Jak to bylo s fúzí – část třetí

Pokračujeme v seriálu: první díl vyšel 24. 6. 2015 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1705-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-prvni, druhý díl 24. 9. 2015 zde http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/1749-jak-to-bylo-s-fuzi-cast-druha

Když na počátku dvacátého století profesor J. A. Pollock vysvětlil deformaci měděného hromosvodu továrny Hartley Vale Kerosene Refinery poblíž australského Lithgow v New South Wales, zrodil se název „pinch effect“ (pinch = štípnutí, sevření, si fyzici počeštili na pinč). Mimořádně silný elektrický proud blesku interagoval s vlastním magnetickým polem a elektromagnetická síla směřující k ose bleskosvodu měděný vodič stlačila stejně, jako kdybyste vysáli vzduch z měkké gumové trubičky. Tehdy více méně z legrace nazval Carl Hering, přítel Edwina Fitche Northrupa, jev „the pinch phenomenon“ a název pinch effect se ujal. E. F. Northrup pinč intenzivně studoval v USA. (Daniel Clery, A Piese of the Sun, str. 46.)

Peter Thonemann byl čerstvý absolvent University v Sydney, když se objevil v říjnu 1946 v rozbombardovaném Londýně. Do té doby nevěděl, že byla nějaká světová válka.

V Clarendon Laboratory v Oxfordu chtěl uskutečnit své představy o fúzi jader lehkých atomů. Jeho školitel, Douglas Roaf, měl jinou představu o vědecké kariéře svého svěřence a Thonemann se fúzi věnoval v rámci „druhého zaměstnání“. To mu nezabránilo, aby po půl roce nepožádal ředitele laboratoře Lorda Cherwella (Frederick Alexander Lindemann) o stavbu aparatury, s jejíž pomocí by bylo možné fúzi studovat. Na semináři své přání obhájil a od té doby se jeho hlavním úkolem stal výzkum termojaderné fúze. Vznešené téma začínalo z ničeho a Thonemann si v sérii písemných zpráv třídil myšlenky, než se spojil se zručnými skláři – bratry Saxtonovými –, kteří mu vyrobili skleněnou toroidální nádobu. Myšlenka sekundárního závitu realizovaná provazcem plazmatu střídavého transformátoru byla známa, ale Thonemann byl zřejmě první, kdo ji uskutečnil. Jeho první toroidální nádoby byly ovinuty vodou chlazenými měděnými cívkami a podélné magnetické pole ovlivňovalo proudový kanál v plazmatu podle Thonemannových představ, až na to, že při zvětšování magnetického pole plazma náhle zkolabovalo. Plazma se začalo chovat jako diamagnetické a udržovací vnější pole vytlačilo ven.

Thonemann vnější udržovací magnetické pole opustil

Poznámka 1

Zde si nemohu odpustit malou odbočku. Při myšlenkové rešerši možných způsobů, jak využít výboj v plynu pro fúzní účely, vyloučil Thonemann „space charge disintegrator“. O co šlo? Hypotetický systém tvořila kulová nádoba, do které byly radiálně vstřikovány ionty. Ve středu koule byly ionty neutralizovány oblakem elektronů a termojaderné reakce nastávaly mezi srážejícími se ionty. Myšlenku, aniž by ji vyzkoušel, Thonemann opustil, jako neuskutečnitelnou… Elektromagnetickými pastmi, jak v Charkově „space charge disintegrator“ nazývali, se celý život zabýval Oleg Alexandrovič Lavrentěv a se sérií experimentálních zařízení JUPITĚR dosáhl pozoruhodných úspěchů i na mezinárodním poli. Co Lavrentěvovi scházelo k dosažení termojaderného cíle? Peníze.

Od února 1948 se na Thonemannově výzkumu v Clarendon Laboratory začal finančně i personálně podílet Harwell – garant termojaderného výzkumu v Británii. Spolu se svým novým asistentem W. T. Cowhigem se Thonemann pokusil odhadnout, jak veliký je třeba elektrický proud v plazmatu, aby se projevil pinč, který by plazma zmáčknul jako hromosvod továrny Hartley Vale Kerosene Refinery a plazma zahřál na termojadernou teplotu. Ukázalo se, že se jejich teorie pinče příliš neliší od Bennetovy z roku 1934 (kterou prý neznali), za to nesouhlasí s Tonksem – rok 1937 (https://www.google.cz/?gws_rd=ssl#q=rovnice+Bennetova). Teorie požadovala proud cca 200 kA! Druhá podstatná otázka se týkala způsobu jak udržet provazec plazmatu uprostřed vakuové komory. Nakonec se rozhodli pro měděný torus se čtyřmi podélnými vodiči protékanými proudem v opačném směru, než poteče proud v plazmatu. Předchůdci cívek poloidálního pole měly plazma ukáznit ve středu komory. Vířivé proudy ve vodivé stěně vakuové komory buzené elektrickým proudem v plazmatu mají obdobný účinek, ale v tomto okamžiku nebyly uvažovány.

Tokamaky zvolily přesně opačný postup

V zimě na přelomu let 1949 a 1950 došlo k nepříjemné události, která negativně ovlivnila výzkum řízené fúze doslova na celém světě. Zjistilo se, že významný vědec, vedoucí teoretického oddělení v Harwellu, Klaus Fuchs, předával informace o jaderném výzkumu v USA a ve Spojeném království do Sovětského svazu. Co teď?

Poznámka 2

Co věděli A. D. Sacharov a J. Tamm v Moskvě o fúzním výzkumu v USA a ve Spojeném království? V žádné ruské literatuře jsem nenašel jedinou zmínku, že by slavná dvojice autorů tokamaku cokoli o západním výzkumu věděla. Přesto jejich návrh MTR (Magnitnyj termojadernyj reaktor) v roce 1950 má toroidální tvar a dvě magnetická pole, ke kterým se v Harwellu klopotně dopracovávali pomalu deset let. První známý kontakt obou škol má datum 26. dubna 1956, kdy I. V. Kurčatov vystoupil se známou přednáškou „O možnosti zapálení termojaderných reakcí ve výbojích v plynech“ v Harwellu. Ve Stockholmu při International Astronomical Union Conference se setkali členové sovětské delegace se svými kolegy ze západu. Další bod dotyku jsou medializované výsledky zařízení Zeta z ledna 1958. Pak už setkání obou front nabývají na frekvenci a intenzitě. Zcela ojedinělá svým rozsahem byla II. Mezinárodní konference „Atomy pro mír“ v Ženevě v září téhož roku.

Šafranov v roce 2001 v časopise Uspěchi fizičeskich nauk odůvodňuje krátké zaváhání na cestě od MTR k tokamaku na úkor výzkumu rychlých výbojů – pinčů - takto: Sacharov navrhl potlačit toroidální drift v tokamaku zavedením poloidálního magnetického pole tak, že v plazmatickém provazci vybudí elektrický proud, který potřebné magnetické pole vytvoří. Cituji: „V Kurčatově ústavu potřeba vybuzení elektrického proudu v samotném plazmatu vedla ke kompletnímu vyloučení pole vnějších cívek. Další výzkum se soustředil na samostlačující výboj v plazmatu – na pinče.“

Jako v ilegalitě

Faktem je, že téměř hysterická kampaň silně omezila počet a rozsah publikací, kontakty a tím i prodloužila dobu výzkumu a zvětšila nebezpečí omylů a duplikací výzkumu. Utajení se týkalo nejen železné opony, ale i Spojených států vůči Spojenému království. Když si uvědomíme těsné vztahy mezi od přírody svobodomyslnými vědci obecně, natož v USA a SK, vybudované zejména při práci na projektu Manhattan, tak je zřejmé, že s utajováním to byrokraté neměli vůbec jednoduché. Nu a do toho všeho vpadl svojí harwellovskou předáškou I. V. Kurčatov. Posluchači tehdy dostali seznam otázek, které nesměli Kurčatovovi položit!

Přesto absurdní utajovací mašinerie měla i pozitivní důsledky. Universitní prostředí, kde výzkum řízené fúze začínal, nebylo pro režim utajení vůbec vhodné. A tak se Imperial College z Londýna s Thomsonem stěhovala do AEI (Associated Electrical Industries, Ltd.) Aldermatson Court a Clarendon Laboratory Oxford s Thonemannem do Harwellu. Kromě zmíněných podmínek tu byly větší prostory a často i více peněz.

Peter Clive Thonemann byl výjimečná a především systematická osobnost. Krok za krokem postupoval za svým snem, který ho přivedl do Spojeného království. A byl úspěšný. Každou sobotu ho navštěvoval Sir John Crockcroft, nezřídka s basou piv. Okouzleně s Lordem Cherwellem sledovali mihotající se plazmový provazec v toroidální vakuové komoře. V roce 1954 se rozhodlo o stavbě velkého zařízení.

Dvě významné události

Na cestě k neobyčejnému, v tu dobu největšímu zařízení pro výzkum řízené termojaderné fúze, ovlivnily další směřování výzkumu přinejmenším dvě významné události.

Při „stěhování národů“  přešel do Harwell z TRE (Telecommunication Research Establishment) Malvern Robert Caruthers, který kromě inženýrské zručnosti, kterou uplatnil při stavbě napájecích zdrojů pro Thonemannovy „trubice“ z nejrůznějších nepoužívaných součástek nedaleko stojících urychlovačů, s sebou přinesl nápad, kterým si zajistil fúzní nesmrtelnost. Při vysokofrekvenčním napájení výbojů docházelo v okamžiku změny polarity napětí k úniku pracně vybudovaných iontů. Caruthers na základě zkušeností s provozem radarů navrhl pulsní režim. Brzy se veškeré vf vysílače odvezly „do šrotu“ a Thonemann & spol. nadále fungovali pouze a jenom pulzně!

Druhá významná událost souvisela úzce s první. Při novém, pulzním, režimu se objevila do té doby neznámá MHD (magnetohydrodynamická) nestabilita, kterou vf režim dovedně skryl. Zálivová nestabilita ohnula plazmový provazec, až se dotknul stěny, a bylo po výboji. Jako na zavolanou se objevil Roy Bickerton, který vypracoval doktorát na stabilizaci přímého doutnavého výboje. Bickerton navrhl a vyzkoušel ( či spíše vyzkoušel a pak navrhl) metodu, jak zálivovou nestabilitu (kink or wriggling instability -) v toroidálním výboji eliminovat stacionárním podélným magnetickým polem. Návrh byl zakomponován do chystaného projektu století.

K tokamaku už jen malý krůček

Od zařízení, které se rodilo v Moskvě – od tokamaku – dělil chystané zařízení jen malý krůček. Obě zařízení měla spirálovitá magnetická pole daná superpozicí podélného, tj. toroidálního, a kruhového, tj. poloidálního pole. Zařízení se lišila pouze v úhlu stoupání magnetické spirály. Tokamak měl stoupání podstatně menší.

Pro Harwell nadšeně pracovaly všechny satelitní laboratoře – Liverpool, Londýn, Birmingham, Aldermatson Court.

Indukční buzení výbojového proudu ve vakuové toroidální komoře, stabilizace krátkovlnných MHD nestabilit vodivou stěnou, stabilizace dlouhovlnných MHD nestabilit podélným magnetickým polem, pulzní režim činnosti - Atomic Energy Research Establishment v Harwellu byl připraven ke stavbě unikátního zařízení pro výzkum řízené termojaderné fúze. Peter Thonemann a spol. byli připraveni ke stavbě ZETA (Zero Energy Thermonuclear Assembly)!

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

Popisek obrázku: Dva první Thonemannovy toroidy v Clarendon Laboratory, Oxford (cca 1949 až 1950). Toroid vlevo je z Pyrexu s vodou chlazenou cívkou navinutou kolem komory, která vytváří toroidální magnetické pole. Proud v plazmatu (kolem 10 A) indukovaly vysokofrekvenční cívky a transformátorové jádro (většina jádra je odstraněna pro lepší názornost obrázku). Toroid vpravo je z mědi a používal se ke studiu pinče při proudech nad 2 kA. Obrázek převzat z knihy C M Braams and P Scott Nuclear Fusion – Half a Century of Magnetic Confinement Fusion Research, 2002 IoP Bristol Philadelphia (http://physics.technion.ac.il/~plasma/publications/ebooks/books2/djvu_library/Plasma/MHD abd Fusion/Nuclear fusion - Half a century of magnetic confinement fusion research, Braams, Stott, 2002.pdf).