Rytíř termojaderné fúze

Fúzní hladinu čeří mantra čerstvého podnikatelského povětří, které hodlá zkrotit Slunce na Zemi – zapálit termojadernou fúzi tak, aby poslouchala na slovo. Zní: kompaktní (= malé), laciné a do pěti let. Gigant, který se staví ve Francii, je veliký, drahý a nikdo neví, kdy bude hotov. Jejich slova prozrazují a) potřebu přemluvit investory, b) podcenění velkého soupeře, c) oboje dohromady. Ovšem když na stejnou notu zahraje Steven Cowley, zní melodie mnohem přitažlivěji, opravdověji a v každém případě zajímavě až překvapivě.

Kdo je Steven Cowley?

Pan Cowley o sobě říká, že je fúzní šílenec. A zapomíná dodat, že ne tak ledajaký. 1. července 2018 nastoupil do funkce (sedmého) ředitele Princeton Plasma Physics Laboratory. Té laboratoře, kde v padesátých letech minulého století Lyman Spitzer vdechl život velkému konkurentu tokamaku – hvězdnému stroji stelarátoru. PPPL byla a je na čele bádání o civilní termojaderné fúzi ve Spojených státech. PPPL je národní laboratoř financovaná ministerstvem energetiky (DOE) s více než 500 zaměstnanci a ročním rozpočtem ve výši 100 milionů dolarů.

Někdy se něco nepovede

V roce 2016 laboratoř utrpěla, když její hlavní zařízení, National Spherical Torus Experiment (NSTX), postihla řada nepříjemných poruch krátce po upgradu za 94 milionů dolarů. Ředitel PPPL, Stewart Prager, brzy poté rezignoval. DOE nyní zvažuje plán obnovy NSTX, která by měla stát desítky milionů dolarů.

Čím vším Steven Cowley byl

Steven Cowley byl prezidentem Corpus Christi College na Oxfordské univerzitě ve Velké Británii. Má dlouholeté zkušenosti v oblasti výzkumu jaderné syntézy, neboť byl vedoucím CCFE od roku 2008 do roku 2016 a vedoucím v PPPL v letech 1987 až 1993. Jeho hlavními výzkumnými zájmy jsou: teorie fúzního plazmatu, vznik magnetických polí ve vesmíru, teorie plazmových turbulencí a výbušné chování v laboratorních i astrofyzikálních plazmatech. Jako britský astrofyzik vedl britské centrum Culham Center for Fusion Energy (CCFE), vedl United Kingdom Atomic Energy Authority, spoluvedl Centre for Multi-scale Plasma Dynamics v University of California v Los Alamos a je profesorem na Kalifornské, Oxfordské a Princetonské univerzitě.

Sir Steven

Nedávno obdržel řád rytířství od britské královny Alžběty II. "...za službu vědě a vývoj jaderné fúze". Během práce v CCFE začala jeho laboratoř upgradováním tehdejšího „konkurenta“ NSTX, tokamaku MAST (Mega Amp Spherical Tokamak). Sférické tokamaky jsou variantou tradičního tvaru tokamaku ve tvaru „koblihy s otvorem uprostřed“, jehož poslední exemplář, obří přístroj ITER, se nyní staví ve Francii. Cílem ITERu je hořící plazma, kde samotné fúzní reakce dodávají veškeré nebo většinu tepla potřebného k hoření. Bude-li ITER úspěšný, vědci doufají, že sférické tokamaky nebo nějaká jiná variace ukážou cestu ke komerčním reaktorům, které budou menší, jednodušší a levnější než ITER. Modernizací zařízení NSTX a MAST se laboratoře snaží ukázat, že tento typ kompaktního reaktoru může dosáhnout stejného výkonu jako společný evropský torus (JET) CCFE, dosavadní největší světový tokamak a držitel světového rekordu výkonu uvolněného fúzí, ale v menším a tudíž lacinějším vydání.

Menší a lacinější

"Musíme zmenšit rozměry fúzních reaktorů a tím snížit náklady," řekl Cowley krátce poté, co 16. května oznámil své jmenování ředitelem PPPL. "Projekt ITER plně podporuji, protože musíme plazma zapálit. Komerční reaktory však budou muset být menší a levnější. Stroj velikosti JET by byl mnohem atraktivnější. MAST a NSTX budou dynamickým krokem vpřed. Mou první úlohou bude dostat NSTX zpět na trať. Jsem přesvědčen, že problém vyřešíme. Víme, jak vznikly chyby, a tudíž víme, jak je napravit. Pokud budou peníze, NSTX bude opět fungovat," říká. Cowley mluví o tom, že klíčovým cílem pro sférické tokamaky a další varianty je omezit turbulentní transport, proces, který umožňuje turbulentnímu plazmatu přenášet teplo z jádra plazmatu zařízení na okraj, kde teplo uniká na stěny vakuové komory. Pokud konstruktéři a vědci zjistí, jak udržet teplo účinněji, reaktor nemusí být tak velký. Sférické tokamaky to dělají tak, že se snaží udržet plazma ve středu přístroje, v blízkosti středního sloupce. Dalším způsobem, jak vyřešit problém s teplem, je zvýšení celkové intenzity magnetického pole zařízení pomocí supravodivých magnetů. Na Massachusetts Institute of Technology v Cambridge zkoušejí vysokoteplotní supravodiče ze vzácných zemin. "Mohou tak zmenšit rozměry," říká Cowley, "ale silná pole sama o sobě nestačí. Objeví-li se disruption (náhlá ztráta udržení), udržení končí – pole, nepole.“

Od každého typu něco

Cowley se domnívá, že budoucí stroje mohou mít prvky z více než jednoho typu reaktoru - včetně stelarátoru, typu reaktoru, který má, stejně jako tokamak, „tvar koblihy s otvorem uprostřed“, ale pyšní se bizarně zkroucenými magnety, které mohou udržet plazma bez elektrického proudu uvnitř vakuové komory, na který se tokamak naopak spoléhá. "Komunita stelaratátorů plodí krásné myšlenky," říká Sir Steven. „Wendelstein W7-X, "fenomenální" nový stelarátor v Německu, je jejich hlavním motorem,“ dodává.

ITER bude potřeba

Mezitím konstrukce ITER postupuje i přes četná zpoždění a zvyšování cen. Cowley je přesvědčen, že se věci zlepšily od okamžiku, kdy převzal vedení ITER současný ředitel Bernard Bigot. "Bigot je mimořádně dobrý ředitel. Zpevnil lodní kurs; umí rozhodnout," říká Cowley. "A má svůj tým. Trvalo to čas, najít správnou skupinu lidí. Budování ITERu je neuvěřitelně těžké, ale to všichni víme. Montáž bude náročná a bude obtížné program dodržet. Ale až vše skončí, bude to technologický zázrak.“

Money, money, money

Dnes je největší překážkou pokroku nedostatek finančních prostředků. Financování kupříkladu ve Spojených státech stagnuje už mnoho let. Prezident Donald Trump požádal na fiskální rok 2019, který začíná 1. října, na výzkumné programy fúze DOE 340 milionů dolarů, což je 36 procentní snížení současné úrovně. Kongres pravděpodobně toto snížení neschválí. "Existuje velká naděje, že rozpočet na rok 2019 se bude zvyšovat, ale jen to společnost nenabudí," říká Cowley. "Pokud budeme moci pracovat s  NSTX, abychom získali velkolepé výsledky v oblasti fúzní fyziky - na stejné úrovni s výsledky evropského tokamaku JET – budeme muset společnost vědou doslova zahltit."

Být ředitelem Princeton Plasma Physics Laboratory je něco! Sir Steven je zahlcen žádostmi o rozhovor. Zaujaly mě Cowleyho odpovědi na dvě otázky v rozhovoru s Larrym Bernardem:

LB: Existují různé typy zařízení s jadernou syntézou po celém světě. Potřebujeme je všechny?

SC: Potřebujemeje určitě všechny. Ve skutečnosti jich potřebujeme více. Existuje mnoho nepopsaných magnetických konfigurací. Například nápady s kompaktními stellarátory, které byly rozvinuty v Princetonu před více než deseti lety, nebyly nikdy prozkoumány - a jsou to krásné nápady! Existují i další typy přístupů k fúzi kromě magnetického udržení. Nejlepší konfigurace fúze není vůbec zřejmá a potřebujeme tak experimentovat s mnoha různými typy zařízení, abychom zjistili tu nejlepší cestu vpřed.

Nu a nyní otázka zlidšťující Stevena Cowleye:

LB: Jaké jsou vaše záliby nebo zájmy kromě fyziky plazmatu?

SC: Kdysi jsem byl velmi průměrný trumpetista. Nicméně zůstávám obrovským jazzovým fanouškem. Golden State Warriors zase hrají nejhezčí košíkovou, jakou jsem kdy viděl. Ale pokud mám volných pár hodin, rád je věnuji algebře. Zkrátka jednou blázen – vždycky blázen.

To je ředitel Princeton Plasma Physics Laboratory – Sir Steven (Cowley).