目前比較有希望的兩種實現聚變的方法分別是磁約束核聚變和慣性約束核聚變。慣性約束聚變的原理很是簡單，就是通過激光產生的巨大的壓強，使核燃料體積在極短的時間內變小，密度變大，原子核發生聚變反應，釋放出能量。而磁約束核聚變則是利用磁場來約束溫度極高的等離子體的核燃料，以使其反應。

    我們在燃燒煤，石油，天然氣的時候會有個容器來保溫，讓燃料在一定的溫度下反應，釋放出能量。但是在聚變反應中，為了能讓原子核越過勢壘相互之間發生碰撞，我們就要給原子核相當高的動能。一種方法就是我們可以用粒子加速器來提高原子核速度，讓其碰撞。實驗證實，這種方法可以發生聚變反應，但是反應釋放出的能量遠小于加速原子核所消耗的能量，也就是所謂的得不償失。還有一種方法就是提高核燃料的溫度，物質溫度越高，意味著其微觀粒子的無規則速度越大。我們需要把燃料加熱到1億度以上，這樣原子核才有足夠大的動能相互碰撞，才可能發生聚變反應。但是在1億度的條件下，任何固態物質都會在極短的時間內汽化，關鍵問題就是如何找一個這樣的“爐子”，能承受如此高的溫度？

    找一個合適的“爐子”是上個世紀五六十年代的科學家們思考的問題。 大體的思路是這樣的，1億度的物質處于等離子體態，也就是物質的原子核和核外電子是分離的，電子是自由的，不再受某一特定的原子核的束縛。也就是等離子體中的粒子都是自由的，帶電粒子。于是科學家就想到了磁場，因為帶電粒子在磁場中會繞磁力線做回旋運動，可以利用通過在容器內建立磁場來約束等離子體，使其不與容器壁接觸。這樣可以使核燃料持續燃燒一段時間。

    最開始選用的磁場就是最簡單的螺線管，可以將核燃料約束一段時間，但是螺線管兩端是開口的，核燃料可以從兩端逃出容器或者與容器壁相接觸，這樣會很快地將容器壁燒蝕，影響約束效果。

常規的螺線管產生的磁場

    為了解決這個問題，有些人想到了將螺線管彎曲，將兩端連接起來，構成閉合螺線管，這樣就解決了兩端的逃逸問題。

閉合螺線管

    但是等離子體態的核燃料在這樣的環形磁場中還是無法很好的約束，還是會碰到容器壁上。由于等離子體態的核燃料完全電離，導電性能非常好，所以人們就想如果等離子體在環向上有一個電流，電流又會產生一個沿閉合螺線管繞線方向的磁場，這時或許就會約束的更好。這一點首先是由前蘇聯人想到的。

    如何讓等離子體產生環向電流呢，原理也很簡單，就是把閉合螺線管和變壓器結合起來，將閉合螺線管整體當作變壓器的副線圈，這樣當變壓器的主線圈中的電流變化時，在副線圈已經電離的等離子體中就會產生環向電流。而且，由于等離子體還有電阻，當產生環向電流的時候等離子體本身還可以產生焦耳熱，這樣還可以加熱等離子體。這樣，就構成了基本的托卡馬克結構。托卡馬克的發明是聚變研究領域的一大進步，為當時的研究指明了方向。

經過演化后的托卡馬克基本機構

    在閉合螺線管內，核燃料形狀為輪胎型，如圖所示的淺紅色位置即為等離子體態的核燃料。在只有環向場的條件下（上面提到的閉合螺線管），上兩個極向場線圈調節其受力，使其維持平衡。此外，變壓器中間的鐵芯的作用是讓兩個線圈更好的磁耦合，但是由于“輪胎”中心空間有限，而且當磁通足夠強的時候有沒有鐵芯差別已經不大，所以現在大部分托卡馬克已經不要鐵芯了，但是歐姆線圈仍然保留，用來加熱等離子體和驅動等離子體電流。后來圓形的輪胎截面又演化成的D行或豆形，發現在這些條件下等離子體的約束效果更好。