50 let tokamaku

Deset let po svém zrození se slovo tokamak stalo slovem mezinárodním, stejně jako svého času slovo sputnik. Od průlomového modelu T-3 k největšímu tokamaku na světě – tokamaku JET – bylo tehdy v roce 1968 ještě daleko. Věda a technika tuto vzdálenost zvládla na výbornou a s vervou se pustila do díla, které nemá v historii světové vědy a techniky obdoby. Sedm vyspělých států se dnes zcela rovnoprávným způsobem podílí na realizaci posledního kroku před výrobou elektřiny pomocí termojaderné fúze, na stavbě zařízení ITER.

Rok plný výročí
Rok 2008 byl doslova nabit výročími týkajícími se řízené termojaderné fúze: uplynulo 50 let od nepravdivé zprávy o termojaderných neutronech anglického zařízení ZETA, před 50 lety se uskutečnila II. Mezinárodní konference Atomy pro mír, kdy se 5000 odborníků ze 62 států sešlo v Ženevě, aby rozbili fúzní informační oponu napadrť. Před 40 lety na novosibirské konferenci L. A. Arcimovič oznámil konsternovanému světu úžasnou teplotu 10 miliónů stupňů Celsia (desetkrát větší, než jaké bylo dosaženo na jakémkoli jiném zařízení), změřenou na moskevském tokamaku T-3, před 30 lety na tokamaku PLT otevřeli američtí vědci v Princetonu bránu termojaderných teplot 82 milióny stupňů Celsia, když jim zafungovaly čtyři svazky rychlých neutrálních částic dodatečného ohřevu o výkonu 0,9 MW současně a konečně před 25 roky bylo zapáleno první plazma na největším tokamaku na světě – na evropském tokamaku JET, který si jako první vůbec poradil se směsí tritia a deuteria. 16MW fuzní výkon z roku 1997 je dosud nepřekonaný světový rekord.

Ideální energetický zdroj
Nu a před 50 lety se objevilo slovo TOKAMAK! Toroidalnaja kamera v magnitnych katuškach – toroidální komora v magnetických cívkách. Experimentální zařízení, které po konferenci v Novosibirsku v roce 1968 zaujalo čelné postavení v pelotonu a žlutý trikot lídra od té doby nikomu nepřepustilo. Mezinárodní termojaderné experimentální zařízení, které sedm států staví ve francouzském Cadarache, a které má vyrábět desetkrát více výkonu než spotřebuje – to je tokamak.

Vydejme se proti proudu času a zastavme se krátce u počátků výzkumů, které světu možná poskytnou zdroj energie téměř ideálních vlastností: prakticky nevyčerpatelný zdroj paliva, zdroj jaderně naprosto bezpečný, bezemisní a téměř bez radioaktivního odpadu. Jde bezesporu o lákavý cíl. Jeho dosažení je však vykoupeno dlouhou a trnitou cestou. Ostatně - největší tokamak budovaný v Cadarache se jmenuje ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), což je latinsky také „cesta“…

Státní program podepsal Stalin
Současný úspěch tokamaku skrývá usilovnou a systematickou práci vědců a techniků. Občas si nicméně osud zahrál na strunu náhody. Výzkum v bývalém Sovětském svazu „zapálil“ seržant Rudé armády končící vojenskou službu na poloostrově Sachalin! Jeho návrh elektrostatického termojaderného reaktoru v dopise adresovaném ÚV KSSS inspiroval A. D. Sacharova a jeho učitele I. E. Tamma k výpočtům magnetického termojaderného reaktoru, které po několikeré oponentuře vedené otcem sovětské atomové bomby, I. V. Kurčatovem, ředitelem Laboratoii izmeritělnych priborov AN (dnes Kurčatovovův ústav atomové energie) skončily u šéfa komise pro atomovou energii – u nechvalně známého L. P. Beriji.

Byrokratickou přestávku ukončila až zpráva argentinského prezidenta J. Perona o tom, že na ostrově Huemal „argentinský“ vědec R. Richter otázku řízené fúze vyřešil! Science fiction nebo skutečnost? Princip předběžné opatrnosti („na každém šprochu pravdy trochu“) postrčil L. P. Beriju a 5. května 1951 J. V. Stalin podepsal státní program o výzkumu řízené termojaderné syntézy pomocí magnetického reaktoru. Zhruba o měsíc později dostal od americké vlády na podobný projekt jménem Matterhorn podporu autor zařízení zvaného stelarátor L. Spitzer. Mimochodem L. Spitzer získal o řád či spíše o dva méně prostředků, než J. Peron poskytl svému chráněnci R. Richterovi původem ze západočeského Sokolova, graduovanému na Německé univerzitě v Praze! Není běžné, aby se fúzní fyzik stal hlavním hrdinou uměleckého díla. Nu a zatímco Richter svoji operu již má (hrála se i v Paříži), Lavrentěv na umělecké ztvárnění svého neuvěřitelně dramatického osudu člověka-vědce teprve čeká.

Termojaderný program řídilo kníže
Sověti postavili do čela termojaderného programu brilantního fyzika, potomka litevských knížat, L. A. Arcimoviče. Toho Arcimoviče, který o 17 let později oznámil úspěch tokamaků v Novosibirsku. První nesmělá zařízení postavená už za vedení geniálního konstruktéra i fyzika N. A. Javlinského v oddělení výzkumu plazmatu LIPAN měla nestabilní plazma s nízkými teplotami. V roce 1953 Šafranov (nezávisle na něm v USA M. D. Kruskal) odvodil kritérium stability spojující geometrické a elekromagnetické parametry plazmatického sloupce ve vnějším magnetickém poli. Po krátké odbočce k lineárním pinčům se Rusové vrátili k toroidálním výbojům, tentokrát vyzbrojeni kritériem Šafránova-Kruskala. TMP (Torus v magnetickém poli) s keramickou výbojovou komorou už měl všechny základní parametry tokamaků. Tedy až na jméno. To se zásluhou I. N. Golovina objevilo právě před 50 roky.

„Zásluhou“ vyzařování nečistot v plazmatu a tepelných ztrát způsobených nestabilitami byla teplota plazmatu stále nízká. Tokamak T-1 už měl komoru z nerezové oceli a jeho následník tokamak T-2 mohl svou komoru odplyňovat vypékáním na 450 C. Tak se krůček po krůčku blížili moskevští odborníci průlomovému velkému tokamaku T -3, díky němuž fúzní komunita slaví 40 let impozantního vstupu tokamaku na světovou scénu.

Základní řada tokamaků označovaná jako „T“ měla své mladší sourozence s názvy začínajícími písmeny „TM“ – tokamak malyj. TM-2 kupříkladu zjistil, že nestabilní plazma na T-2 vyžaduje splnění kritéria Šafranova-Kruskala nejen na okraji plazmatu, ale po celém jeho průřezu. Poznatek uplatnili v Moskvě na tokamaku-legendě T-3. TM-1 zprvu studoval adiabatický ohřev plazmatu stlačením plazmatu pomocí magnetického pole, a pak už pod názvem TM-1 VČ jiný způsob dodatečného ohřevu, a to pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetického pole.

Pražský tokamak CASTOR byl pokřtěn na Golema
Někdejší Československo mělo ve studiu interakce vysokofrekvenčního pole a plazmatu dlouhou tradici. Díky této skutečnosti a v důsledku intenzivních kontaktů s ruskou fúzní komunitou se tokamak TM-1 VČ objevil v roce 1977 i v Praze. Od roku 1985 sloužil zcela přestavěný TM-1 VČ Akademii věd až do Silvestra 2007 pod názvem CASTOR (Czech Academy Science Torus), aby se poté přestěhoval na Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou a přijal jméno Golem. Studenti na něm budou získávat praktické zkušenosti s vysokoteplotním plazmatem. První z nich, kteří se zaměřili na obor Fyzika a technika termojaderné fúze, se pustili do svých diplomek již ve školním roce 2008/2009. Tokamak CASTOR uvolnil své místo modernějšímu tokamaku COMPASS.

O. A. Lavrentěv
inicioval výzkum řízené fúze v bývalém Sovětském svazu.

A. D. Sacharov
navrhl magnetické plochy jako superpozici vnějšího (podélného – toroidálního) a vnitřního (příčného – poloidálního) magnetického pole. Vnější pole generovaly cívky a vnitřní pole vytvářel elektrický proud procházející plazmatem. Sacharov je „otcem“ sovětské vodíkové bomby.

I. J. Tamm
je autorem výpočtu Magnetického termojaderného reaktoru (spolupracovník a učitel A. D. Sacharova).

A. D. Šafranov
odvodil (nezávisle Američan M. D. Kruskal) kritérium magnetohydrodynamické stability – koeficient q.

N. S. Javlinskij
navrhl a postavil tokamaky T-1 až T-3. Tragicky zemřel v roce 1962.

I. N. Golovin
je autorem názvu tokamak, blízký spolupracovník Javlinského. Postavil gigantické magnetické zrcadlo Ogra.

L. A. Arcimovič
byl vedoucí programu a oddělení, v roce 1962 převzal štafetu po Javlinském. Vedl projekt tokamaku T-10.

I. V. Kurčatov
byl ředitelem Laboratoriji izmeritělnych priborov AN (dnes Kurčatovův ústav atomové energie); je „otcem“ sovětské štěpné atomové bomby.