WHAM, magnetická zrcadla

Lawsonovo kritérium je Ohmův zákon pro termojadernou fúzi. Aby uvolněné energie bylo více než vstupní, musí být součin hustoty plazmatu a doby udržení jeho energie větší než konstanta závisející na typu reakce krát teplota plazmatu. Parametry na levé straně nerovnosti mohou tedy nabývat nejrůznějších hodnot, ale důležitý je jejich součin. Při velké hustotě a malé době udržení se uplatní inerciální udržení, při malé hustotě a velké době udržení je nutné udržení magnetické. V současné době preferujeme druhý typ - magnetické pasti.

Co bylo první? Toroidální nebo lineární?

Ač se to zdá na první pohled nelogické, a mnozí tomu nevěřili, dříve než „jednoduché“ lineární magnetické pasti spatřily svět uzavřené nádoby (toroidy). Není tudíž pravda, že toroidální pasti vznikly z potřeby eliminovat otevřené konce lineární pasti spojením do uzavřené křivky, ale naopak narovnal se toroid, neboť se přímka, resp. úsečka zdála jednodušší. V Langley Field (kromě jiného je zde sídlo CIA) sestrojili Jacobson a Kantrowitz předchůdce tokamaku a už v roce 1938 experimentovali s toroidem.

Zkusíme vyrobit Slunce!

V roce 1936 se Arthur Kantrowitz, mladý zaměstnanec National Advisory Committee for Aeronautics ve vojenské letecké základně Langley Field ve Virginii, a jeho šéf Eastman Jacobs, divili, k čemu potřebuje Westinghouse Van de Graaffův generátor vysokého napěti. „Snad ne k uvolňování energie jádra?“ Hans Bethe v Reviews of Modern Physics publikoval seznam známých slučovacích jaderných reakcí. Kantrowitz se okamžitě rozhodl: „Zkusím vyrobit plazma o teplotě středu Slunce a uvidím, zda se jádra, stejně jako na Slunci, budou slučovat! “ Zvolil fúzi deuteria s deuteriem. Tu se stalo z dnešního pohledu něco zcela neuvěřitelného. Kantrowitz navrhl plazma zahřát mikrovlnami, od stěn vakuové nádoby oddělit magnetickým polem a nádobu zvolil ve tvaru toroidu! To dobře známe z dnešních tokamaků!

Dobrý odhad

Kantrowitz odhadl rozměry toroidu a vyšla mu vakuová nádoba o velikosti (mnohem pozdějšího) amerického tokamaku TFTR – Tokamak Fusion Test Reactor! Vycházel z energie uvolněné při D–D reakci, vnějšího ohřevu mikrovlnami a ztrát energie způsobených klasickou difuzí, jinými slovy spočítal si breakeven. A to vše v roce 1938!

Reakci deuterium–tritium Betheho článek neobsahoval, dokonce ani samotné deuterium nebylo na trhu, a Kantrowitz se rozhodl nahradit deuterium vodíkem. Jacobs při návštěvě vedení společnosti NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, předchůdce NASA) ve Washingtonu využil své autority objevitele a získal pro Kantrowitze 5 000 amerických dolarů. Neuvěřitelné, že?

Patent udělen nebyl

Později byl Kantrowitz několikrát pozván k účasti na projektu Manhattan, ale vždy odmítl. Nicméně v březnu 1939 přihlásili Kantrowitz a Jacobs patent „Diffusion Inhibitor“, tedy omezovač difuze; Objev se týká metody a prostředků, jak zabránit úniku tepla... „Zjistili jsme, že použití magnetického pole zmenšuje difuzi nabitých částic“. Na obrázku patentové přihlášky je torus vakuové komory omotaný magnetickou cívkou takovým způsobem, že ohřívané plazma by mohlo být zachyceno a udržováno uvnitř vakuové komory, aniž by se dotýkalo stěn této komory. Patent jim ale nebyl udělen.

Kantrowitz později navrhoval řízené střely, Jacobs křídla o nízkém odporu pro letadla P-51 a B-29. Ani jeden se k fúzi už nevrátil.[1]

Magnetické zrcadlo

Pohyb nabité částice v magnetickém poli se, kromě jiného, popisuje magnetickým momentem μ. A na invariantnosti magnetického momentu μ je založen princip jednoho ze základních projektů na udržení plazmatu, tzv. magnetického zrcadla. Nejjednodušší magnetické zrcadlo jsou dvě cívky v jisté vzdálenosti, čili dvě oblasti relativně silných magnetických polí prostřídané oblastí pole slabšího. Magnetické zrcadlo však neodráží zpět do interakčního prostoru všechny nabité částice. Částice v tzv. únikovém úhlu (malá příčná rychlost resp. malá indukce v zrcadle) se neodrazí a uniknou. Jinými slovy: magnetická past je v principu více či méně děravá. [3]. 

Příběh vývoje zrcadlové pasti pro fúzi je dramatický: existovala období velkých nadějí a prudkého růstu, období inovací a náhlých zvratů v konstrukci, ale i temná období zklamání a zanedbávání. V roce 1957 Rosenbluth předpověděl, že zrcadla budou v určitých módech nestabilní. 

V roce 1958, kdy byla uvedena do provozu první velká zrcadlová zařízení OGRA (v SSSR) a DCX (v USA), nebyla identifikována žádná taková nestabilita. Byla pozorována až v roce 1961, kdy sovětský vědec Abram Ioffe potvrdil její existenci na přístroji PR-2. Objev způsobil značné zklamání, ale Ioffe ho rychle vyvrátil, když navrhl použít kvadrupólové korekce pole ke stabilizaci módů. Od té doby se cívky sloužící tomuto účelu nazývají Ioffeho tyče. 

Ioffe za svou průkopnickou práci dostal zlatou medaili, ale politika mu nedovolila ji v USA převzít. Hodně si své neznalé americké kolegy rozzlobil. [2] 

Tandemová zrcadla 

Vývoj otevřených pastí vedl od jednoduchých solenoidů k vysoce sofistikovaným a obrovským tandemovým zrcadlům s kvadrupólovými magnetickými stabilizátory. Snažily se konkurovat toroidálním zařízením s využitím ambipolárního udržení a tepelných bariér, ale bylo příliš pozdě, selhaly a téměř zanikly.

Jak vzpomínal docent Šunka, jeden den byl 20 metrů dlouhý MFTF-B dopoledne s velkou slávou spuštěn a „odpoledne“ potichu navždy ukončen.

Vedlejší větev otevřených pastí se ubírala jiným směrem: jednoduchostí a dobrým udržením rychlých iontů, které je vlastní axiálně symetrickým zrcadlům. Vzhledem k tomu, že jednoduchost znamená nižší náklady na konstrukci a servis a nižší technické a materiálové nároky, mohl by být tento typ pastí výhodnější. Axiálně symetrická zrcadla v Budkerově Ústavu jaderné fyziky v Novosibirsku později představovala přední linii výzkumu zrcadel. [2]

Příspěvek Ústavu fyziky plazmatu 1985 - 1989

Rtg analyzátor vyvinutý a vyrobený v ÚFP prokázal na zařízení GOL ohřev hustého plazmatu na teploty řádu keV (Jaroslav Rauš, Vojtěch Piffl, Ústav jaderné fyziky, Novosibirsk).[4]

Výzkum udržení v magnetických zrcadlech se více méně zúžil na snahy potlačit ztráty částic otevřeným koncem zařízení, což se ve srovnání s úspěchy tokamaků jevilo jako téměř zbytečná práce. Jiskřička naděje nedávno zadoutnala s rozvojem vysokoteplotních supravodičů a soukromých iniciativ.

WHAM – Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror

WHAM poprvé používá supravodivé magnety s tak silným polem, že magnetické zrcadlo vstupuje do zcela jiného fyzikálního režimu než dříve.

Vzpomeňme na přání zesílit magnetické pole v době, kdy nebyly k dispozici HTS – vysokoteplotní supravodiče. Nyní REBCO údajně dokáže pracovat s polem 17 T a udržení hodlá několikrát zvětšit. Magnetická zrcadla 80. let, dokonce i supravodivá (Helium 4 C), pracovala s magnetickým polem od 5 T do 8 T (výjimečně 10 T v laboratorních cívkách). Heliové chlazení bylo drahé, složité a poruchové. I občasný quench (náhlá ztráta supravodivosti) byl velkým problémem.

Malé pole znamená malou stabilitu, a naopak velké úniky iontů a elektronů otevřenými konci magnetických zrcadel. Zkrátka a dobře, starší zrcadla nedosáhla fyzikálních prahů, kde by se výhody zrcadla skutečně projevily.

Výsledek: i když magnety fungovaly, fyzika plazmatu nebyla „v režimu“, který by sliboval energetickou návratnost. Nebyla to slepá ulička – magnetická zrcadla byla jen technologicky předčasná myšlenka.

Nyní už silné pole WHAM dovoluje vyšší hustotu a teplotu při stejné stabilitě. Nesmírně důležité je, že silnější magnetické pole znamená menší ztráty částic na konci zařízení.

Potenciál projektu WHAM

WHAM je tedy založen na desítky let starém fúzním konceptu, dávno známém jako magnetické zrcadlo, se zásadním vylepšením: neuvěřitelně výkonnými magnety. Díky vysokoteplotním supravodičům (HTS z materiálu Rare Eather Baryum Coper Oxide REBCO), u kterých se očekává, že budou udržovat plazma podstatně lépe než předchozí verze magnetických zrcadel s cívkami navinutými běžnými vodiči, respektive nízkoteplotním supravodičem.

Všimněte si obrázku WHAM – koncové zátky z HTS (High Temperature Supraconductors) jsou podstatně větší než centrální komora pro vlastní fúzní reakce. Několikrát vylepšené zátky nabývaly stále větších rozměrů až u WHAM podstatně překonaly centrální komoru – hlavní část celého zařízení.

Horké ionty budou vytvářeny modernizovaným scénářem oběma známými metodami doohřevu: mikrovlnami a NBI – vstřikem horkých neutrálních částic. 

Tož uvidíme! Tokamak je sice stále v nedohlednu, ale fantazii se meze nekladou. 

Literatura:

[1] Milan Řípa: Historie výzkumu řízené termojaderné reakce, Věda kolem nás; ČSAV, 2014, str. 1

[2] A. D. Beklemishev, A.V. Burdakov, A.A. Ivanov, E.P. Kruglyakov: Magnetic mirrors: History, results, and future PROSPECTS, 2 1Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia E-mail: bekl@bk.ru; 2Budker Institute of Nuclear Physics of SB RAS, Novosibirsk, Russia; 3Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia

[3] Francis F.Chen: Úvod do fyziky plazmatu; Academia/Praha 1984; str. 41 

[4] https://www.ipp.cas.cz/o-ufp/historie/

Zachycení částic v magnetickém poli mezi oblastmi silnějšího pole, nazývanými magnetická zrcadla, je způsobeno zákony zachování magnetického momentu a energie částice (obrázek vytvořila AI)