Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 551

30. září 2014

Pozoruhodný člověk Lyman Spitzer, autor stelarátoru

Často jsem přemýšlel, jak na to ten Spitzer mohl přijít. Ve svém prvním fúzním experimentálním zařízení eliminoval toroidální drift plazmatu vakuovou komorou ve tvaru číslice osm. Nic na tom, že další jeho kovové děti osmičku opustily za cenu komplikovaných cívek magnetického pole a dnes… Dnes mají cívky tvar, že by je nenamaloval ani Pablo Picasso. Vraťme se ale na počátek.

Fotogalerie (4)

Lyman Spitzer (narozen 26. června 1914, Toledo Ohio, USA, zemřel 31. března 1997, Princeton, New Jersey) byl astrofyzik, fúzní fyzik a sportovec – pozoruhodný člověk

Matterhorn

V Los Alamos angažovali do projektu Matterhorn mladého astrofyzika Lymana Spitzera. Matterhor řešil teoretické otázky vodíkové bomby. Mimochodem je zajímavé, že se říká „vodíková“ bomba, ač by přiléhavější bylo bomba fúzní, nebo deuterio-tritiová. Proč astrofyzik a H-bomba? Fúze DT, to je plazma – a Spitzer byl odborník na jeho meziplanetární variantu.

Řízená termojaderná fúze

Astrofyzik byl skutečně pozoruhodná osobnost. Ve věku 33 let vedl Department Princetons Astronomy a řediteloval Princeton University Observatory. Byl i vášnivým horolezcem, a když pomocí lan a skob slezl komín Princeton gradual college, čekala na něho na úpatí štíhlé stavby universitní policie. Do práce jezdil zásadně na kole.

Pozdní jaro roku 1951 trávil Spitzer na lyžovačce v Aspenu. Tam ho také zastihla zpráva jeho otce o tom, že Argentina vyřešila problém řízené termojaderné fúze. Spitzer už byl natolik zkušený vědec, že zprávě o fúzi na ostrově Huemul „by Ronald Richter“ nevěřil ani za mák. Nicméně problém řízené fúze ho zaujal. Bylo mu jasné, že stejně jako na Slunci bude třeba hodně horké plazma, aby jádra dokázala při slučování překonat odpudivé elektrostatické síly. A jader musí být tolik, aby sumární uvolněná energie za to stála.

Zatímco Slunce ke kompenzaci odstředivého tlaku 15 miliónů stupňů teplého plazmatu s úspěchem využívá své obrovské hmotnosti a z ní plynoucí gravitace, na Zemi si o takové rovnováze nemůžeme nechat ani zdát! Co takhle nahradit gravitaci jiným silovým polem? Moc jich ovšem na výběr nemáme. Plazmu tvoří nabité částice a tak vhodná jsou pole dvě – elektrické nebo magnetické. Silokřivky magnetického pole se uzavírají samy na sebe a k jejich ukončení ani započetí nejsou třeba elektrody. Ostatně Spizer jako astrofyzik a magnetické nádoby ve vesmíru se musely setkat. Magnetické nádoby? Tak se skutečně vhodným konfiguracím magnetického pole říká. Spitzer se rozhodl zabalit plazma do magnetického pole solenoidu. Ale co s otevřenými konci cívky? Stočil solenoid do kruhu a získal tak solenoid bez konce – prstenec se nazývá toroid. Cenou za eliminaci otevřených konců však byla ztráta homogenity pole. Prstenec má na vnější straně závity dále od sebe než na straně vnitřní. Výsledkem je tam slabší magnetické pole a drift částic plazmatu v nenulovém gradientu pole, který vede k částečnému prostorovému oddělení záporných elektronů a kladných iontů. Další drift plazmatu v takto vzniklém elektrickém poli vrhne plazma jako celek na stěnu vakuové nádoby a je po experimentování. Na vyřešení problému toroidálního driftu stačilo Spitzerovi několik dnů přemýšlení. Navrhl vakuovou nádobu pro plazma ve tvaru číslice osm. V jednom oblouku se plazma pohybuje směrem ven z osmičky a v druhém dovnitř osmičky. Výchylky plazmového prstence se takto kompenzují a plazma více méně neopouští střed vakuové komory.

Stelarátor

Spizer nazval své zařízení stelarátor – hvězdný generátor (hvězda = stelar). Po návratu z dovolené nad svým stelarátorem strávil více času než nad H-bombou. 11. května 1951 vyrazil se zápisníkem plným výpočtů do Washingtonu DC na slyšení k šéfům Atomic Energy Committee (AEC). Jeho soupeřem o dotaci byl zkušený fyzik, Angličan James Tuck. Tuck pracoval v Los Alamos na vývoji atomové pumy (projekt Manhattan) a coby Angličan s informacemi o fúzních pokusech s pinči doma v Anglii se rozhodl postavit pinč i v Los Alamos. Stejně jako Spitzer hledal finanční podporu. AEC podpořila Spitzera a od té doby se datuje rivalita fúzních laboratoří Princetonu a Los Alamos. James Tuck později stejnou sumu 50 000 USD, stejnou jako Spitzer, získal doma – v Los Alamos National Laboratory.

Spitzerův plán nebyl až tak složitý jako ambiciózní. Stelarátor Model A dosáhne teploty plazmatu milión stupňů. Model B bude mít plazma stejné teploty, ale bude větší než model A. Konečně Model C bude mír rozměry reaktoru. Jak prosté!

Pokusní králíci

Spitzer se nastěhoval do kruhové budovy z vlnitého plechu, kde se dříve pro univerzitní pokusy chovali králíci. Chudáčci zvířátka – v létě nesnesitelné vedro a v zimě nesnesitelná zima. Pionýři amerického výzkumu termojaderného reaktoru na tom byli podobně.

A tak jeden víkend roku 1951 strávili Lyman Spitzer a jeho kolega Martin Schwarzchild na podlaze králičích kotců namotáváním cívky prstencového pole na skleněnou rouru o průměru 5 cm prvního amerického termojaderného reaktoru!

V roce 1952 napustil Spitzer do stelarátoru Modelu A vzácný plyn a pustil se do prvních pokusů s cílem zapálit termojadernou fúzi. K jeho velkému zklamání únik částic plazmatu a tím i jeho energie byl mnohem rychlejší, než spočítal. Zakopaný pes se skrýval v přiblížení, které Spitzer použil. Zvyklý na mnohem řidší plazma v meziplanetárním prostoru předpokládal, že se jednotlivé částice plazmatu neovlivňují. Relativně husté plazma ovšem vyžadovalo jiný přístup, který zohledňoval kolektivní chování: každá částice je ovlivňována kolektivem ostatních částic.

Projekt Sherwood

V roce 1952 v červnu svolal šéf Oddělení fúzního výzkumu AEC do Denveru schůzku vedoucích fúzních laboratoří a peníze projektu Lincoln patřící Hood Laboratory předal Jamesi Tuckovi. Není tak úplně známo, ozvala-li se asociace s Robinem Hoodem, ale americký projekt řízené fúze se od té doby jmenuje projekt Sherwood! Ke Spitzerovu stelarátoru a generátoru Jamese Tucka se přidala zrcadla Richarda Posta z Livermoru. Ani jeden z nich nepochyboval, že se řízená fúze v dohledné době vyřeší.

Nadšení, které před sebou hrnula příprava na první konferenci o řízené fúzi v Ženevě 1958, se ve Spojených státech odrazila na mimořádném růstu dotací do fúzního výzkumu. Dotace 1 milión v roce 1951 narostla na 10,7 miliónů v roce 1956.

Johnson, ředitel Divize výzkumu AEC, chtěl dosáhnout řízené fúze co nejdříve a tlačil na Spitzera, aby zahájil projektování reaktoru – Model C stelarátoru. Dosud nebyl vyzkoušen dodatečný ohřev na stelarátoru B a Spitzer tedy o Modelu C nechtěl ani slyšet: „To není vědecký program, ale cesta do záhuby!“ Ve vědě nelze postupovat paralelně, ale postupně, systematicky. Práce se na Modelu C zahájily i přes odpor jeho autora…!

Konec fúzní opony

Kurčatovova přenáška o termojaderné fúzi v Harwellu v dubnu 1956 neotevřela stavidla informačního veletoku mezi Západem a Východem, ale malý potůček se vydal na cestu mezi Spojenými státy a Spojeným královstvím. Aby nikoho neprobudil, napsal Lyman Spitzer potichu na světě první učebnici o fyzice vysokoteplotního plazmatu: The Physics of Fully Ionized Gases. Tenoučká knížečka se o termojaderné fúzi nezmínila ani slůvkem. Nicméně vzorec pro vodivost v ní najdete už jenom proto, že se jmenuje po svém objeviteli Spitzer conductivity.

Sovětský Sputnik a co způsobil

4. října 1957 vypustil Sovětský svaz první umělé těleso na oběžnou dráhu kolem Země a 30. srpna se Angličanům rozblikaly scintilátory na největším fúzním pokusném zařízení ZETA. Britský tisk tlačil na publikování zprávy o domnělých fúzních neutronech – kompenzaci pípajícího Sputníku. Čerstvá smlouva o fúzní spolupráci Spojených států a Spojeného království však vyžadovala koordinovaný postup. Američané zjistili neutrony na generátorech Perhapsatron a Columbus, ale bylo jich mnohem méně, než měli Britové v ZETA. Šéf AEC a velký patriot „admirál“ Strauss nejdříve chtěl pozdržet neutronovou publikaci těsně před začátek ženevské konference v září. Doufal, že se jeho ovečkám podaří vyždímat z Columbusu a jim podobných množství neutronů srovnatelné s množstvím produkovaným ZETA. Neuspěl a slovutný Nature 25. ledna otiskl neutrony ZETA.

Admirál

Naštvaný Strauss vyslal do Harwellu, kde ZETA trůnil v Hangáru číslo 7, skupinu vědců včetně Lymana Spitzera. Delegace po zběžném ohledání připustila, že neutrony mohou skutečně být termojaderné. Ale Spitzer v Princetonu v klidu své pracovny usedl za stůl a počítal. Posléze usoudil, že teplota 5 miliónů stupňů udávaná na ZETA za tak krátký okamžik od zapálení výboje, není možná a termojaderný původ neutronů zpochybnil. Jeho hlas zanikl ve všeobecném (britském) nadšení a ostrované slavili – asi tak do poloviny roku, kdy Basil Rose změřením směrového rozložení emitovaných neutronů jejich termojaderný původ jednoznačně vyloučil.

Britský skandál vlil čerstvou krev do žil admirálu Straussovi a přes svoje lpění na utajování všeho spojeného s fúzí se rozhodl, že svět naopak musí v Ženevě nad úrovní amerického fúzního výzkumu padnout na konec zad. Na Spitzerovi žádal instalaci funkčního Model C stelarátoru. Spitzer se nenechal unést nadšením brunátného admirála a žádost jako nereálnou odmítl. Nicméně mezi 450 tunami materiálů, které do Ženevy USA posílaly, byly modely stelarátorů B-2 a stelarátoru C. US technici a vědci zabrali v ženevských hotelech 6 500 míst a řada účastníků z jiných států dojížděla do Haly národů až 50 km!

Admirál s těžkým srdcem přijal totální pardon Spojených států a Spojeného království na utajované fúzní informace pouhé dva dny před zahájením konference. Expozici amerického fúzního programu navštívilo 100 000 zájemců.

Difuze Davida Bohma

Po ženevské konferenci nový šéf AEC, Jonh McCone, se při dotaci snížené o 10 % zaměřil na stelarátory, a to na úkor pinčů.

David Bohm při separaci izotopů uranu pro projekt Manhattan objevil jev, který se později stal noční můrou každého vysokoteplotního fyzika. Zjistil, že difuze v magnetickém poli probíhá podstatně rychleji, než podle vzorce pro klasickou difuzi. Není totiž nepřímo úměrná kvadrátu magnetického pole, ale pouze jeho první mocnině. Zrodila se Bohmova difuze!

Spitzer na stelarátoru Model B-3 zjistil, že plazma mu difunduje na stěny ve shodě s Bohmovou předpovědí! Ukázalo se, že správné rozhodnutí není stavba větších a větších zařízení, ale židle a psací stůl. Je třeba porozumět chování plazmatu. Nicméně mohutný stelarátor Model C byl dokončen. Typ atletická dráha – race track – měl 12 metrů délky a doba života energie obnášela desetinásobek hodnoty stelarátoru B 3.

Arcimovič a tokamak

Na první mezinárodní konferenci o fyzice plazmatu a řízené termojaderné fúzi roku 1961 v Salzburku se dostalo Lymanu Spitzerovi cti, aby přednesl přehledový referát o vysokoteplotním plazmatu v toroidálních nádobách. Nic veselého milého Spitzera nepotkalo. Stelarátory nefungovaly kvůli Bohmově difuzi a pinče jak by smet, jen Bohmovu difuzi nahradily nestability.

Na druhé konferenci v Culhamu v roce 1965 Arcimovič sdělil, že na jejich tokamaku mají difuzi téměř klasickou. Zejména Američané, v čele se Spitzerem, pokládali tvrzení šéfa sovětské fúze za pohádku. Spitzer zdůrazňoval diagnostickou nevybavenost tokamaku a výsledkem byly vášnivé debaty se sebevědomým až arogantním Lvem Arcimovičem.

Rezignace

Psal se rok 1965 a Lyman Spitzer neodolal nabídce General Research Board – vrací se ke své staré lásce, k astronomii. Po patnácti letech ve výzkumu řízené termojaderné fúze opouští mírně zklamaný Spitzer fúzi. Odchází ze své vůle. Na svém místě vedoucího Plasma Physics Laboratory, kterou v Princetonu založil, nechal Melvina Gottlieba.

Perestrojka

Osud je někdy stejně krutý jako milosrdný. Tři roky po odchodu Spitzera od termojaderné fúze bylo jasné, že Arcimovič měl v Culhamu pravdu a „jeho“ tokamak je na správné cestě. Tokamaky se začaly stavět po celém světě, některé si dokonce zjednodušily život a vznikaly přestavbou stávajících stelarátorů. Jak by Spitzer přenesl přes srdce, když by chodil kolem svého díla Model C stellarator, které Mel Gottlieb nechal přestavět na tokamak ST (Symetrical Torus). Snad se Spitzer shůry fúzního nebe raduje, když vidí, že jeho myšlenka nezapadla. Letos se v Greifswaldu spustil celosupravodivý stelarátor Wendelstein 7-X, následník Wendelsteina W7 AS. Další stelarátor LHD funguje v Japonsku. Menší exemplář provozují ve Španělsku jako TJ-II.

V roce 2003 na jeho počest nazvala NASA právě vypuštěný teleskop Spitzer Space Telescope. Spitzerově přínosu astrofyzice, jmenovitě nápadu pozorovat vesmír Hubblovým teleskopem umístěným na satelitu, se tak dostalo zaslouženého ocenění.