Идея термоядерного синтеза возникла в первой половине XX века в связи с развитием атомной физики и астрофизики. После открытия атомного ядра в 1911 году Эрнестом Резерфордом стало ясно, что внутренняя энергия ядра колоссальна и способна объяснить источники энергии звёзд. В 1920-х гг. Артур Эддингтон выдвинул гипотезу, что источником излучения Солнца является именно термоядерный синтез лёгких элементов. Он предположил, что водородные ядра могут сливаться, образуя гелий с выделением огромного количества энергии, что согласовывалось с известными тогда данными о спектре звёзд и их долговечности.
В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, что дало мощный толчок развитию ядерной физики. Вскоре Карл фон Вайцзеккер и Ганс Бете разработали первые модели термоядерных циклов — протон-протонного и CNO-цикла. Эти работы объяснили, каким образом в недрах звёзд идут реакции превращения лёгких элементов в более тяжёлые. Бете в 1938 году описал последовательность реакций, в которых протоны преодолевают кулоновский барьер при высоких температурах и плотностях, подтверждая идеи Эддингтона.
После Второй мировой войны, когда был создан и испытан атомный реактор, внимание физиков переключилось и на возможность управляемого термоядерного синтеза. В этот же период велись работы по созданию термоядерного оружия, где использовались процессы синтеза дейтерия и трития. Однако почти одновременно учёные начали рассматривать задачу мирного использования этих реакций в энергетике.
Уже в 1950-х годах появились первые проекты установок для удержания плазмы высокой температуры. В СССР идеи термоядерного синтеза активно развивались в работах И.Е. Тамма, А.Д. Сахарова и их коллег, предложивших концепцию тороидальной установки — токамака. Почти одновременно в США и Великобритании велись исследования альтернативных конфигураций — «стелларатора» (Лайман Спитцер, 1951), «зеркальных ловушек» и линейных магнитных систем.
СССР стал лидером в практическом продвижении идеи токамака. В конце 1960-х годов советские физики под руководством Лев Арцимовича продемонстрировали уникальные результаты по удержанию плазмы, показав рекордные температуры и времена удержания. Международное научное сообщество признало эффективность токамаков, и с тех пор именно этот тип установок стал доминирующим направлением исследований.
В дальнейшем исследования расширялись: в США, Японии, Европе и других странах строились всё более крупные установки — от T-10 и JET до JT-60. В 1980–1990-е годы удалось приблизиться к так называемому «условию Лоусона» — совокупности параметров температуры, плотности и времени удержания плазмы, необходимых для выхода на режим энергетической отдачи.
Несмотря на успех токамаков, исследовались и другие подходы. В США активно развивался метод инерциального удержания, при котором топливо сжимается лазерами или ионными пучками. С конца 1960-х годов лазерная технология позволила ставить опыты по сверхбыстрому нагреву и сжатию микросфер из дейтерий-тритиевой смеси. Этот метод оказался чрезвычайно сложным, однако дал важные результаты для понимания динамики плазмы и процессов неустойчивости.
Также предлагались альтернативные схемы: сферические токамаки, зеркальные ловушки, плазменные фокусаторы, пинч-установки. Многие из них не достигли необходимых параметров, но внесли вклад в развитие общей физики плазмы.
К концу XX века стало ясно, что масштаб задачи требует объединения усилий. В 1985 году СССР предложил международное сотрудничество по созданию крупнейшего в мире экспериментального токамака. Так появился проект ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), в котором участвуют страны Европы, Россия, США, Япония, Корея, Китай и Индия. Цель ITER — показать возможность устойчивого выхода на режим, при котором термоядерный синтез даёт больше энергии, чем потребляет система нагрева и удержания.
ITER строится во Франции и является крупнейшим международным научным проектом в области энергетики. Он призван стать шагом от фундаментальных экспериментов к промышленным реакторам.
История изучения термоядерного синтеза демонстрирует редкий пример взаимодействия фундаментальной науки, прикладной физики и международного сотрудничества. От гипотез Эддингтона и моделей Бете до современных токамаков и лазерных установок прошло менее ста лет, но за это время были созданы совершенно новые отрасли физики — физика плазмы и физика высоких энергий.
Термоядерный синтез сегодня является не только объектом исследования, но и стратегическим направлением, способным обеспечить человечество практически неисчерпаемым источником энергии. Его история — это череда теоретических прорывов, инженерных решений и международных усилий, которые продолжаются и в XXI веке.