[24]

By the time Model C began operations, it was understood that it would not produce large-scale fusion. Ion transport across the magnetic field lines was much higher than classical theory suggested. Greatly increased magnetic fields did little to address this, and confinement times did not improve. Attention turned to theoretical understanding of the plasma. In 1961, Melvin B. Gottlieb took over Matterhorn from Spitzer, and the project was renamed the Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).^[19]

Continual experimentation slowly improved the machine, and confinement times eventually increased to match that of Bohm predictions. Over time, new versions of the heating systems increased the temperatures. Notable was the 1964 addition of a small particle accelerator to accelerate fuel ions to high enough energy to cross the magnetic fields, depositing energy within the reactor when they collided with ions already inside.^[19] This neutral beam injection method is nearly universal on magnetic confinement fusion machines.^[25]

โมเดล C ใช้เวลาส่วนใหญ่ในประวัติศาสตร์ไปกับการศึกษาการขนส่งไอออน^{[ 19 ]}ด้วยการปรับแต่งระบบแม่เหล็กอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มวิธีการให้ความร้อนแบบใหม่ ในที่สุดในปี 1969 โมเดล C ก็สามารถทำอุณหภูมิอิเล็กตรอนได้ถึง 400 eV หรือ 4.6 ล้าน K ^{[ 26 ]}

การออกแบบสเตลลาเรเตอร์แพร่หลายมากขึ้น โดยใช้โครงสร้างแม่เหล็กที่เรียบง่ายกว่า รุ่น C ใช้ขดลวดกักเก็บและขดลวดเกลียวแยกกัน นักวิจัยคนอื่นๆ โดยเฉพาะในเยอรมนี สังเกตว่าสามารถสร้างโครงสร้างสนามแม่เหล็กโดยรวมแบบเดียวกันได้ด้วยการจัดเรียงที่ง่ายกว่ามาก ซึ่งนำไปสู่การออกแบบทอร์ซาตรอนหรือเฮลิโอตรอน

ในการออกแบบเหล่านี้ สนามหลักถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กเกลียวเดี่ยว คล้ายกับขดลวดเกลียวหนึ่งในสเตลลาเรเตอร์แบบ "คลาสสิก" จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่เพียงอันเดียวเท่านั้น ในการสร้างสนามสุทธิ ชุดขดลวดชุดที่สองที่วิ่งตามแนวโพลอยดัลรอบนอกของแม่เหล็กเกลียวจะสร้างสนามแนวตั้งที่ผสมกับสนามเกลียว ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่ามาก เนื่องจากแม่เหล็กโพลอยดัลโดยทั่วไปมีขนาดเล็กกว่ามากและมีพื้นที่ว่างระหว่างกันมากพอที่จะเข้าถึงภายในได้^{[ 26 ] [ 27 ]}

สนามแม่เหล็กโดยรวมสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แม่เหล็กอิสระที่มีรูปร่างคล้ายกับสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ ส่งผลให้เกิดแม่เหล็กที่ซับซ้อนซึ่งจัดเรียงเหมือนขดลวดวงแหวนในรูปแบบเดิม ข้อดีของการออกแบบนี้คือแม่เหล็กแต่ละตัวเป็นอิสระต่อกัน หากแม่เหล็กตัวใดตัวหนึ่งเสียหาย สามารถเปลี่ยนได้ทีละตัวโดยไม่ส่งผลกระทบต่อส่วนอื่นๆ ของระบบ นอกจากนี้ สนามแม่เหล็กโดยรวมยังสามารถจัดเรียงใหม่ได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบต่างๆ และทำให้เป็นสนามแม่เหล็กทั่วไปได้

ในปี พ.ศ. 2511 นักวิทยาศาสตร์ในสหภาพโซเวียตได้เผยแพร่ผล การทดลองเครื่อง โทคาแมคโดยเฉพาะ T-3 ผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่คาดคิดมาก่อนจนเกิดความสงสัยกันอย่างกว้างขวาง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สหภาพโซเวียตจึงเชิญผู้เชี่ยวชาญจากสหราชอาณาจักรมาทดสอบเครื่องจักร การทดสอบของพวกเขาใช้ ระบบ เลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นสำหรับ เครื่องปฏิกรณ์ ZETAเพื่อตรวจสอบคำกล่าวอ้างของสหภาพโซเวียตเกี่ยวกับอุณหภูมิอิเล็กตรอนที่ 1,000 eV สิ่งที่ตามมาคือ "การแห่กันสร้างโทคาแมคอย่างมากมาย" ทั่วโลก^{[ 28 ]}

ในตอนแรกห้องปฏิบัติการของสหรัฐฯ เพิกเฉยต่อข่าวนี้ สปิตเซอร์มองว่าเป็นความผิดพลาดในการทดลอง อย่างไรก็ตาม เมื่อผลการวิจัยเพิ่มเติมปรากฏออกมา โดยเฉพาะรายงานจากสหราชอาณาจักร พรินซ์ตันจึงปกป้องเครื่องปฏิกรณ์แบบสเตลลาเรเตอร์ ในขณะที่กลุ่มอื่นๆ ต่างเรียกร้องหาเงินทุนเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบโทคาแมค ในเดือนกรกฎาคม ปี 1969 ก็อตต์ลีบเปลี่ยนใจ โดยเสนอที่จะดัดแปลงเครื่องปฏิกรณ์รุ่น C ให้เป็นแบบโทคาแมค ในเดือนธันวาคม เครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดลงและเปิดใหม่ในเดือนพฤษภาคมในชื่อ ซิมเมตริกโทคาแมค (ST)

เครื่อง ST สามารถทำผลงานได้เทียบเท่ากับเครื่องของโซเวียตในทันที โดยทำผลงานได้ดีกว่ารุ่น C ถึงสิบเท่า หลังจากนั้น PPPL ก็กลายเป็นผู้พัฒนาหลักของแนวทางโทคาแมคในสหรัฐอเมริกา โดยได้แนะนำเครื่องจักรหลายรุ่นเพื่อทดสอบการออกแบบต่างๆ เครื่องPrinceton Large Torusในปี 1975 สามารถทำผลงานได้ตามเกณฑ์ประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับเครื่องจักรเชิงพาณิชย์อย่างรวดเร็ว และเป็นที่เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าจุดคุ้มทุน ที่สำคัญ จะบรรลุได้ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โดยอาศัยเครื่องจักรขนาดใหญ่ขึ้นและระบบทำความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

โทคาแมคเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบพินช์ชนิดหนึ่ง ซึ่งแตกต่างจากแบบเดิมโดยหลักๆ แล้วอยู่ที่ปริมาณกระแสไฟฟ้าในพลาสมา: เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ซึ่งเรียกว่าปัจจัยความปลอดภัยหรือqพลาสมาจะมีความเสถียรมากขึ้น เครื่อง ZETA ทำงานที่ค่าqประมาณ1/3 ในขณะที่การทดลองกับโทคาแมคแสดงให้เห็นว่า ค่า qต้องอยู่ที่อย่างน้อย 1 เครื่องที่ปฏิบัติตามกฎนี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 พลังงานฟิวชั่นยังคงอยู่นอกเหนือความสามารถ เมื่อปริมาณกระแสไฟฟ้าในเครื่องใหม่เริ่มเพิ่มขึ้น ความไม่เสถียรใหม่ๆ ในพลาสมาก็ปรากฏขึ้น ปัญหาเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ แต่ต้องเพิ่มกำลังของสนามแม่เหล็กอย่างมาก ซึ่งต้องใช้ แม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดและปริมาตรการกักเก็บขนาดใหญ่ ต้นทุนของเครื่องดังกล่าวสูงมากจนฝ่ายที่เกี่ยวข้องรวมตัวกันเพื่อเริ่มต้นโครงการ ITER

เมื่อแนวทางโทคาแมกเริ่มล้มเหลว ความสนใจในสเตลลาเรเตอร์ก็กลับมาอีกครั้ง^{[ 2 ]}ซึ่งสอดคล้องกับการพัฒนา เครื่องมือ ช่วยวางแผนด้วยคอมพิวเตอร์ ขั้นสูง ที่ช่วยให้สามารถสร้างแม่เหล็กที่ซับซ้อนซึ่งเคยเป็นที่รู้จักมาก่อน แต่ถือว่ายากเกินกว่าจะออกแบบและสร้างได้^{[ 29 ] [ 30 ]}

วัสดุและวิธีการก่อสร้างใหม่ๆ ช่วยเพิ่มคุณภาพและพลังของสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้น อุปกรณ์ใหม่ที่สร้างขึ้นเพื่อทดสอบแนวคิดเหล่านี้ ได้แก่Wendelstein 7-X (W7-X) ในเยอรมนี, Helically Symmetric Experiment (HSX) ในสหรัฐอเมริกา และLarge Helical Deviceในญี่ปุ่น โดย W7X และ LHD ใช้ขดลวดแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด

การที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าภายในช่วยลดความไม่เสถียรบางอย่างของโทคาแมก ทำให้สเตลลาเรเตอร์มีความเสถียรมากขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานที่คล้ายคลึงกัน เนื่องจากขาดการกักเก็บพลังงานที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในโทคาแมก สเตลลาเรเตอร์จึงต้องการแม่เหล็กที่มีกำลังมากกว่าเพื่อให้ได้การกักเก็บพลังงานในระดับที่ต้องการ สเตลลาเรเตอร์เป็นเครื่องจักรที่มีสภาวะคงที่โดยธรรมชาติ ซึ่งมีข้อดีทางวิศวกรรมหลายประการ

ในปี 2023 PPPL ได้สร้างอุปกรณ์ทดลองโดยใช้ส่วนประกอบเชิงพาณิชย์เป็นหลักด้วยต้นทุน 640,000 ดอลลาร์ แกนกลางของอุปกรณ์คือห้องสุญญากาศแก้วที่ล้อมรอบด้วย เปลือกไนลอน ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติซึ่งยึดแม่เหล็กถาวร 9,920 ตัว แม่เหล็กไฟฟ้า 16 ตัวห่อหุ้มเปลือก^{[ 31 ]}

เป้าหมายของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานด้วยสนามแม่เหล็กคือการลดการถ่ายโอนพลังงานผ่านสนามแม่เหล็กให้เหลือน้อยที่สุด อุปกรณ์รูปทรงวงแหวนค่อนข้างประสบความสำเร็จเนื่องจากคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่อนุภาคพบจะถูกเฉลี่ยขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปรอบๆ วงแหวน อย่างไรก็ตาม ความแรงของสนามที่อนุภาคพบนั้นโดยทั่วไปจะแปรผัน ดังนั้นอนุภาคบางส่วนจะถูกดักจับด้วยปรากฏการณ์สะท้อนอนุภาคเหล่านี้จะไม่สามารถเฉลี่ยคุณสมบัติทางแม่เหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะเพิ่มการถ่ายโอนพลังงาน ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์ส่วนใหญ่ การเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามเหล่านี้จะมากกว่าในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบโทคาแมค ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การสูญเสียจากการถ่ายโอนมีแนวโน้มสูงขึ้น

ศาสตราจารย์ David Anderson จากภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน และผู้ช่วยวิจัย John Canik ได้พิสูจน์ในปี 2007 ว่าการทดลองHelically Symmetric eXperiment (HSX) สามารถเอาชนะอุปสรรคสำคัญนี้ในการวิจัยพลาสมาได้ HSX เป็นสเตลลาเรเตอร์เครื่องแรกที่ใช้สนามแม่เหล็กแบบกึ่งสมมาตร ทีมงานได้ออกแบบและสร้าง HSX โดยรายงานว่าความกึ่งสมมาตรช่วยลดการขนส่งพลังงาน^{[ 32 ] [ 33 ]}

W7-Xได้รับการออกแบบให้ใกล้เคียงกับความเป็นเนื้อเดียวกัน (คุณสมบัติของสนามแม่เหล็กที่ทำให้การเคลื่อนที่เฉลี่ยในแนวรัศมีเป็นศูนย์) ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นแต่ไม่เพียงพอสำหรับความสมมาตรแบบกึ่ง^{[ 34 ]}การทดลองของ W7-X เผยให้เห็นการแพร่กระจายที่ผิดปกติที่เกิดจากความปั่นป่วน^{[ 35 ]} สนามแม่เหล็กที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมแสดงให้เห็นถึงการควบคุมกระแสบูตสแตรปอย่างมีประสิทธิภาพและการขนส่งพลังงานแบบนีโอคลาสสิกที่ลดลง ทำให้เกิดสภาวะพลาสมาอุณหภูมิสูงและค่าการหลอมรวมสูงสุดเป็นประวัติการณ์ พร้อมกับเวลาการกักเก็บสิ่งเจือปนที่ยาวนานขึ้นในช่วงเฟสที่ระงับความปั่นป่วน ผลการค้นพบเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำเร็จของการปรับสนามแม่เหล็กให้เหมาะสมในสเตลลาเรเตอร์^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

ที่ W7-X ไดเวอร์เตอร์แบบ เกาะ ช่วยรักษาเสถียรภาพของสถานการณ์พลาสมาที่แยกตัวออกและลดฟลักซ์ความร้อนบนเป้าหมายไดเวอร์เตอร์^{[ 39 ] [ 40 ]}การออกแบบนี้สร้างบริเวณการไหลสวนทางที่อยู่ติดกันหลายแห่งซึ่งช่วยลดความเร็วการไหลขนานกับเส้นสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้ลดฟลักซ์ความร้อนได้อย่างมาก^{[ 41 ]}การระบายพลังงานรังสีโดยการเติมสารเจือปนได้รับการสาธิตในโครงสร้างไดเวอร์เตอร์แบบเกาะ ส่งผลให้การทำงานของพลาสมามีเสถียรภาพและลดภาระความร้อนของไดเวอร์เตอร์^{[ 42 ] [ 43 ]}โครงสร้างแม่เหล็กขอบในสเตลลาเรเตอร์แบบกึ่งรอบทิศทางและสมมาตรแบบเกลียว เช่น W7-X และ HSX ส่งผลกระทบต่อการเติมเชื้อเพลิงอนุภาคและการระบายออก โซ่เกาะแม่เหล็กสามารถใช้เพื่อควบคุมการเติมเชื้อเพลิงพลาสมาจากแหล่งรีไซเคิลและการฉีดก๊าซแบบแอคทีฟ^{[ ​​44 ]}

โครงการสเตลลาเรเตอร์ของภาคเอกชนเริ่มปรากฏขึ้นในปี 2018 ^{[ 45 ]}ผู้เข้าร่วม ได้แก่ Renaissance Fusion ^{[ 46 ]} Proxima Fusion, Type One และ Thea Energy ^{[ 47 ]}

Proxima Fusion เป็นบริษัทที่แยกตัวออกมาจากสถาบันฟิสิกส์พลาสมา Max Planckซึ่งตั้งอยู่ในมิวนิก และเป็นผู้ควบคุมการทดลอง W7-X ^{[ 48 ]}ในเดือนกุมภาพันธ์ 2025 บริษัทได้ประกาศแผนการสร้างแม่เหล็กทดสอบจากตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงในปี 2027 และหน่วยสาธิตในปี 2031 ^{[ 49 ] [ 47 ]}

บริษัท Type One Energy ก่อตั้งขึ้นในปี 2019 โดย Randall Volberg และนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน และห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์^{[ 50 ]}ในเดือนมกราคม 2026 บริษัทได้รับเงินทุนเพิ่มเติมอีก 87 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ โดยมีความพยายามที่จะระดมทุนอีก 250 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับการระดมทุนรอบ Series B ด้วยมูลค่าก่อนการลงทุน 900 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ^{[ 51 ]}ระบบ Infinity One มีจุดประสงค์เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ โดยจะเริ่มก่อสร้างในปี 2026 ส่วน Infinity Two มีจุดประสงค์เพื่อผลิตพลังงานสุทธิ เครื่องจักรดังกล่าวได้รับการออกแบบให้ครอบคลุมพื้นที่ 14 เมตร และสร้างพลังงาน 800 MWt ส่งผลให้ได้พลังงาน 350 MWe ^{[ 47 ]}

บริษัท Thea Energy ซึ่งเป็นบริษัทที่แยกตัวออกมาจาก PPPL วางแผนที่จะสร้างสนามแม่เหล็กด้วยขดลวดวงกลมที่ทำมุมและปรับแต่งอย่างละเอียดด้วยแม่เหล็กแบน^{[ 47 ]}

การให้ความร้อนแก่แก๊สจะเพิ่มพลังงานของอนุภาคภายในแก๊ส ดังนั้นการให้ความร้อนแก่แก๊สจนถึงหลายร้อยล้านองศา จะทำให้อนุภาคส่วนใหญ่มีพลังงานเพียงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาหลอมเหลวได้

ตามการกระจายตัวของแม็กซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ ปฏิกิริยาบางอย่างจะไปถึงระดับพลังงานที่ต้องการได้ที่อุณหภูมิเฉลี่ยต่ำกว่ามาก เนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชันนั้นมากกว่าพลังงานที่ใช้ในการเริ่มต้นปฏิกิริยามาก แม้แต่ปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้เชื้อเพลิงโดยรอบร้อนขึ้นจนเกิดการฟิวชันได้ ในปี 1944 เฟอร์มิได้คำนวณว่าปฏิกิริยา D–T จะสามารถดำเนินต่อไปได้เองที่อุณหภูมิประมาณ50,000,000  K. ^{[ 52 ]}​​​

วัสดุที่ได้รับความร้อนเกินหลายหมื่นองศาจะแตกตัวเป็นไอออน ทำให้เกิดพลาสมา ตามกฎของก๊าซอุดมคติเช่นเดียวกับก๊าซร้อนใดๆ พลาสมามีแรงดัน ภายใน และต้องการขยายตัว^{[ 53 ]}สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ความท้าทายคือการกักเก็บพลาสมาไว้ภายใน ในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนและนิวเคลียสจะโคจรรอบเส้นสนามแม่เหล็ก ทำให้พวกมันถูกจำกัดอยู่ในพื้นที่ที่กำหนดโดยสนาม^{[ 54 ] [ 55 ]}

สามารถสร้างระบบกักเก็บแบบง่ายๆ ได้โดยการวางท่อไว้ภายในแกนเปิดของโซลินอยด์ท่อสามารถดูดอากาศออกแล้วเติมแก๊สเข้าไปและให้ความร้อนจนกลายเป็นพลาสมา พลาสมาจะพยายามขยายตัวออกไปทางผนังของท่อและเคลื่อนที่ไปตามท่อไปยังปลายทั้งสองข้าง โซลินอยด์สร้างเส้นสนามแม่เหล็กที่วิ่งลงมาตามศูนย์กลางของท่อ และอนุภาคพลาสมาจะโคจรรอบเส้นเหล่านี้ ป้องกันการเคลื่อนที่ไปยังด้านข้าง อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงนี้ไม่ได้กักเก็บพลาสมาไว้ตามความยาวของท่อ และพลาสมาสามารถไหลออกทางปลายทั้งสองข้างได้^{[ 56 ]}

วิธีแก้ปัญหาวิธีหนึ่งคือการดัดท่อให้เป็น รูป วงแหวนหรือโดนัท^{[ 56 ]}การเคลื่อนที่ไปทางด้านข้างยังคงถูกจำกัดเช่นเดิม และในขณะที่อนุภาคยังคงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามแนวเส้น ในกรณีนี้ อนุภาคจะหมุนวนรอบท่อ แต่ดังที่เฟอร์มิได้ชี้ให้เห็น^{[ f ]}เมื่อโซลินอยด์ถูกดัดให้เป็นวงแหวน ขดลวดไฟฟ้าจะอยู่ใกล้กันมากขึ้นด้านในมากกว่าด้านนอก ซึ่งนำไปสู่สนามที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งท่อ และเชื้อเพลิงจะเคลื่อนตัวออกจากศูนย์กลาง เนื่องจากอิเล็กตรอนและไอออนเคลื่อนตัวไปในทิศทางตรงกันข้าม จึงนำไปสู่การแยกประจุและแรงไฟฟ้าสถิตที่ในที่สุดก็เอาชนะแรงแม่เหล็กได้ จำเป็นต้องมีแรงเพิ่มเติมบางอย่างเพื่อต่อต้านการเคลื่อนตัวนี้ เพื่อให้เกิดการกักเก็บในระยะยาว^{[ 7 ] [ 56 ]}

แนวคิดหลักของสปิตเซอร์คือการเคลื่อนที่แบบดริฟต์สามารถถูกหักล้างได้ด้วยการจัดเรียงทางกายภาพของท่อสุญญากาศ ในทอรัส อนุภาคที่ขอบด้านในของท่อซึ่งมีสนามแรงกว่าจะเคลื่อนที่ขึ้น ในขณะที่อนุภาคที่อยู่ด้านนอกจะเคลื่อนที่ลง (หรือในทางกลับกัน) อย่างไรก็ตาม หากอนุภาคถูกทำให้สลับกันระหว่างด้านในและด้านนอกของท่อ การเคลื่อนที่แบบดริฟต์จะสลับกันระหว่างขึ้นและลงและจะหักล้างกัน การหักล้างนี้ไม่สมบูรณ์แบบ ทำให้ยังคงมีการเคลื่อนที่แบบดริฟต์สุทธิอยู่บ้าง แต่การคำนวณชี้ให้เห็นว่าการเคลื่อนที่แบบดริฟต์จะต่ำพอที่จะกักพลาสมาไว้ได้นานพอที่จะทำให้เกิดความร้อน^{[ 58 ]}

แทนที่จะใช้ทอรัสแบบปกติ อุปกรณ์ของสปิตเซอร์จะถูกตัดแบ่งครึ่งเพื่อสร้างทอรัสครึ่งวงสองอัน จากนั้นจะเชื่อมต่อกันด้วยส่วนตรงสองส่วนระหว่างปลายเปิด สิ่งสำคัญคือการเชื่อมต่อปลายสลับกันเพื่อให้ครึ่งขวาของอันหนึ่งเชื่อมต่อกับครึ่งซ้ายของอีกอันหนึ่ง การออกแบบที่ได้จะมีลักษณะคล้ายเลข 8 เมื่อมองจากด้านบน เนื่องจากท่อตรงไม่สามารถทะลุผ่านกันได้ การออกแบบจึงไม่แบนราบ ทอรัสที่ปลายทั้งสองข้างต้องเอียง ซึ่งหมายความว่าการหักล้างการเลื่อนจะลดลงไปอีก^{[ 59 ]}

เพื่อทำความเข้าใจว่าระบบทำงานอย่างไรในการต่อต้านการเคลื่อนตัว ให้พิจารณาเส้นทางของอนุภาคเดี่ยวในระบบที่เริ่มต้นจากส่วนตรงส่วนใดส่วนหนึ่ง หากอนุภาคนั้นอยู่ตรงกลางท่ออย่างสมบูรณ์ มันจะเคลื่อนที่ลงตรงกลางไปยังครึ่งทอรัสหนึ่งอัน ออกไปยังตรงกลางของท่อถัดไป และเป็นเช่นนั้นเรื่อยไป อนุภาคนี้จะวนรอบทอรัสทั้งหมดโดยไม่หลุดจากจุดศูนย์กลาง ทีนี้ลองพิจารณาอนุภาคอีกตัวที่เคลื่อนที่ขนานกับอนุภาคแรก แต่เริ่มต้นอยู่ใกล้ผนังด้านในของท่อ ในกรณีนี้ มันจะเข้าทางขอบด้านนอกของครึ่งทอรัสและเริ่มเคลื่อนตัวลง มันออกจากส่วนนั้นและเข้าสู่ส่วนตรงที่สอง โดยยังคงอยู่ที่ขอบด้านนอกของท่อนั้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากท่อตัดกัน เมื่อมันไปถึงครึ่งทอรัสที่สอง มันจะเข้าทางขอบด้านในและเคลื่อนตัวกลับขึ้นไป^{[ 60 ]}

การเคลื่อนตัวของอนุภาคยังมีสาเหตุอื่นๆ อีกด้วย แม้ว่าทั้งไอออนและอิเล็กตรอนในพลาสมาจะโคจรรอบเส้นแรงแม่เหล็ก แต่พวกมันเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วในการหมุนสูง ซึ่งนำไปสู่ความเป็นไปได้ของการชนกันระหว่างอนุภาคที่โคจรรอบเส้นแรงที่แตกต่างกันขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งด้วยเหตุผลทางเรขาคณิตล้วนๆ จะทำให้เชื้อเพลิงเคลื่อนตัวออกไปด้านนอกอย่างช้าๆ กระบวนการนี้ในที่สุดจะทำให้เชื้อเพลิงชนกับโครงสร้างหรือทำให้เกิดการแยกประจุขนาดใหญ่ระหว่างไอออนและอิเล็กตรอน Spitzer ได้นำเสนอแนวคิดของไดเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นแม่เหล็กที่วางอยู่รอบท่อที่ดึงชั้นนอกสุดของพลาสมาออกไป ซึ่งจะกำจัดไอออนออกไปก่อนที่พวกมันจะเคลื่อนตัวออกไปไกลเกินไปและชนกับผนัง นอกจากนี้ยังจะกำจัดธาตุที่หนักกว่าออกไปด้วย^{[ 61 ]}

จากการคำนวณแบบคลาสสิก อัตราการแพร่กระจายผ่านการชนนั้นต่ำมากจนต่ำกว่าการเคลื่อนที่เนื่องจากสนามที่ไม่สม่ำเสมอในทอรอยด์ปกติมาก แต่การศึกษาพลาสมาที่ถูกกักขังด้วยสนามแม่เหล็กในปี 1949 แสดงให้เห็นการสูญเสียที่สูงกว่ามากและกลายเป็นที่รู้จักในชื่อการแพร่กระจายของโบห์มหลังจากพิจารณาประเด็นนี้ สปิตเซอร์สรุปว่าอัตราที่ผิดปกติที่โบห์มเห็นนั้นเกิดจากความไม่เสถียรในพลาสมา ซึ่งเขาเชื่อว่าสามารถแก้ไขได้^{[ 62 ]}

ข้อกังวลหลักประการหนึ่งคือสนามแม่เหล็กจะกักอนุภาคที่มีมวลที่กำหนดและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่กำหนดเท่านั้น อนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วหรือช้ากว่าจะไม่หมุนเวียนในลักษณะที่ต้องการ อนุภาคที่มีความเร็วต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) จะไม่ถูกกักและสามารถลอยไปได้ อนุภาคที่ร้อนอาจชนกับผนังด้านนอกของส่วนโค้ง เพื่อแก้ไขข้อกังวลเหล่านี้ Spitzer ได้นำแนวคิดของไดเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับส่วนตรงส่วนใดส่วนหนึ่งมาใช้ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นสเปกโทรเมตรมวลที่จะกำจัดอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วหรือช้าเกินไป^{[ 61 ]}

ข้อกำหนดที่ว่าส่วนตรงทั้งสองส่วนต้องไม่ตัดกัน หมายความว่ามุมการหมุนโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 135 องศา นี่จึงนำไปสู่การออกแบบทางเลือกอื่นๆ ที่พยายามทำให้มุมเข้าใกล้ 180 องศามากขึ้น ความพยายามในช่วงแรกคือแบบ B-2 ซึ่งวางส่วนโค้งราบไปกับพื้น แต่มีความสูงต่างกัน ส่วนตรงมีการแทรกส่วนโค้งเพิ่มเติมเข้าไปอีกสองส่วนที่มีมุมประมาณ 45 องศา จึงทำให้มีรูปทรงคล้ายตัว S ที่ยาวขึ้น ซึ่งช่วยให้สามารถวางเส้นทางอ้อมกันได้โดยยังคงความสมมาตรในแง่ของมุม

เครื่องปฏิกรณ์ B-64 และ B-65 ได้กำจัดส่วนที่ตัดกันออกไปและปรับรูปทรงของอุปกรณ์ให้แบนราบเป็นรูปวงรีคล้าย "สนามแข่ง" การหมุนของอนุภาคเกิดขึ้นจากการวางขดลวดแม่เหล็กชุดใหม่บนครึ่งวงแหวนที่ปลายทั้งสองข้าง ซึ่งก็คือขดลวดแบบเกลียว สนามแม่เหล็กจากขดลวดเหล่านี้ผสมกับสนามแม่เหล็กกักเก็บ ทำให้เกิดสนามผสมที่หมุนเส้นแรงแม่เหล็กไป 180 องศา วิธีนี้ทำให้การออกแบบทางกลของเครื่องปฏิกรณ์ง่ายขึ้นมาก แต่ในทางปฏิบัติแล้ว การสร้างสนามผสมที่มีความสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบนั้นทำได้ยาก

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องกำเนิดสนามแม่เหล็กแบบสเตลลาเรเตอร์จะใช้แม่เหล็กที่ซับซ้อนกว่าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กรูปทรงเดียวที่คล้ายกับริบบิ้นบิดเกลียว ความแตกต่างในการออกแบบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงแม่เหล็ก ซึ่งเป็นตัวกำหนดสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น

ต่างจากเครื่อง ปฏิกรณ์ แบบ Z-pinchหรือ Tokamak เครื่องปฏิกรณ์แบบ Stellarator ไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำภายในพลาสมา – ในระดับมหภาค พลาสมาเป็นกลางและไม่เคลื่อนที่ แม้ว่าอนุภาคแต่ละตัวภายในจะหมุนเวียนอยู่ก็ตาม ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ Pinch กระแสไฟฟ้าเป็นหนึ่งในวิธีการให้ความร้อนหลัก แต่เครื่องปฏิกรณ์แบบ Stellarator ไม่มีแหล่งความร้อนเช่นนั้น

การออกแบบสเตลลาเรเตอร์ในยุคแรกใช้การให้ความร้อนเริ่มต้นโดยอาศัยกระแสไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยขดลวดชุดเดียวจากหม้อแปลงไฟฟ้าโดยพลาสมาเองทำหน้าที่เป็นขดลวดชุดที่สอง เมื่อได้รับพลังงานจากพัลส์ของกระแสไฟฟ้า อนุภาคในบริเวณนั้นจะร้อนขึ้นและเริ่มเคลื่อนที่ ซึ่งจะนำก๊าซเพิ่มเติมเข้ามาในบริเวณนั้นเพื่อให้ได้รับความร้อนต่อไป แนวคิดนี้เรียกว่าการให้ความร้อนแบบโอห์มิก เนื่องจากอาศัยความต้านทานของก๊าซในการสร้างความร้อน เมื่ออุณหภูมิของก๊าซเพิ่มขึ้น การนำไฟฟ้าของพลาสมาก็จะดีขึ้น ทำให้การให้ความร้อนแบบโอห์มิกมีประสิทธิภาพน้อยลง จำกัดอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 1 ล้านเคลวิน^{[ 63 ]}

เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงขึ้น Spitzer เสนอแหล่งความร้อนที่สอง คือ ระบบปั๊มแม่เหล็ก ซึ่งประกอบด้วยแหล่งกำเนิดคลื่นความถี่วิทยุที่ส่งผ่านขดลวดที่กระจายอยู่ทั่วห้องสุญญากาศ ความถี่นี้คล้ายกับความถี่ธรรมชาติของอนุภาคที่อยู่รอบเส้นแรงแม่เหล็ก ซึ่งก็คือความถี่ไซโคลตรอนอนุภาคในบริเวณนั้นจะได้รับพลังงาน ซึ่งทำให้รัศมีวงโคจรของพวกมันเพิ่มขึ้น เนื่องจากอนุภาคอื่นๆ กำลังโคจรรอบเส้นของตัวเองอยู่ใกล้ๆ ในระดับมหภาค การเปลี่ยนแปลงของพลังงานนี้จึงปรากฏเป็นการเพิ่มขึ้นของความดัน^{[ 61 ]}ตามกฎของก๊าซในอุดมคติสิ่งนี้ส่งผลให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ เช่นเดียวกับการให้ความร้อนแบบโอห์มิก กระบวนการนี้ก็จะมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การให้ความร้อนแบบไอออนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์จะตั้งความถี่ให้ใกล้เคียงกับความถี่ของการหมุนเวียนของไอออน^{[ 64 ]}

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 Tihiro Ohkawaที่General Atomicsแสดงให้เห็นว่าทอรอยด์ที่มีอัตราส่วนความกว้างต่อความยาว ที่เล็กกว่า และพลาสมาที่ไม่เป็นทรงกลมช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพ^{[ 65 ]}อัตราส่วนความกว้างต่อความยาวเปรียบเทียบรัศมีโดยรวมของอุปกรณ์กับรัศมีหน้าตัดของท่อสุญญากาศ เครื่องปฏิกรณ์ในอุดมคติจะลดอัตราส่วนนี้ให้เหลือน้อยที่สุดโดยการลดรูตรงกลางโทคาแมคทรงกลม สมัยใหม่ เช่นMAST ของสหราชอาณาจักร ที่มีอัตราส่วน 1.3 บรรลุรูปทรงใกล้เคียงทรงกลมโดยการยืดท่อในแนวตั้งรอบเสาโลหะเดี่ยว^{[ 66 ]}สเตลลาเรเตอร์ต้องการแม่เหล็กที่ซับซ้อนเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โดยเริ่มแรกใช้ชุดแม่เหล็กแบบเรียงซ้อน ระบบสมัยใหม่รวมสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกัน แต่ยังคงต้องการพื้นที่มาก ส่งผลให้รัศมีภายในใหญ่ขึ้นและอัตราส่วนความกว้างต่อความยาวสูงกว่าโทคาแมค ตัวอย่างเช่น W7-X มีอัตราส่วน 10 ^{[ 67 ]}การออกแบบใหม่มีเป้าหมายเพื่อลดอัตราส่วนนี้ แต่ ณ ปี 2023 ยังคงไม่ได้รับการทดสอบและสูงกว่าระดับโทคาแมคมาก^{[ 68 ]}ในปี 2025 การจำลองแสดงให้เห็นว่าการออกแบบอัตราส่วนด้านต่ำแบบใหม่สามารถลดอัตราส่วนลงเหลือ 6 ซึ่งจะลดขนาดลง 30% ^{[ 69 ]}

เครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์ที่ผลิตขึ้นจะต้องป้องกันแม่เหล็กจากนิวตรอน 14.1 MeV โดยใช้ผ้าห่มเพาะพันธุ์ที่ มีความหนา 1–1.5 ม. ซึ่งประกอบด้วยลิเธียม [ ^{70 ] ซึ่ง}จะทำให้ระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับพลาสมาเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ต้องใช้สนามแม่เหล็กที่แรงกว่าในแบบที่แม่เหล็กเรียงตัวอยู่ภายในห้องสุญญากาศ เพื่อชดเชยสิ่งนี้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์จึงมีขนาดใหญ่ขึ้น โดยระยะห่างระหว่างแม่เหล็กเพิ่มขึ้นจาก 10 ซม. เป็น 1 ม. ^{[ 70 ]}แบบต่างๆ เช่น ARIES-CS ที่มีรัศมี 8 ม. และอัตราส่วนความกว้างต่อความยาว 4.6 ยังคงมีขนาดใหญ่เกินไป^{[ 71 ]}แม่เหล็กที่ซับซ้อนเหล่านี้ต้องการการจัดวางตำแหน่งที่แม่นยำ โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบมากถึง 1.5 มม.

โครงการทดลอง National Compact Stellarator Experiment (NCSX) ซึ่งเป็นการออกแบบอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงต่ำที่ 4.4 ถูกยกเลิกในปี 2008 เนื่องจากไม่สามารถบรรลุค่าความคลาดเคลื่อนได้ เนื่องจากส่วนประกอบหย่อนตัวเกินขีดจำกัด^{[ 72 ]}ในปี 2025 ตัวรองรับแม่เหล็กที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติช่วยลดข้อผิดพลาดในการจัดแนวลง 20% ในการทดสอบต้นแบบ^{[ 73 ]}

เครื่องสเตลลาเรเตอร์ปล่อย อนุภาคอัลฟาประมาณ 5% ทำให้ส่วนประกอบที่สัมผัสกับพลาสมาเกิดความเครียด^{[ 74 ]}

สามารถให้ความร้อนแก่พลาสมาได้หลายวิธี:

• การให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า – พลาสมาจะร้อนขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้า) วิธีนี้ใช้สำหรับการให้ความร้อนเริ่มต้นเท่านั้น เนื่องจากความต้านทานแปรผกผันกับอุณหภูมิของพลาสมา

• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง – พลาสมาจะดูดซับพลังงานเมื่อมีการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าไป (คล้ายกับเตาไมโครเวฟ )

• การให้ความร้อนด้วยอนุภาคที่เป็นกลาง – เครื่องฉีดลำแสงอนุภาคที่เป็นกลางจะสร้างไอออนและเร่งความเร็วไอออนเหล่านั้นด้วยสนามไฟฟ้า เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากสนามแม่เหล็กของสเตลลาเรเตอร์ ไอออนจะต้องถูกทำให้เป็นกลางเสียก่อน จากนั้นไอออนที่เป็นกลางจะถูกฉีดเข้าไปในพลาสมา พลังงานจลน์สูงของไอออนจะถูกถ่ายโอนไปยังอนุภาคในพลาสมาโดยการชนกัน ทำให้เกิดความร้อนขึ้น

มีการกำหนดค่าต่างๆ ของเครื่องสเตลลาเรเตอร์หลายแบบ ได้แก่:

• สเตลลาเรเตอร์แบบรูปเลขแปด หรือแบบเชิงพื้นที่ – สเตลลาเรเตอร์รุ่น Princeton Model A มีพื้นฐานมาจากการออกแบบรูปเลขแปดในปี 1953 โดยบรรลุการเปลี่ยนแปลงการหมุนโดยใช้การบิดของแกนแม่เหล็ก นี่คือการกำหนดค่าแบบเกลียว^{[ 75 ]}

• สเตลลาเรเตอร์แบบสนามแข่ง หรือแบบคลาสสิก – หรือที่รู้จักกันในชื่อ Princeton Model C สเตลลาเรเตอร์นี้สร้างสนามแม่เหล็กโดยการเชื่อมต่อพลาสมาในแนวระนาบและแนววงแหวนผ่านขดลวดเกลียว สเตลลาเรเตอร์ที่มีโครงสร้างเฮลิตรอนแบบนี้ใช้งานได้จนถึงปลายทศวรรษ 1960 เท่านั้นเนื่องจากปัญหาเกี่ยวกับการกักเก็บอนุภาค^{[ 75 ]}

• ทอร์ซาตรอน – ทอร์ซาตรอนเป็นสเตลลาเรเตอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้ ขดลวด เกลียว ต่อเนื่องภายนอก เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กสนามแม่เหล็กมีลักษณะคล้ายกับแบบสนามแข่ง แต่ใช้ขดลวดเพียงชุดเดียว ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างและอาจช่วยเพิ่มเสถียรภาพของพลาสมาได้ ตัวอย่างของทอร์ซาตรอนคือคอมแพคทอรอยดัลไฮบริด (CTH)

• เฮลิโอตรอน – เฮลิโอตรอนเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์ที่ออกแบบในประเทศญี่ปุ่น โดยใช้ขดลวดรูปเกลียวเพื่อกักเก็บพลาสมา และขดลวดสนามแม่เหล็กแบบโพลอยดัลคู่หนึ่งเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแนวตั้ง ขดลวดรูปเกลียวและขดลวดแบบทอรอยดัลทำงานร่วมกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก โครงสร้างขดลวดที่เรียบง่ายทำให้การผลิตง่ายขึ้น ในขณะที่ระบบขดลวดแบบโมดูลาร์ช่วยให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการควบคุมสนามแม่เหล็กอุปกรณ์เฮลิโอตรอนขนาดใหญ่ในประเทศญี่ปุ่นเป็นตัวอย่างหนึ่งของการกำหนดค่านี้

• สเตลลาเรเตอร์แบบโมดูลาร์ – สเตลลาเรเตอร์ที่มีชุดขดลวดแบบโมดูลาร์ (แยกจากกัน) และขดลวดทอรอยด์บิดเกลียว^{[ 76 ]}เช่นการทดลองสมมาตรแบบเกลียว (HSX) (และ Helias (ด้านล่าง))

• เฮลิแอค – สเตลลาเรเตอร์แกนเกลียวซึ่งแกนแม่เหล็ก (และพลาสมา) จะเคลื่อนที่ตามเส้นทางเกลียวเพื่อสร้างเกลียวทอรอยด์แทนที่จะเป็นรูปวงแหวนธรรมดา พลาสมาที่บิดตัวจะเหนี่ยวนำให้เกิดการบิดตัวในเส้นสนามแม่เหล็กเพื่อทำให้เกิดการหักล้างการดริฟต์ และโดยทั่วไปแล้วสามารถให้การบิดตัวได้มากกว่าทอร์ซาตรอนหรือเฮลิโอตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับศูนย์กลางของพลาสมา (แกนแม่เหล็ก) เฮลิแอคแบบดั้งเดิมประกอบด้วยขดลวดวงกลมเท่านั้น และเฮลิแอคแบบยืดหยุ่น^{[ 77 ]} ( H-1NF , TJ-II , TU-Heliac ) จะเพิ่มขดลวดเกลียวขนาดเล็กเพื่อให้สามารถปรับการบิดตัวได้ถึง 2 เท่า

• Helias – เครื่องปฏิกรณ์แบบสเตลลาเรเตอร์ขั้นสูงแบบเกลียวโดยใช้ชุดขดลวดแบบโมดูลาร์ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้ได้พลาสมาสูง กระแส Pfirsch–Schluter ต่ำ และการกักเก็บอนุภาคพลังงานสูงได้ดีพร้อมกัน เช่น อนุภาคอัลฟาสำหรับสถานการณ์เครื่องปฏิกรณ์^{[ 78 ]} Helias ได้รับการเสนอให้เป็นแนวคิดที่มีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับโรงไฟฟ้า ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมแบบโมดูลาร์ และคุณสมบัติของพลาสมาMHDและสนามแม่เหล็กที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม W7-X ใช้การกำหนดค่า Helias แบบห้าช่วงสนามเป็นพื้นฐาน

• หัววัดปากกาลูกลื่น
• โพรบแลงมัวร์

Wikimedia Commons มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับStellarators

• ข่าวสารเกี่ยวกับ Stellarator จาก ORNL
• เครื่องกำเนิดสัญญาณดาวทั่วโลก – รวมถึง UST-2