Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 550

11. srpna 2014

Fúzní příběh zvaný ZETA

V sobotu 28. června uplynulo devět let od chvíle, kdy byl v Moskvě podepsán dokument přisuzující stavbu tisíciletí – stavbu gigantického tokamaku, tj. termojaderného reaktoru – Evropě. Ti, kteří prohráli, byli Japonci. A jako správní potomci samurajů o místo pro ITER bojovali do posledního dechu a už prohranou válku nechtěli vzdát. Na počátku tohoto příběhu, který poskytl nejen Evropě, ale celému světu historickou šanci, byl ale jiný příběh, který bude letos 30. srpna slavit 57. výročí. Příběh se jmenuje ZETA.

Fotogalerie (5)

Schéma ZETA nepatří ani stelarátoru ani tokamaku, i když druhé zařízení může připomínat – snímek z Infocentra v Jaderné elektrárně Temelín (foto: autor)

Zero Energy Thermonuclear Assembly – zařízení s nulovým ziskem termonukleární energie – mělo předvést plazma spoutané do toroidální podoby, poslouchající povely vědců a vyzařující energii, která dosud patřila jen Slunci. Nulový zisk v názvu vyjadřoval rovnost ohřevového příkonu a uvolněného fúzního výkonu.

Stavitelé pinčů

Nositel Nobelovy ceny George Page Thomson se zabýval tak zvaným pinčem už jako profesor na Imperial Colledge v University of London. V roce 1945 byla v Harwellu založena Atomic Energy Research Establishment (AERE) a Thomson okamžitě zaútočil na jejího ředitele Johna Cockcrofta se žádostí o financování rozměrného pinče, který by předvedl termojadernou fúzi. Bohužel to nebylo naposledy, kdy ho ředitel odmítnul. V roce 1946 podal s kolegou Mosem Blackmanem patent na zařízení, které by fúzi produkovalo. Patent č. 817,681 spíše než pinč popisoval betatron. Elektronový svazek svým prostorovým nábojem přitahoval ionty, které ohříval vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem.

Thomson po opakovaném odmítnutí financí na „fúzní reaktor“ vzal zprávu o práci Maxe Steenbecka týkající se německého toroidálního pinče jménem Wirbelrohr a vydal se do Oxfordu, kde v Clarendon Laboratory našel dva dychtivé doktorandy – Alana Wareho a Stana Cousinse. Nadchnul je pro zajímavé téma a začali stavět malé lineární pinče, na které (protože byly malé) peníze sehnali. Mimochodem Max Steenbeck byl známý svými pracemi o betatronu a po válce pomáhal Moskvě se separací izotopů pro plutoniovou bombu.

Ware našel spřízněnou duši v Jamesu Tuckovi, a ten se svěřil mladému Peteru Thonemanovi, který přijel do Clarendon Laboratory z Melbourne. Thonemann chtěl v Oxfordu vypracovat doktorandskou práci o termojaderné fúzi. Již v roce 1939 jako student v Melbourne totiž prezentoval návrh fúzního reaktoru. O fúzi mluvil s kde kým, včetně ředitele AERE Johnem Cockcroftem a s vedoucím teoretického oddělení AERE Klausem Fuchsem, který velkým příznivcem fúze určitě nebyl. Nakonec Thonemann a Tuck získali na výzkum fúze peníze od UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority).

Shání se investor

Práce Jamese Tucka v Clarendon Laboratory předčasně skočila pozváním zpět do Los Alamos, kde ho chtěl Edvard Teller mít u sebe při práci na vodíkové pumě. Nicméně Tuck na pinč nezapoměl ani v USA a na stavbu pinče Pherhapsatron (pherhaps = možná, tj. bude možná fungovat) získal 50 000 USD od Norrise Bradburyho, ředitele LANL. Zajímavé bylo, že původně žádal peníze od Atomové komise spolu s Lymanem Spitzerem, ale tam je získal Spitzer na svůj stelarátor, generátor hvězd, – získal také 50 000 dolarů. (Pozn. autora: „Zkrátka Amerika miluje odvážné! Srovnej suverénní název stelarátor s váhavým Perhapsatron.)

Fúze v utajení a první neutrony

Zatím v Anglii pokračovali Thonemann s Warem ve studiu pinče až do spionážní aféry Klause Fuchse a Bruna Pontecorva. Důsledkem bylo utajení fúzního výzkumu ve Spojeném království. Fúze v Imperial Colledge se přesunula do lépe chráněného Associated Electrical Industries Laboratory v Aldermatsonu a z Clarendon Laboratory do AERE v Harwellu. Tam měl Thonemann klidný život bez finančních starostí a postupně směřoval k uskutečnění Thomsonova snu – k velkému fúznímu zařízení! Stopadesátitunové zařízení ZETA bylo spuštěno v roce 1957 v AERE Harwell a hned 30. srpna se objevily neutrony. Ráno se uklízečka divila, zda to nové obrovské zařízení náhodou nefunguje na pivo. Plechovek od světlého ležáku se po noční oslavě kolem povalovalo poměrně hodně. Bylo co slavit? Odpověď měly poskytnout následující dny, či spíše měsíce.

Přijel Kurčatov

Zatímco Thonemann a spol. vylepšovali svá zařízení, ani svět nezahálel. V dubnu 1956 navštívil Harwell jako člen státní delegace Sovětského Svazu sám Igor V. Kurčatov. Měl pro „kolegy“ v Harwellu připravené hned dva dárky Dvě přednášky o stavu výzkumů štěpení a slučování jader atomů. Nakonec vystoupil pouze s jednou: „O možnosti zapálení termojaderné reakce v plynovém výboji“. Od dob Fuchse a Pontecorva byla jaderná opona stažena, aby ani myš neproklouzla, a najednou představitel komunistické totality přednáší vědcům ze svobodného demokratického státu o posledních výsledcích výzkumu termojaderné fúze! Zaražení posluchači, ač by rádi, se nemohli sympatického bradáče na nic zeptat. Prozradili by tak, co o fúzi už vědí. Anebo nevědí.

Faktem je, že Kurčatov mluvil o lineárních pinčích a o zárodku tokamaku se nezmínil. Aby západní politici určující hranice, co se smí a co ne, našli vysvětlení Kurčatovy vstřícnosti, vymysleli si důvod – provokace. Pod tlakem vědecké komunity se opona přece jen mírně nadzvedla. Nejprve mezi Spojenými státy a Spojeným královstvím. Zajímavý byl manuál, který určoval, o čem mohou vědci na veřejnosti mluvit: „Pomlčet o originálních principech a technologických podrobnostech potřebných k zapálení udržitelné a nepřetržité fúzní reakce.“ Kdyby je tak někdo tehdy znal!?

V září 1957 se svět přesvědčil, že sovětskou vědu až tak podceňovat nelze. Osmkrát za den nad hlavami překvapených Američanů přelétal Sputnik, kterého bylo vidět i slyšet. A zprávy o neutronech patřících ZETA prosákly za Atlantik.

Spolupráce i žárlivost

Britové byli celí žhaví pustit neutrony do světa. Američané nechtěli přiznat, že jejich přátelé jsou ve fúzním výzkumu před nimi. Bohužel spolupráce byla navázána a nezbylo nic jiného, než se dohodnout. Amerika prosazovala překvapit svět v září.

Blížila se totiž II. mezinárodní konference „Mírové využití atomové energie“ v Ženevě. Amerika sice nějaké neutrony už také měla, ovšem tisíckrát méně než ZETA. Předpokládala tedy, že koncem roku budou výsledky bohatší. Nehledě na připravované spuštění dalších zařízení. To se ovšem nedočkavým Britům zdálo být pozdě. Nakonec 25. ledna vyšel v prestižním Nature článek obsahující jak britské tak americké neutrony. Ale pozor! V článku se o termojaderných neutronech nemluvilo! Neutrony totiž mohou a také nemusí být termojaderného původu. O falešných neutronech mluvil ve své přednášce i Kurčatov v již roce 1956 v Harwellu.

Neutrony jsou termojaderné!

Den před publikací v Nature vystoupil 24. ledna John Cockcroft, nositel Nobelovy ceny a ředitel Harwellu, na tiskové konferenci, kde doslova prohlásil: „Jejich původ (pozn. autora: neutronů) bude nicméně jasný jakmile množství detekovaných neutronů poroste s rostoucím proudem a teplotou.“ Nicméně novináři žádali senzaci a Cockcroft pod obrovským tlakem médií – na konferenci bylo 500 novinářů – se nadechl a vyhrkl: „…neutrony jsou na 90 % termojaderné!“

Strhla se obrovská vřava a následující den vycházely noviny s třícentimetrovými titulky: „OBROVSKÁ ZETA – ENERGIE BEZ HRANIC NA MILIÓN LET“ (Daily Mail), „BRITŠTÍ H-MUŽI VYROBILI SLUNCE“ (Daily Herald), „ZETA OZNÁMILA – ENERGIE JE NEKONEČNÁ“ (New Chronicle), Daily Telegraph si přisadil: „USA UZNALY, ŽE BRITANIE JE V ČELE“.

Rozvášněný Sir Cockcroft se přestal kontrolovat a do televize oznámil: „Pro Británii je tento objev důležitější než ruský Sputnik!“

Čuš sobaka

Je známo, že tehdy nejméně dva muži zapochybovali o pravdivosti Cockcroftova výroku. Vedoucí sovětského fúzního programu Lev A. Arcimovič článek v Nature komentoval lapidárně: „Čuš sobaka“, česky „Dogshit!“. Vedoucí amerického fúzního projektu Matterhorn, Lyman Spitzer spočítal, že v čase, který uváděl Nature, nelze fúze dosáhnout. Nehledě na nízkou teplotu 5 miliónů stupňů, kterou Nature zmiňoval. „Připomínky“ z obou stran již děravé železné opony se rozplynuly jako kapky v moři a zařízení ZETA si užívalo svých pět minut slávy.

Basil Rose pracoval na harwellovském synchrotronu, kruhovém urychlovači částic, ve stejném hangáru (středisko Harwell bylo bývalé letiště) jako v tom, kde bylo postaveno zařízení ZETA. Disponoval citlivým detektorem neutronů, který odhalil směrovost neutronů ZETA. Pokud by neutrony ZETA byly termojaderné, pak by jejich prostorové rozdělení bylo izotropní – jejich intenzita by nezáležela na směru. Rose otočil směr elektrického proudu v ZETA a směr emise neutronů se otočil také. Měření Basila Rose podpořila podobná měření na amerických pinčích Pherhapsatron a Columbus. Neutrony ZETA byly vymršťovány srážkami v elektrických polích nestabilit urychlenými deuterony. Ještě před celosvětovým setkáním atomové veřejnosti bylo jasno. Neutrony nebyly termojaderného původu. Žádná termojaderná fúze se ve Spojeném království nekonala!

Angličané to nevzdali

Důvěra ve fúzní komunitu po anglické blamáži klesla pod bod mrazu a veřejnosti trvalo dlouho, než se na rok 1958 zapomnělo. To ale naznamenalo, že by „neutronový průšvih“ byl ostudou. Angličané začali usilovně hledat přesnější metody měření teploty – a byli úspěšní. Naučili se měřit spektrální šířku laserového světla rozptýleného na elektronech plazmatu a dokázali tak přesně určit teplotu s časovou i prostorovou lokalizaci přímo. Teplota se tak nemusela odvozovat z jiných naměřených veličin.

I historie může být potutelná – metoda Thomsonovského rozptylu laserového paprsku na elektronech deset let po aféře s neutrony ZETA v roce 1969 potvrdila neuvěřitelné výsledky Arcimovičova týmu na tokamaku T-3 a zahájila slavnou etapu tokamaků, která bez přestávky trvá dodnes!

ZETA mělo přesto smysl

Uvažovaná stavba dalšího zařízení – ZETA II – pro teplotu plazmatu 100 milionů stupňů se sice nekonala, ale ZETA přesto později poskytlo řadu cenných výsledků. Režim samoorganizovaného plazmatu, tak zvaný režim RFX (Reversed Field Experiment) – kdy magnetické pole vnějších cívek a plazmatu spolu interagují a vytvoří stabilní konfiguraci – je jeden z nich.

Chudák ZETA nenašlo klidu ani po smrti (po demontáži). Obrázek z Informačního střediska v Jaderné elektrárně Temelín navozuje dojem, že ZETA bylo buď stelarátorem nebo tokamakem. Nebylo ani jedno ani druhé. Ale toroidálním pinčem ano. Zařízení ZETA po peripetiích slávy, úpadku, vzkříšení našlo v historii magnetického udržení fúze své pevné místo.

O tématu Třípól kromě jiného napsal: