Jak tokamak a stelarátor soutěžily

Životní úroveň každého z nás je víceméně přímo úměrná výrobě elektřiny. Zvony už dlouho bijí na poplach: „Elektrické energie bude brzy nedostatek!“ Elektrárny spolykají miliardy tun fosilních paliv, jejichž zásoby jsou omezené. Navíc chrlí do vzduchu tuny skleníkových plynů, na skládkách jsou slušné zásoby radioaktivního popela. Kvůli ropě se válčí už dnes. Jaderné (tím myslím štěpné jaderné) elektrárny si ulevují pouze vodní parou, ale dlouhodobá úložiště vysoce radioaktivního odpadu jsou velkým problémem, a to nemluvím o tunách radioaktivního paliva v reaktoru. Obnovitelné zdroje jsou sice tradičním argumentem zelených mužíků, ale postrádají sílu, kterou by vyložily druhou stranu energetické rovnice „má dáti – dal“. Jsou drahé, nevýkonné a bráno do důsledků zas tak ekologické také nejsou. Co tedy?

Fúzní termojaderná elektrárna. V reaktoru se spojují za nepředstavitelných teplot izotopy deuteria a tritia, uvolňuje se ještě nepředstavitelnější množství energie, popelem je inertní plyn helium. Primárních surovin – neradioaktivního deuteria a lithia – je na světě prakticky nevyčerpatelně mnoho. Fúzní elektrárna – jaderně bezpečná, vojensky nezneužitelná, ekonomicky standardní – má jedinou vadu: zatím žádná nebyla postavena a bude ještě pár let trvat, než fúzní elektřina poteče dráty elektrického vedení. Právě proto, že má fúzní energie tolik plus, trvá asi tak „dlouho“, než rozsvítíme fúzní elektřinou. Pojďme vyslechnout jeden z mnoha příběhů na cestě za snem mnoha fyziků, za uskutečněním řízené termojaderné fúze na Zemi (viz Vesmír 77, 207, 1998/4). Příběh, který v šedesátých letech otevřel cestu k široké mezinárodní spolupráci, jež vyústila v největší vědecko-technický pozemský projekt – mezinárodní experimentální tokamak ITER (viz Vesmír 85, 356, 2006/6).

Per aspera ad astra

Utrpením ke hvězdám! Ano, hvězdy byly příkladem, neboť tam funguje jaderná fúze miliardy let!

A utrpení? O tom je náš příběh. Fúzní výzkum započal na sklonku čtyřicátých let ve Velké Británii, v USA a v bývalém Sovětském svazu. Výzkum to byl supertajný, neboť budoucí termojaderný reaktor mohl být intenzivním zdrojem neutronů, a tudíž použitelný pro výrobu atomových bomb. Nicméně všechny země nezávisle na sobě experimentovaly s výboji v plynech, neboť ionizovaný plyn – plazma – se zdál ideálním prostředím pro termojadernou reakci. Američané postavili zařízení, které autor Lyman Spitzer nazval stellarator (= stellar generator, tedy generátor hvězd). V Sovětském svazu byl zkonstruován tokamak (= toroidalnaja kamera i magnitnyje katuški). U zrodu stáli O. A. Lavrentěv, A. D. Sacharov, I. J. Tamm a L. A. Arcimovič. Pro nás v tuto chvíli není důležitý princip těchto dvou zařízení. Důležité jsou výsledky. A ty dlouho nebyly valné ani na jednom z nich. Plazma v důsledku nejrůznějších nestabilit unikalo na stěny, rozpadlo se dříve, než se stačilo ohřát na požadovanou teplotu. A teploty byly požadovány převeliké. Má-li jádro Slunce teplotu desítky milionů stupňů Celsia, pak laboratoř potřebovala stovky milionů stupňů. Dobu života energie v dosavadních experimentálních zařízeních, ať již tokamacích nebo stelarátorech, ovládala takzvaná Bohmova difuze. Místo aby horké plazma unikalo na stěny nádoby nepřímo úměrně druhé mocnině intenzity izolujícího magnetického pole, prchalo zběsile pod dohledem pouhé první mocniny. L. Spitzer stavěl čím dál tím větší stelarátory, až skončil u zařízení, které nazval C-stellarator. Ani toto zařízení, na tu dobu veliké, však neudělalo svému autorovi radost. Teplota milion stupňů měla do stovky daleko a tisícina sekundy, po kterou plazma žilo, svědčila o přítomnosti noční můry fúzních fyziků – Bohmovy difuze. Tokamak na tom nebyl lépe. Až přišel rok 1968!

V Novosibirsku se konala – poprvé na půdě Sovětského svazu – mezinárodní konference o řízené termojaderné fúzi pod patronací Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAAE). Zpráva vedoucího sovětského termojaderného výzkumu L. A. Arcimoviče posluchače doslova šokovala: „Na tokamaku T-3 jsme v Moskvě dosáhli teploty deset milionů stupňů a doby udržení po setinu sekundy. Po Bohmově difuzi ani památky!“

Západ nevěděl, zda se má radovat z úspěchu termojaderného výzkumu, byť původem z nepříliš sympatického Sovětského svazu, nebo smutnit nad tím, že to nebyli oni, kdo byl autorem nesmírně optimistického poselství.

Arcimovičovi nikdo nevěřil

Nakonec převládla skepse a Arcimovičovi téměř nikdo nevěřil. Američané nevěřili vůbec, koneckonců čekali, že to budou oni, kdo pošlou nenáviděného Bohma do horoucích pekel, a Britové s výhradami. Britský a sovětský termojaderný výzkum k sobě měly na tu dobu docela blízko. Arcimovič navštívil Středisko jaderného výzkumu v anglickém Culhamu a šéf britského výzkumu Pease byl v moskevském Kurčatovově ústavu. Konečně velikán světové vědy I. A. Kurčatov prolomil informační železnou oponu svou přednáškou o termojaderné fúzi v roce 1956 právě na britské půdě – v tehdejším atomovém centru v Harwellu.

Celý problém spočíval v tom, že do té doby nebyla známa metoda přímého měření teploty plazmatu a Arcimovičovi chlapci musili změřit energii plazmatu a z ní podle přijaté teorie teplotu vypočítat. Nu a co když teorie příliš nesedí? Pak ani Arcimovičova teplota nemusí být zcela přesná.

Nicméně po deseti letech rostoucí skepse fúzní komunity tu svitla jiskřička naděje. Na Arcimovičově dače se Rusové a Britové domluvili. Peaseho tým přiveze do Moskvy novou měřicí aparaturu, která k měření teploty plazmatu využívá rozptyl laserového světla, jímž lze změřit teplotu plazmatu přímo. Přivezeme, instalujeme, změříme! A uvidíme!

Akce, která nemá obdobu

Taková akce neměla obdobu od té doby, co existoval Východ a Západ rozdělený studenou válkou. Nápad musely posvětit vlády obou zemí. A pak došlo k nečekanému zdržení. Sovětský svaz přijel do Československa „bránit socializmus“ a Západ musil přinejmenším zareagovat. Za této situace nemohla britská vláda jinak úžasný nápad oficiálně posvětit. Cestu za tokamakem T-3 proto britskému týmu nepovolila, ale ani nezakázala.

Nejprve se do Moskvy rozjel nesmírně nadaný mladý (čerstvě ženatý) fyzik Derek Robinson, aby připravil půdu týmu, který měl přivézt laser. Během přípravných prací žil Robinson s novomanželkou stejně jako jeho sovětští kolegové. Na měsíce strávené v Moskvě vzpomíná jako na velké dobrodružství. Fronty byly na cokoliv. Stalo se, že se jeho manželka Marion vrátila s prázdnou taškou, zato s pláčem, neboť nepochopila některé detaily pravidel, jimiž se řídil nákup potravin. Téměř ukončením termojaderné mise hrozil konflikt lékařů sovětské nemocnice a britského velvyslanectví. Robinsonovi se z pracovního vypětí udělalo špatně. Sověti diagnostikovali žaludeční vřed a hnali Robinsona na operační stůl, ale na velvyslanectví mu doporučili jen dietu – hodně mléka. Nakonec vše dobře dopadlo. Po šesti měsících diplomatické karantény přistál na Šeremetěvu speciál s britskými vědci a pěti tunami měřicí aparatury. Bezprecedentní pokus mohl začít.

Kdo někdy pracoval ve fúzní či jiné větší experimentální laboratoři, dokáže si představit, co nadšené vědce čekalo. Každá země měla jiné strojírenské, elektrotechnické i další normy, jiné zvyky. Napasovat laserové zařízení na tokamak vyžadovalo nesmírné úsilí – a čas plynul. Byl červen a výsledky nikde. Rusové začali kolem britských kolegů nervózně korzovat, dávali jim najevo, že je okrádají o čas. Pak přišel sám velký Arcimovič a dal Robinsonovi ultimatum, buď do dohodnutého termínu teplotu změří, nebo si mohou sbalit.

Britové pracovali dnem i nocí, a pod dojmem jejich obětavé práce začali dokonce Sověti nacházet pochopení. Pak přišel den D a teplota byla změřena.

Kdo měl pravdu?

Hádejte, kdo měl pravdu? Arcimovič, nebo pochybovační Američané? Ano, Lev Arcimovič. Robinson okamžitě volal do Culhamu a až v Moskvě bylo slyšet, jak si Pease oddychl. Hned poslal zprávu americké Atomic Energy Commission, a tam prý jeden vyskočil na stůl a tančil kozáčka. Pro fúzní komunitu to byla úžasná zpráva. Po smutných letech, kdy se nic nedařilo a východisko bylo v nedohlednu, ukázala Moskva, že civilní termojaderná fúze bude možná!

Vladimir Mučatov byl o málo starší než Derek Robinson. Jeho nápad však nepostrádal genialitu, kterou odhalily následující dny. Mučatov se rozhodl, že si z Arcimoviče vystřelí. Kdo znal přísného, skeptického a často arogantního lídra sovětského fúzního programu, musil Mučatovovi přiznat odvahu. Arcimoviče se obávali nejen jeho podřízení, ale většina světové fúzní komunity. Na mezinárodních konferencích dokázal Arcimovič zesměšnit kdekoho (pokud dotyčný tvrdil bludy).

Mučatov žertem vytvořil podvrh – dopis, jímž Mel Gottlieb, vedoucí Princetonské laboratoře, oznamuje Arcimovičovi, že se rozhodl ukončit program stelarátorů v Princetonu a rád by do své laboratoře koupil tokamak T-3. Derek Robinson dopis přeložil do angličtiny, hlavičkový dopis Princetonské laboratoře měl od kolegy, který se z Princetonu nedávno vrátil, a podpis Gottlieba napodobil přes okenní sklo. Dopis nechal Mučatov u Arcimovičovy sekretářky na stole. Pak přišlo pondělí a s ním i pravidelná porada začínající v 10 hodin. Arcimovič, viditelně v dobré náladě, seznámil třicet kolegů s Gottliebovou žádostí: „Princeton chce koupit náš tokamak!“ Pánové kolem stolu dusili smích a Mučatov musil překvapeného Arcimoviče dlouho přesvědčovat o tom, že dopis byl podvrh. Arcimovič byl úspěchem tokamaku tak nadšený, že při pohledu na falešný dopis ztratil soudnost. Posléze svůj omyl uznal a ani Mučatovovi nenadával.

Pointa vyprávění

Po oznámení Britů, kolik stupňů naměřili na tokamaku T-3, rozhodl Mel Gottlieb skutečně ukončit program stelarátoru v Princetonu a… koupit v Moskvě tokamak T-3. Ale ne, to by byl příliš naivní závěr. Stelarátory opravdu v Princetonu skončily a jejich poslední a největší zástupce C-stellarator byl přestavěn na tokamak. Američané během půl roku potvrdili výsledky Arcimovičovy skupiny, a pak už nic nebránilo vítěznému tažení tokamaku termojaderným světem. Jednou zastávkou je největší vědecko-technický projekt na světě – mezinárodní tokamak ITER, který se začal stavět v lednu 2007 v jihofrancouzském Cadarache.