Inerciální elektrostatické udržení

O jaderné fúzi jsme psali již několikrát, např. v březnu 2009 (50 let tokamaku), v říjnu 2005 (ITER), v prosinci 2004 (Termojaderná fúze pro každého), nebo v nezařazeném článku Compass D. Nyní chceme přidat informaci o méně obvyklé metodě udržení plazmatu, než je známý tokamak.

Fission není fusion
V anglicky mluvících zemích si lidé často a rádi pletou „fission“ a „fusion“. Štěpení a slučování atomových jader. V Česku mají podobný problém a novináři jsou posíláni do Řeže, i když správná adresa pro fúzi jsou pražské Ďáblice. Fúzi studuje v Ďáblicích Ústav fyziky plazmatu a v Řeži působí Ústav jaderné fyziky. Zatímco energie štěpných elektráren se již mezi spotřebiteli zabydlela, energie uvolněná fúzí na svou příležitost čeká.

ITER – NIF
Ve Francii se staví třetím rokem mezinárodní experimentální zařízení ITER, které bude poprvé fúzně energeticky ziskové. V kalifornském Livermore spustili 10. března 192 svazků největšího laserového systému zvaného Národní zařízení pro zapálení (NIF) a s napětím se čeká kolik fúzních neutronů se příští rok vyřine po ozáření terčíku.

ITER reprezentuje magnetické udržení, NIF reprezentuje inerciální udržení. Existují ještě jiné způsoby jak uvolnit jadernou energii slučováním lehkých jader atomů? Existují, některé z nich se studují dokonce déle než zavedená dvojice a mají docela zajímavé vlastnosti. Pomineme-li několik pokusů zapálit fúzi na stole, kterým se dnes souhrnně říká LENR (Low Energy Nuclear Reaction): studená fúze, nanofúze, pyrofůze, piezofúze či bublinková fúze, pak stojí za to zmínit se o inerciálním elektrostatickém udržení (IEC – Inertial Electrostatical Confinement). Pozor, nezaměňovat za laserové inerciální udržení!

Lavrentěvův příběh
IEC začali nezávisle na sobě a téměř současně rozvíjet v bývalém Sovětském svazu a ve Spojených státech. Do roku 1958 byl výzkum řízené fúze zuřivě utajován a tak není divu, že k prvnímu setkání protagonistů východu a západu došlo až v roce 1968 v Novosibirsku. Pánové O. A. Lavrentěv a R. Hirsch se setkali až na legendární 3. konferenci o řízené termojaderné syntéze. Nezdá se však, že by toto setkání jednoho nebo druhého ovlivnilo.

Příběh O. A. Lavrentěva aspiruje na filmového Oskara. Seržant Rudé armády bez maturity, končící válku kdesi na Sachalinu, navrhl Moskvě jak neřízené tak řízené využití fúzní energie. Na rozdíl od jiných blouznivců se dočkal – sice po neuvěřitelných peripetiích, ale už jako majitel červeného diplomu z MGU (Moskevská státní universita) – experimentálního ověření svých myšlenek na půdě Fyzikálně technického ústavu v Charkově. Původní návrh sférické geometrie koncentrických mřížek při vhodném rozložení elektrických napětí měl v centru koule donutit ionty ke srážkám tak častým a tak intenzivním, že zařízení mělo být zdrojem fúzní energie.

Elektromagnetická past
Zatímco recenzent Lavrentěvova dopisu, kterým nebyl nikdo jiný než otec sovětské vodíkové bomby A. D. Sacharov, zaměnil elektrostatické pole za pole magnetické a spolu se svým učitelem I. E. Tammem položili základy dnes nejúspěšnějšímu fúznímu zařízení – tokamaku, Lavrentěv urputně rozvíjel svoji ideu dále. Brzy poznal to, co odhadl Sacharov na první pohled – tepelná zátěž mřížek, které kulovému prostoru vnucovaly rozložení potenciálu, je nad jejich možnosti. Pokusil se jednu mřížku nahradit virtuální katodou. Ionty měla v centru sférické diody (v interakčním prostoru) udržet potenciální jáma prostorového náboje elektronů. Dalším vylepšením bylo snížení ztrát elektronů na zbývající mřížce a ochrana mřížky před tepelnou destrukcí. Mřížku „obalil“ magnetickým polem elektrického proudu, který nechal protékat mřížkou.

Zjednodušením systému pak dospěl Lavrentěv ke dvojici magnetických cívek protékaných elektrickým proudem ve stejném směru – zrcadlu, nebo v opačném směru – vstřícnému poli. Zvolil variantu vstřícných magnetických polí vytvářených sousedními cívkami protékanými elektrickým proudem v opačném směru, neboť tato konfigurace má oproti zrcadlu některé výhody. Elektrostatické pole pak použil k ucpání osových a prstencových štěrbin, anglicky „cusps“, které jsou neoddělitelnou součástí vstřícné konfigurace. Tak vznikla Lavrentěvova elektromagnetická past. Poslechněte si, jak její princip popsal sám autor: „V elektromagnetické pasti je iontová komponenta držena polem prostorového náboje elektronů; elektronovou komponentu drží systém vnějších elektrických a magnetických polí.“

Konec pasti Jupiter
Série jednoduchých pastí označovaná jako „C“ byla rychle překonána řadou mnohaštěrbinových elektromagnetických pastí Jupiter. Byla připravena stavba rozměrného Jupitera 2T za 300 000 rublů, ale tragická událost, na které je Lavrentěvův života tak bohatý, ambiciozní plán zhatila a pak rozpad Sovětského svazu učinil definitivní konec Lavrentěvovým pokusům. Nicméně ještě vloni vystoupil dvaaosmdesátiletý Lavrentěv na mezinárodní konferenci o fyzice plazmatu a řízené termojaderné syntéze v Aluše s příspěvkem: „Mnohoštěrbinová elektromagnetická past Jupiter F“.

Boj o princip „tokamak“
Je dobře známo, že jedničkou termojaderných zařízení se stal tokamak až po roce 1968, kdy byly anglickými fyziky potvrzeny neuvěřitelné výsledky prezentované L. A. Arcimovičem na novosibirské konferenci. Méně je již známo, že před rokem 1968 o tokamaku vědělo jen několik zasvěcených a většina mezinárodní komunity považovala zprávy z tokamakové Moskvy přinejmenším za přehnané. Známo už není vůbec, že zprvu tokamaku nedůvěřoval ani sám velký Arcimovič, který tokamakový program v roce 1953 dokonce na úkor pinčů zastavil. Faktem je, že tehdy se v LIPAN (Laboratorija izmeritělnych priborov Akaděmiji nauk) pohyboval právě Lavrentěv, který usilovně bojoval o místo na experimentálním slunci pro svou elektromagnetickou past. Po smrti svého problematického patrona – L. P. Beriji – se před ním prakticky všechny dosud dokořán otevřené dveře v Moskvě zavřely a Lavrentěv musel začít prakticky od nuly v Charkově. Navíc s nálepkou „potížisty“ a muže podivných nápadů!

Fúze na křižovatce dějin
Ovšem, co kdyby se Lavrentěv prosadil už v Moskvě? Z nedostatku talentu nebo erudice ho nemohl nikdo podezřívat: MGU absolvoval za čtyři roky místo za pět s paralelní docházkou do laboratoře LIPAN a navíc coby iniciátor státního plánu výzkumu řízené fúze v Sovětském svazu! Sám Sacharov o něm prohlásil: „Myšlenka řízené jaderné fúze, nastíněná O. A. Lavrentěvem je mimořádně důležitá. O. A. Lavrentěv se dotkl problému gigantických možností, což znamená, že se jedná o iniciativního člověka s nevšedním tvůrčím potenciálem, kterému je třeba věnovat všechnu možnou podporu a pomoc.“

Na druhé straně více sociálně vykořeněného člověka jste stěží nalezli: neznámý mladíček ze Sachalinu, naivní Berijův chráněnec, častý návštěvník První hlavní správy příliš sympatií ve svém nejbližším okolí nevzbuzoval. Mohl snad jeho nápad elektrostatického a později elektromagnetického udržení konkurovat tokamaku? Možná, že stačilo, aby byl Lavrentěv v rozhodujícím okamžiku poblíž Arcimoviče – v okamžiku kdy se lámal chléb a rozhodovalo se, kterým směrem se LIPAN vydá. Kdyby za sebou měl Lavrentěv podporu alespoň části vědecké komunity, možná, že bychom místo tokamaku stavěli v Cadarache elektromagnetickou lovušku . Komu se slova zdají příliš silná – v historii výzkumu fúze najdete řadu křižovatek, kdy zelenou rozsvítila náhoda. Pro příklad nemusíme daleko – dopisy naprosto neznámého seržanta ze Sachalinu Lavrentěva byly právě onou jiskrou, která zapálila v Sovětském svazu fúzní oheň.

Fúsor
Vraťme se na pevnou zemi, konkrétně do Spojených států amerických. Tam už v roce 1928 experimentoval se sférickou diodou I. Langmuir s K. Blodgetovou. Kouli příliš pozornosti nevěnovali – její konstrukce byla oproti válcové konfiguraci „zbytečně“ složitá. V třicátých letech objevil ale P. Farnsworth tzv. multipactor effect – jeden z otců televize zjistil, že při určité frekvenci se mu ve válcové diodě hromadí elektrony, což bylo občas příčinou destrukce výbojové trubice. V padesátých letech již jako majitel Farnsworth TV Laboratory si na multipactor vzpomněl a svěřil se kolegovi R. Hirschovi s tím, že by vhodné ionty místo elektronů mohly v mulipactoru fúzovat. Svůj nápad nazval fusor – fúzor, a nechal si ho patentovat. To už nahradil časovou dimenzi třetí prostorovou a místo válcové konfigurace zkoumali s Hirschem kouli. V podstatě „okopírovali“ Lavrentěvovo elektrostatické udržení. Tehdy Farnsworth zavedl pojem inerciální elektrostatické udržení. Slůvko inerciální vyjadřovalo skutečnost, že se počet iontů zachycených v potenciální jámě prostorového náboje elektronů neměnil. A pochopitelně ani jejich energie. Pokud se totiž iont při své pouti od zdroje (trysky nebo korony) do centra sféry s něčím nesrazil, tak proletěl vnitřkem koule, zpomalil se (původně urychlovacím napětím), odrazil se, urychlil a vrátil do interakčního prostoru s původní energií. Hirsch se později stal šéfem Atomic Energy Comittee – nástupce projektu Manhattan a zájem o IEC oživil až R. Bussard, který se dosud vehementně zajímal o pohon raket, ale ne chemickou, nýbrž jadernou energií.

Polywell – „inspirace“ z dětské hry
Se jménem R. Bussarda je spojen pojem polywell – polyhedron (mnohostěn) a well (jáma). Na základě podobnosti s míčkem pro dětskou hru wiffle ball, nazýval Bussard svá experimentální zařízení postupně WB-1 a skončil předčasným odchodem v roce 2007 u WB-6. Pokračovatele našel v R. Nebelovi, který experimentuje s WB-7.

Polywel je obdobou Lavrentěvových mnohaštěrbinových elektromagnetických pastí. Zatímco Lavrentěv řadil své vstřícně zapojené elektromagnety vedle sebe, takže formálně připomínaly solenoid, Bussard se snažil z cívek vytvořit prostorový útvar – zprvu krychli a později šestistěn. Magnetické štěrbiny neucpával jako Lavrentěv elektrostatickým polem, nýbrž se spolehl na rekuperaci. Mnohostěn elektromagnetů umístil do vakuové nádoby, v níž se magnetické siločáry uzavíraly, takže elektrony prchající podél magnetické siločáry jednou štěrbinou se vracely podél stejné siločáry sousední štěrbinou zpět do interakčního prostoru.

---

Výhody inerciálního elektrostatického udržení

Co se změřilo:

• Interakční prostor bez magnetického pole znamená nulové ztráty cyklotronovým zářením.
  
• Správný tvar křivosti izolujícího magnetického pole zabraňuje rozvoji magnetohydrodynamických, tedy těch nejnebezpečnějších nestabilit.
  
• Experimenty neprokázaly přítomnost Bohmovy difůze podílející se velkou měrou na ztrátách v tokamacích a stelarátorech – alespoň v jejich dětském věku.
  
• Byla prokázána tisíckrát delší doba života elektronů v elektromagnetické pasti ve srovnání s dobou života elektronů čistě magnetickou pastí.
  
• Během vstřiku elektronů do elektromagnetické pasti byla prokázána přítomnost potenciální jámy prostorového náboje elektronů, a tím i platnost jednoho ze základních předpokladů činnosti IEC.

Co může platit:

• K překonání potenciální bariéry, která odděluje slučující se jádra, se plazma neohřívá, nýbrž se urychlují jádra ve sférickém urychlovači. Principiálně je možné použít fúzi s termojaderně nedosažitelnou vysokou zápalnou teplotou, která ale nevyrábí neutrony. Většina stoupenců bezneutronové fúze fandí reakci p-11B. Nicméně existuje celá řada slučovacích reakcí – kandidátů na bezneutronovou reakci – kupříkladu několik reakcí využívající „měsíčního“ izotopu 3He, ale všechny mají na konci reakčního řetězce větší či menší počet neutronů. Nejméně jich má právě reakce, kterou upřednostňoval R. Bussard, je to reakce protonu a boru 11. Bussard vycházel kromě jiného z toho, že polywell je spíše urychlovač, než kotel, protože ionty v polywell jsou spíše monoenergetické, než tepelně rozmazané. Protože pravděpodobnost slučovací reakce je funkcí energie, je do jisté míry volbou urychlovacího napětí možná selekce reakcí bezneutronových oproti slučovacím reakcím s neutrony.
  
• Diodový sytém by bylo možné využít k přímé přeměně fúzní energie na energii elektrickou. Z původních 30% až 40 % předpokládaných u budoucí fúzní elektrárny skočit na neuvěřitelných 95 % – to už je něco!
  Čerstvá zpráva nakonec: Ministerstvo obrany US pro NAVY v rámci rozpočtu Marine Corps Project vyčlenilo letos na studium Polywel dva miliony dolarů.

---

* Pinč – vlastní magnetické pole elektrického proudu v plazmatu plazma stlačuje (pinčuje) a tím i ohřívá. Jedna z metod řešení řízené fúze – do jisté míry spojnice mezi magnetickým a inerciálním udržením.

lovuška – rusky „past“, vhodná konfigurace magnetického pole, zde, spolu s elektrickým polem, dokáže více či méně dobře udržet plazma v určeném prostoru.