Vincente Queral a jeho ultra malý stelarátor UST-1

Tvořivost a nápaditost některých nadšenců je bezbřehá. Přečtěte si příběh, jak technik a konstruktér sestrojil ve Španělsku doma v garáži jednoduchý stelarátor (ve skutečnosti velmi složité zařízení, jehož velkých experimentálních verzí je na světě jen pár).

Který startup se jako první zabýval fúzí? Podle mých údajů KMS (Keeve Milton Sigel). S profesorem Keit Allem Brusnerem pro národního giganta Lawrence Livermore National Laboratory (dnes laser National Ignition Facility – první fúzně ziskové zařízení) úspěšně navrhli a vyrobili skleněné kuličky naplněné směsí deuterium + tritium jako laserové terčíky. LLNL jim pak za odměnu muselo na příkaz vlády plnit jejich přání.

Kdo byl druhý? Vincente Queral se svým Ultra malým stelarátorem? Faktem je, že Vincente si vše platil sám, ale jeho UST (Ultra Small Torus) není startupem v pravém slova smyslu. Vincente nechtěl konkurovat zařízením pro přeměnu fúzní energie na elektrickou, chtěl vyzkoušet svoji šikovnost a znalosti, a být úspěšný ve stavbě něčeho tak složitého, jako je stelarátor. A tak v garáži postavil více méně fungující zařízení, které ve své době ani zdaleka nebylo konkurencí nejjednodušším tokamakům. Stav, který trvá dodnes i po zapálení supravodivého Wendelstein W7-X.

Popisky k obrázku UST-1

bílá penumatika - toroidalní komora stelaratoru UST-1 

vinutí na bíle pneumatice - modulární cívky toroidálního magnetického pole

1.Firewire camera                  kamera připojená k počítači [sběrnicí „firewire“]

2.e-gun port                         vstup pro elektronovou trysku

3.e-gun p. supplies (not vis.) zdroj pro elektronovou trysku 

4.Inverted magnetron gauge  inverzní magnetronová měrka vakua

5.TC gauges                         TC měrky

6.Power supplies                   zdroje napětí

7.Pfeiffer mech.pump             vakuová mechanická pumpa Pfeiffer

8.Leybold diffusion pump       vakuová difúzní pumpa Leybold

9.Vacuum controls                ovládání vakua

10.PC data acqusition            počítačový sběr naměřených dat

11. Leads TF coils                 vodiče cívek toroidálního pole

12.Power contactor               napěťový stykač

13.Fuse                               spojka

Vincente Queral

Má titul MSc. ve strojírenství (UPV Valencia) a PhD v oboru plazmové a jaderné fúze (UC3 Madrid). Svou kariéru zahájil jako konstruktér inovativních automatických strojů pro průmysl s velkým komerčním úspěchem (včetně patentování) v letech 1994-2002. Později v letech 2005-07 se začal zajímat o fúzní energii a začal vývojem, stavbou a provozem malého fúzního zařízení ve své garáži (UST-1), které bylo replikováno v Kostarice ve dvojnásobné velikosti (SCR-1).

Od roku 2007 se jako vládní vědecký výzkumník v oblasti fúze specializuje na oblast stelarátorů, zejména na aditivní a inovativní výrobu komponentů a na vzdálenou údržbu a spolehlivost (pro ITER, DEMO-EU a IFMIF), a v poslední době v koncepčním návrhu fúzních stelarátorových reaktorů. Byl průkopníkem (2012-) ve výzkumu a aplikaci aditivní výroby (kompozity, kovy, kombinace, inovace) pro stelarátory a další aplikace, které jsou nyní studovány ve společnostech a výzkumných a vývojových centrech. Vytvořil koncept stelarátorů se silným magnetickým polem (2018), na který nyní navazují další výzkumníci stelarátorů; a navrhl inovativní patentovaný (2022) koncept nekomplikovaného stelarátorového reaktoru se silným polem a vysokou hustotou výkonu pro elektrárny, který se v současné době vyvíjí a částečně testuje v malém měřítku v CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Středisko pro energetický, environmentální a technologický výzkum).

Tokamak a stelarátor     

Zkroucením cívky do kruhu získáme útvar zvaný toroid - prstenec. Světáci používají název „donut“ - kobliha. Prstenec má mezery mezi závity blíže středu menší než dále od středu, což vede k nehomogennímu magnetickému poli po průřezu malého plného kruhu. Chcete-li v uzavřeném prstencovitém objemu uchovat vysokoteplotní plazma, nasměruje zmíněná nehomogenita plazma na stěnu nádoby. Tak zvaná toroidální nestabilita vyžaduje pro udržení plazmatu další opatření – spirálovité magnetické pole. Dva geniové navrhli dva způsoby jak spirálovité pole vytvořit. D. Sacharov indukoval v uzavřeném objemu elektrický proud, jehož vlastní magnetické pole v kombinaci s polem toroidální cívky požadovanou spirálu vytvořilo. Zařízení je dnes dobře známý tokamak. L. Spitzer zakroutil celou vakuovou komoru do osmičky a dosáhl téhož. Poněkud neohrabaný přístroj se dočkal brzy vylepšení. Osmičku nahradil race track – běžecká dráha a vakuová komora měla dvě zatáčky a dvě rovinky. Spirálu vytvořily cívky helikálně navinuté na vakuové komoře. Astrofyzik Spitzer svůj nápad pojmenoval stelarátor – generátor hvězd. Tokamak díky mnohem lepšímu udržení plazmatu získal brzy značný experimentální náskok před stelarátorem a udržel si ho dodnes. I když výkonná výpočetní technika navrhla pro stelarátor modulární cívky jak planární tak prostorově tvarované, přesto si tokamak své postavení udržuje a jediný supravodivý stelarátor Wendelstein W7-X musí ještě hodně pracovat, aby se ze stínu tokamaků vynořil.

Kutil vyrobil termojaderný reaktor

To je můj článek, který vyšel 17. března 2007 v Lidových novinách. Tady je úryvek a zároveň popis Vincentovy práce:

„Pro odborníky může být volba Vincenta Querala překvapením, neboť standardně se považuje tokamak za jednodušší zařízení než stelarátor. Tokamaků se po světě potuluje spousta a spousta lidí se je snaží dovést k dokonalosti. Zkrátka u stelarátorů je menší konkurence. Queral zvolil variantu stelarátoru s moderními modulárními cívkami. Musel naplno rozehrát škálu svých dovedností a zvládnou několik nových. Modulární cívky jsou dítětem výkonných počítačů, ať jde o velký nebo malý stelarátor. Nebo dokonce o ultra malý.

Takže Vincent nejprve napsal program pro simulaci magnetického pole v závislosti na tvaru cívek, program, který nazval SimPIMF. Podle kvality udržení posléze vybral z mnoha variant. Výsledek simulace byl pak návrhem, podle kterého vyrobil a naprogramoval frézu, a ta na povrchu prstence vyřezala do speciální sádry drážky pro dvanáct budoucích cívek. Wendelstein jich nemá o mnoho více – 50, ale pozor, jen prostorových! Zatímco běžné frézy se pohybují v pravoúhlých souřadnicích v rovině, tato fréza respektovala souřadnice jednoduše opisující prstencovitý povrch nádoby prstence, a navíc prostorový tvar cívky. Postup je již patentován. Do drážek kutil vložil měděný vodič (ale v další verzi svého UST počítá se supravodičem). Poté musel Vicente Queral zkontrolovat magnetické pole vytvořené jeho modulárními cívkami. I zde si Queral poradil. Z halogenové lampy vyrobil elektronovou trysku, kterou vysílal svazek nabitých částic na cestu prstencovitou nádobou. Elektrony sledovaly siločáry magnetického pole. Queral postavil do cesty svazku průhledné stínítko – obraz na něm ho přesvědčil, že má uzavřené spirálovité magnetické plochy, které si přál. 

Stelarátor byl hotov. Jako zdroj plazmatu a jeho ohřevu posloužil magnetron z mikrovlnné trouby. Zařízení už funguje a poprvé vytvořilo plazma. Ale Queral zatím není zcela spokojen, což při jeho píli znamená, že výsledek jistě zlepší. 

Fúzní zařízení je relativně dostupné 

Koncem roku 2006 přednášel Queral vědcům ze španělské fúzní laboratoře CIEMAT. Nabídl své zařízení pro univerzitní výuku s tím, že bude svůj stelarátor dále vylepšovat.

Queral prokázal nesmírnou programátorskou a inženýrskou zručnost a v neposlední řadě i manuální šikovnost. Jeho UST toho pořadí první je důkazem relativní „dostupnosti“ termojaderného zařízení. Queral má webové stránky, kde velmi podrobně popisuje postup prací spolu s detailním přehledem cen zakoupených materiálů a přístrojů. 

Stačily necelé čtyři tisíce eur 

Celková cena zařízení byla 3700 eur, počítáno od vakuového systému za 1 600 eur až po lepidlo na dřevěnou formu za jedno euro. K tomu ještě 2 000 hodin práce. Výkon Vicenta Querala vypovídá nejen o jeho invenci, ale i o stavu fyziky a technologie termojaderných zařízení. Ta je už tak dokonalá, že se do stavby malého zařízení může pustit jednotlivec. V každém případě je Ultra Small Torus 1 teprve třetím modulárním stelarátorem na světě a prvním stelarátorem postaveným jednotlivcem. Pochopitelně UST-1 nevyrobí ani mikrowatt elektrického výkonu. Na to je opravdu ultra malý. Nicméně, jak uvedl koncem roku 2006 Detroit Free Press: „Ve městě Rochester Hill postavil sedmnáctiletý Thiago Olson rodičům ve sklepě termojaderné zařízení – Fusor. Mladík nepoužil k udržení plazmatu magnetické pole, ale elektrostatické, a zařízení je tedy konstrukčně jednodušší. Jako zdroj vysokého napětí použil vyřazený rentgenový přístroj. Jeho matka projevila obavy, aby mu neublížily fúzní neutrony, které doprovázejí každou pořádnou termojadernou fúzi.….“

S Vincentem si píšeme

Vincente v National Fusion Laboratory centra CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Středisko pro energetický, environmentální a technologický výzkum) v Madridu, nezahálel a letos mi poslal patent návrhu svého většího stelarátoru. Opravdu bych si hodně fandil, kdybych tvrdil, že vím, co přesně Vincente Queral patentoval: inovativní koncept stelarátorového reaktoru, založeného na roztavených solích (a tenké vrstvě plovoucího lithia), které jsou odstředivou silou přitisknuté na stěny rotující vakuové komory, v kombinaci se speciální magnetickou konfigurací pro zvýšení hustoty neutronů v určitých sektorech. Možno prý použít i u tokamaku.

• Patent Magnetického jaderného reaktoru s koncentrovaným výkonem, který mi Vincent poslal v roce 2024 (archiv autora)

Faktem je, že ani obrázek na patentové přihlášce se nepodobá žádnému známému stelarátoru. Novinkou je stěna z tekutého kovu, kterou hodlá Praha použít i u tokamaku COMPASS D. 

Názory jiných 

Thomas Klinger, vědecký ředitel projektu Wendelstein 7-X, na otázku, proč se mezi startupy, snad kromě Renaissance Fusion se sídlem v Grenoblu ve Francii, neobjevuje žádný stelarátor, řekl: „...svět ovládají fúzní tokamaky. Stelarátory jsou ve svém vývoji trochu pozadu. Může za to složitější struktura magnetického pole stelarátoru, která počítačové simulace výrazně prodražuje a zdržuje postup vpřed. Vzhledem k tomu, že vývoj fúzního zařízení je řízen z velké části počítačovými simulacemi, jak ve fyzice, tak ve strojírenství, má tato skutečnost velký vliv na pokrok. V neposlední řadě vyžaduje konstrukce stelarátoru různé nástroje, které si musejí poradit s konkrétní geometrií. Tyto nástroje jsou k dispozici teprve nedávno. Je tudíž možné, že přímočařejší konstrukce tokamaku je na první pohled přitažlivější, zejména pro startupy.“

Pan Klinger zřejmě o Vincentu Queralovi neslyšel. Věřím, že budoucnost vše změní. Nejen prof. Klinger, ale celý fúzní svět geniálního Španěla pozná! A my v Třípólu se o to budeme snažit.

Když vyšel můj článek v roce 2007 o Vincentu Queralovi, čekali jsme právě v Ruzyni na letišti na letadlo do Nairobi. Koupil jsem Lidové noviny a po přečtení článku je strčil do brašny. S brašnou a novinami jsem objel s přáteli na kole Kilimandžáro. Svědectví o Vincentově Ultramalém stelarátoru objelo nejvyšší  horu v Africe s námi… Afrika je země budoucnosti. Stejně tak UST – 1 může být zárodkem termojaderného reaktoru budoucnosti.

• Část vakuové komory supravodivého stelarátoru Wendelstein 7-X (zdroj Výzkumné středisko Garching)