Mikrowellen eignen sich besonders zur Heizung von magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen. Wie bei der Erzeugung der Mikrowellen die Resonanzbedingung (Frequenz der Mikrowelle stimmt nahezu mit der Zyklotronfrequenz der Elektronen in dem Magnetfeld überein) erfüllt sein muss, so ist auch die Absorption der Mikrowellen in Plasmen besonders stark, wenn die Wellen und die Ladungsträger im Plasma in Resonanz schwingen. Die Frequenz von (nicht-relativistischen) Elektronen in einem Magnetfeld ist proportional zum Magnetfeld und beträgt bei 2,5 T (typisches Magnetfeld bisheriger Fusionsplasmen) 70 GHz. Dabei koppelt die elektromagnetische Welle an die Kreisbewegung der Elektronen an, weswegen man diese Art der Heizung auch Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung (electron-cyclotron-resonance-heating: ECRH) nennt.
Die Dichten in heutigen Fusionsplasmen sind so hoch, dass in vielen Fällen die Welle nicht mehr ins Plasma eindringen kann. Daher ist es vorteilhaft, mit der 1. Oberwelle bei 140 GHz (W7-X) zu heizen. Bei ITER allerdings wird das nominale Magnetfeld etwa 6,1 T betragen, welches bei der Grundwelle der Mikrowellenfrequenz von 170 GHz entspricht.
Die Elektronen-Zyklotron-Resonanz eignet sich jedoch nicht nur für die Heizung des Plasmas, sondern auch zum gezielten Treiben eines Plasmastromes (electron-cyclotron-current-drive: ECCD). Dies kann bei Tokamaks zur Stabilisierung lokaler Instabilitäten, zum Beispiel so genannter "Neoklassischer Tearing-Moden" benutzt werden. Wegen der Resonanzbedingung (zwischen Magnetfeld und Hochfrequenzwelle) findet Absorption der Welle und damit auch der Stromtrieb nur in dem Bereich statt, in dem die Resonanzbedingung erfüllt ist. Damit ist der „lokale“ Stromtrieb korreliert mit dem lokal vorherrschenden Magnetfeld und damit auch mit der Frequenz der Mikrowelle. Lokal gezielte Absorption ist also möglich mit Gyrotrons, die in der Frequenz variabel sind, so genannte in der Frequenz durchstimmbare Gyrotrons.
Die im Forschungszentrum Karlsruhe verfolgten Entwicklungslinien sind: ein quasi-stationäres Gyrotron mit zylindrischem Resonator und 1 Megawatt Ausgangsleistung für Wendelstein 7-X, ein Gyrotron mit koaxialem Resonator und doppelter Ausgangsleistung für ITER sowie ein in der Frequenz durchstimmbares Gyrotron, das eine erste Anwendung zur Unterdrückung "Neoklassischer Tearing-Moden" in der Experimentieranlage ASDEX Upgrade finden wird.
Die Übertragungstechniken für Mikrowellen hoher Leistung für zukünftige Fusionskraftwerke existieren bereits heute. Zur Übertragung zwischen Gyrotron und Plasma können sowohl quasi-optische Übertragungsleitungen mit Spiegeln als auch metallische Wellenleiter verwendet werden. Der Vorteil der Mikrowellenheizung liegt darin, dass keine Antennen in Plasmanähe erforderlich sind, die durch Freisetzen von Partikeln das Plasma verunreinigen könnten. Zudem können die Einstrahlöffnungen im Plasmagefäß klein gehalten werden, da Diamantfenster große Leistungsdichten mit mehr als 200 Megawatt pro Quadratmeter erlauben.
