Tokamak bez královské koruny – centrálního solenoidu

Na přelomu let 2015 a 2016 jsme byli svědky obrovského vzrůstu zájmu o německý stelarátor Wendelstein ze severoněmeckého Greifsfaldu, kde má pobočku německý Ústav fyziky plazmatu Maxe Plancka z Garchingu. Noviny se předháněly v líčení skvělých perspektiv tohoto zařízení na jadernou fúzi, dokonce sama německá kancléřka asistovala u slavnostního spouštění. Nejeden novinář se nechal unést a psal o tom, že konečně tento podivuhodný stroj vyřeší problém fúze, a že tokamaku ITER vlastně nebude třeba. Nechceme činit opak a na úkor stelarátoru vychvalovat jen tokamaky. Oba tyto typy fúzních experimentálních zařízení mají své místo ve vědě a jistě přinesou pokrok. Zažehnutí prvního plazmatu ve Wendelsteinu je v každém případě významnou událostí. Pokusme se identifikovat nedostatek jinak úspěšného tokamaku ve srovnání se stelarátorem, a co tokamak podniká, aby nedostatek odstranil.

Tokamak je transformátor

Víme, že tokamak je magnetická nádoba, kde zdrojem magnetického pole je do kruhu tvarovaný solenoid – prstenec neboli toroid. Při pohledu na vroubkovanou komoru tvaru pneumatiky si většina čtenářů všimne, že závity na jeho vnější straně jsou od sebe dále, než na straně vnitřní. Důsledkem je nehomogenní pole, které vede ke zhoubné tzv. toroidální nestabilitě. „Otec“ tokamaku, Andrej Sacharov, odstranil nestabilitu tak, že pomocí transformátoru do plazmatu v toroidu indukoval elektrický proud, jehož magnetické pole po složení s polem cívek vytvořilo šroubovici. Ta nutila plazma cestovat střídavě oblastí slabého a silného magnetického pole. Tím kompenzoval účinky nehomogenity a eliminoval toroidální nestabilitu. Můžeme ovšem najít způsob, jak vybudit elektrický proud v plazmatu jiným způsobem, nejlépe ve stacionárním režimu.

Stelarátor má složitý tvar cívek

Vraťme se ke stelarátoru, který, stejně jako tokamak, chce udržet plazma ve víceméně toroidální nádobě. Stejně jako tokamak potřebuje k potlačení toroidální nestability šroubovicové magnetické pole. Na rozdíl od tokamaku ho však vytváří pouze vnějšími sofistikovaně tvarovanými cívkami. Nepoužívá proud v plazmatu, nepotřebuje tudíž transformátorový efekt. Není třeba elektromagnetické indukce, zapotřebí jsou však vnější cívky roztodivných tvarů. Právě slovíčko roztodivný skrývalo dlouho kámen úrazu – od pionýrských dob autora stelarátoru Lymana Spitzera po dobu nedávnou, až ho vyřešily výkonné počítačové systémy. Ladění systému modulárních cívek stelarátoru Wendelstein W7-X trvalo plných deset let!

V každém případě 10. prosinec 2015 lze směle přirovnat k 25. červnu 1983, kdy dnes už slavný tokamak JET v Británii zažehl svoje první plazma. Zpoždění stelarátorů za tokamaky je tedy zhruba třicetileté. Slovo „zpoždění“ však v žádném případě neoznačuje méně kvalitní zařízení, a méně schopné výzkumníky už vůbec ne. Časová prodleva může stelarátorům dovolit převzít tokamakové zkušenosti a náskok zmenšit. Za vedoucím závodníkem se vždy šlape snadněji. Schopnost práce v nepřetržitém režimu se může rychle stát velmi cennou devízou. Je namístě ze zeptat: Co tedy tokamak podniká, aby si svůj náskok udržel?

Stacionární tokamak

Novým přístupem je z principálně pulzního zařízení vyrobit zařízení s nepřetržitým provozem. Zde není od věci připomenout českou stopu v této oblasti fyziky fúze: V roce 1982 na prvním (částečně) supravodivém tokamaku na světě T-7 v Moskvě generovala vlnovodná struktura s grilem vyrobeným v Ústavu fyziky plazmatu ČSAV elektrický proud v plazmatu 200 kA pod dobu 30 s, což byl v té době světový rekord. U zrodu teorie předávání impulsu vysokofrekvenčního pole elektronům stála v roce 1973 dvojice z téhož ústavu – Richard Klíma a Václav Petržílka. Stejně jako je možné použít k vyvolání neinduktivně buzeného proudu vysokofrekvenční pole, které se používá k dodatečnému ohřevu plazmatu, je možné ke stejnému účelu použít i druhý typ dodatečného ohřevu, totiž vstřik vysokoenergetických neutrálních částic.

Zajímavou metodou neinduktivní generace proudu je tzv. bootstrap proud. Název jevu pochází z příběhu barona Prášila, který vyprávěl udivenému obecenstvu, jak po krk v bahně dokázal sebe i svého koně vytáhnout za třmeny jezdeckého sedla. Zde vhodný profil hustoty a teploty plazmatu generuje v plazmatu elektrický proud.

V tokamaku ITER se s  metodami neinduktivní generace proudu sice počítá, ale zatím se neobjevil důkaz, že dokážou induktivně buzený elektrický proud plně nahradit.

Nedávno PPPL (Princeton Plasma Physics Laboratory, prestižní fúzní středisko), mimochodem rodiště stelarátoru v padesátých letech, publikovalo výsledky počítačových simulací, které se týkají neinduktivního buzení proudu v tokamaku. A přineslo hned dvě zprávy.

Coaxial Helicite Injection

Francesca Pauli, která pracuje pro DoE (Department of Energy) v PPPL, se pokusila s programem vyvinutým v PPPL pod jménem TRANSP činnost centrálního solenoidu tokamaku, jinak primárního vinutí vzduchového transformátoru, nahradit Coaxial Helicity Injection (CHI). Obrazně řečeno – zbavit se centrálního solenoidu, na který stejně v kulovém tokamaku není místo, a nahradit ho výbojem zapáleným pod vakuovou komorou. V komoře je mezera umožňující výboji ovlivňovat dění ve vakuové komoře. Následná rekonekce (přepojení) magnetických siločar vytvoří tzv. magnetické bubliny, které dokážou generovat elektrický proud v toroidálním plazmatu.

Kulový tokamak

Kulový tokamak je verzí standardního tokamaku s téměř kruhovým průřezem vakuové komory fungujícím na velkém beta. (Beta je poměr kinetického tlaku plazmatu a tlaku magnetického pole.) Kulový tokamak v řezu připomíná vypeckovanou broskev. Mimochodem, byl to právě kulový tokamak MAST (Mega Ampere Sherical Tokamak) v Culhamu, kterému britští vědci dali přednost, a aby pro něj uvolnili místo, personál i peníze, přestěhovali starší tokamak COMPASS k nám do Prahy.

Vraťme se ale k CHI v Princetonu. Francesca Pauli slibuje pomocí HHFW (high-harmonic frequency waves – vln na vysokých harmonických frekvencích) a vstřiku svazku neutrálních částic (viz diskuse výše o způsobech neinduktivního buzení proudu) – proud až 1 MA (milión ampérů). Podobně jako u jiných neinduktivních metod buzení proudu se předem musí připravit podmínky. To v tomto případě znamená plazma ohřát elektronovou cyklotronovou frekvencí (mikrovlny na frekvenci rotace elektronů kolem magnetických siločar).

Plazmoidy

Fatima Ebrahimi z PPPL nazývá magnetické bubliny plazmoidy. Tvrdí, že dokážou generovat proud v plazmatu tokamaku a nahradit tak centrální solenoid, tj. primární vinutí transformátoru, který dělá tokamak tokamakem.

Existence plazmoidů byla potvrzena v kulovém tokamaku NSTX (National Spherical Torus Experiment) největším tokamaku v PPPL. Roger Raman, vedoucí programu CHI přiznává, že je před nimi ještě hodně práce. Nadšeně však vypráví o tom, že CHI změní obrázek tokamaků, které nebudou potřebovat centrální solenoid. Nu, nechme se překvapit.

Bootstrap na okraji

Překvapivý a možná i trochu podezřelý je fakt, že renomovaná PPPL ohlásila další simulační experiment, tentokrát na superpočítači 10-petaflop IBM Blue Gene/Q supercomputer MIRA. Ten potvrdil v okrajovém plazmatu tokamaku samogenerovaný proud (bootstrap current). V dosavadních modelacích se zatím neobjevoval – prý proto, že MIRA dokáže pracovat s mnohem větším počtem částic než dosavadní počítače.

Zdá se, že není daleko doba, kdy se bude experimentovat hlavně před obrazovkou počítače. Ovšem sebelepší simulace neodlepí letadlo od země, ani v elektrárně nevyrobí energii. Takže: Vzhůru, experimentátoři všech zemí! A spojte se vy od tokamaků i od stelarátorů!

Ilustrace použity se svolením ITER Organization.