Jak to bylo s fúzí – část druhá

Pokračujeme v seriálu (první díl vyšel 24. 6. 2015 a najdete ho zde: http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1705-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-prvni). Možná někoho překvapí, že ani špičkoví vědci ověnčení mimořádným oceněním nemají cestu umetenou. V Lindau na setkání s nositeli Nobelovy ceny se účastníci shodli, že Nobelova cena laureátům automaticky nezaručuje ani snazší financování dalšího výzkumu, ani snazší přijímání jejich prací v nejprestižnějších vědeckých časopisech. (Robert Zika: „Setkání s nositeli Nobelovy ceny v Lindau“, AB 2015/7-8.)

Georg Paget Thomson za války sdělil britské vládě, že podle jeho výpočtů lze sestrojit atomovou pumu. Spolu se svým otcem J. J. Thomsonem – oba nositelé Nobelovy ceny – se zabýval výboji v plynech, takže měl dobrou průpravu pro úvahy o řízené termojaderné fúzi. G. P. Thomson vzpomínal, že o fúzi v deuteriovém výboji přemýšlel již koncem roku 1945. V té době bylo zřejmé, že k průmyslovému využití energie uvolněné fúzí lehkých atomů se musí palivo zahřát na teplotu dostatečnou k překonání odpudivé síly kladně nabitých jader. Při teplotách miliónů stupňů je každá látka ve stavu ionizovaného plynu – plazmatu. Takové plazma se však vyskytuje na Zemi výhradně při elektrickém výboji v plynu.

Technicko-politická řešení, která nabízel G. P. Thomson na cestě k uskutečnění své myšlenky, jsou zajímavá ze dvou důvodů. Jen tak tak, že nepředběhl Rusy a jejich geniální tokamak, a také mu nepomohlo ani renomé nobelisty, aby mohl svoji ideu realizovat.

Toroidální solenoid

G. P. Thomson nejprve uvažoval o „toroidálním solenoidu“. Solenoid je prostě cívka (určená k tomu, aby jí protékal elektrický proud), a když ji stočíme do tvaru nafouknuté pneumatiky, máme prstenec, tedy právě to, co nazval G. P. Thomson toroidálním solenoidem. Elektrický proud vybudí ve vakuové komoře uvnitř solenoidu magnetické pole, které nepůsobí silou na ionty a elektrony letící ve směru magnetických siločar, ale stáčí kolmo ke směru magnetických siločar vše nabité letící jinými směry. Tím při správné konstrukci nedovolí nabitým částicím dotknout se stěn komory (a tím se jednak ochladit, jednak zničit materiál stěny). Záporný prostorový náboj elektronů přitáhne kladně nabité ionty a celé plazma je tak tepelně izolováno.

G. P. Thomson svůj návrh patentu poslal k posouzení profesoru fyziky na Univerzitě v Birminghamu, Robertu Peierlsovi. Ten, kromě jiného, poukázal na přítomnost zkřížených polí – vedle magnetického pole solenoidu podél jeho osy je tu i elektrické pole iontů a elektronů v radiálním směru. Výsledkem je drift („unášení směrem kolmým na rovinu danou směry obou polí“) nabitých částic; ten však, jakožto elektrický proud, budí také své magnetické pole, a to narušuje požadované pole solenoidu a tím i jeho izolační funkci.

G. P. Thomson se zřekl solenoidu a izolační funkci přenechal vlastnímu magnetickému poli elektrického proudu výboje. Student J. W. Gardner z University Birmingham prostudoval na přání svého profesora Peierlse stabilitu proudového vlákna v toroidu a došel ke kladnému závěru. Elektrický proud v toroidální komoře chtěl G. P. Thomson generovat postupnou elektromagnetickou vlnou vybuzenou anténami vhodně uspořádanými v komoře.

Dvě magnetická pole

Jak víme, zařízení tokamak používá obě magnetická pole – jak pole buzené vnějšími cívkami (toroidálním solenoidem podle názvosloví G. P. Thomson), tak i pole proudu protékajícího plazmatem (druhý nápad G. P. Thomsona). Až se z toho zdá, že tokamak má současně dvě pole jen proto, že ho vymysleli současně dva geniální fyzikové – J. Tamm navrhl pole toroidální a D. Sacharov doplnil pole poloidální, zatímco Thomson byl sám, a proto jeho návrh měl „pouze jedno pole“…

V lednu roku 1947 svolal ředitel Atomic Energy Research Establishment, AERE, John Cockcroft k setkání do Harwellu všechny, kdo mohli k výzkumu řízené fúze ve Spojeném království něco říci. Výsledek? Na jedné straně nebyl přijat Thomsonův návrh na stavbu velkého zařízení (je prý příliš brzy i na nobelistu) a na straně druhé se Georg Paget Thomson seznámil s projektem Wirbelrohr.

Vědci v uniformách

V patách za vítěznými vojsky spojenců v II. válce kráčeli vědci v uniformách a s důstojnickými výložkami, aby tak pro svou zemi zajistili výsledky práce německých „kolegů“. Britská Control Commision tak zabavila Steenbeckem inovovaný betatron – Wirbelrohr. Steenbeck sázel na tzv „runaway“ (nebržděné srážkami) elektrony, které měly ve zředěném plynu vytvořit větší proud než ve standardním, to je evakuovaném betatronu. Wirbelrohr používal k zakřivení drah elektronů v ležaté toroidální komoře svislé magnetické pole stejně jako v betatronu. Georg Paget Thomson se Wirbelrohrem nechal inspirovat a pověřil své dva čerstvé doktorandy Alana Wahrena a Stanleye Cousina stavbou tohoto zařízení, ač mělo účel původně zcela mimo fúzní výzkum. Druhá varianta Wirbelrohr dosáhla proudu dokonce 27 kA! Bylo to první toroidální zařízení, na kterém bylo pozorováno stlačení (pinč) plazmatu!

4. dubna 1947

Wirbelrohr zasáhl do konečného návrhu patentu G. P. Thomsona a M. Blackmana, ač tam jmenován nebyl. Stejně úzkostlivě se Georg Paget Thomson vyhýbal názvu „pinč“, ač používal magnetického pole elektrického proudu tekoucím plazmatem přinejmenším k jeho izolaci. O důvodu můžeme pouze spekulovat. O druhém „úkolu“ pinče – ohřevu plazmatu – v patentu nepíše. Nicméně mu to bylo málo platné, neboť to byl právě pinč, který jeho snahu postavit „reaktor“ odsunul na vedlejší kolej. Alibismus? Georg Paget Thomson poznamenal, že jedno z využití patentu může být i výroba neutronů pro výrobu štěpného materiálu jako jsou uran a plutonium. Nálepka přísně tajné na sebe nenechala dlouho čekat a tím bylo po veškeré užitečné diskuzi.

29. května 1947

G. P. Thomson se ještě jednou pokusil svou ideu zhmotnit a 29. května 1947 požádal lorda Portala, vedoucího Atomic Energy, o stavbu velkého zařízení v laboratořích Aldermatson Court v Berkshire patřících skupině Associated Electrical Industries, Ltd., AEI. Laboratoře jsou pro utajovaný výzkum vhodnější než universitní prostředí Imperial College.

Ředitel laboratoře sekce jaderné fyziky T. E. Allibone byl přítelem a kolegou Georga Pageta Thomsona a AEI by si pokládala za čest účastnit se státního utajovaného výzkumu. Allibone měl souhlas vedoucího teoretického oddělení Harwell, Klause Fuchse. Podporu Thomsonovi vyjádřil další nositel Nobelovy ceny Sir James Chadwick. T. E. Allibone byl ochoten stavbu zařízení Thomsonovi hradit!

John Cockcroft však řekl své resolutní „NE!“

Určitě nelze podezřívat Cockcrofta ze zaujatosti vůči fúznímu výzkumu. Jeho AERE platilo asistenty Thonemanovi v oxfordské Clarendon Laboratory , koupilo speciální kondenzátory pro Imperial College. Zkrátka stavba relativně velkého zařízení, po kterém toužil Thomson, bez zázemí dlouhodobějších výzkumů na menších strojích, se nezdála příliš důvěryhodnou investici, i když pocházela z renomovaného pera nositele Nobelovy ceny!

V této situaci se ukázala velikost osobnosti G. P. Thomsona. Neuspěl ani napodruhé a přesto se nestáhl do sebe, nezatrpkl, neobklopil se pocitem ublíženosti zlého okolního světa. Ve zprávě „Atomic Energy from Deuterium“ věnované zřejmě Harwellu se pokusil rozebrat slabiny svého návrhu a přiklonil se k názoru, že v případě fúze lehkých jader nelze navrhnout stroj, který bude okamžitě úspěšně fungovat. Nicméně vyjádřil přesvědčení, že případné potíže budou překonatelné!

G. P. Thomson hledal nové nápady. A v této etapě jeho snahy pokořit termojadernou fúzi by měl zbystřit pozornost ústav Akademie věd České republiky – konkrétně Ústav fyziky plazmatu. Ne snad, že by Georg Paget Thomson v té době navštívil Československo. Koncem čtyřicátých let ÚFP ještě vůbec neexistoval, ale… G. P. Thomson se začal zabývat plazmovým betatronem, což je jednoduše řečeno standardní betatron namísto evakuace naplněný pracovním plynem. Nu a ÚFP vznikl roku 1959 právě na standardním betatronu, aby už po necelých dvaceti letech pracoval s fúzním tokamakem. Tokamak bývá totiž někdy nazýván betatronem, do kterého se napustil plyn.

Plazmový betatron není zmiňován v základní literatuře, nebyl dokončen, bylo to však jedno z prvních zařízení, když ne na světě, tak ve Spojeném království, výslovně zaměřených  na  uvolnění fúzní energie.

Tak skončila snaha prvního „T“ dobýt termojadernou pevnost.

Volně podle J. Hendry a J. D. Lawson: Fusion research in the UK 1945-1960.