Každý technický fanda, který ví něco o jaderné fúzi, už slyšel o tokamacích. Zařízení ve tvaru zkroucené obruče se už dlouhá desetiletí považuje za nejslibnější cestu k napodobení energetických procesů na Slunci v pozemských podmínkách. A tím také za nejlepší cestu k novému, velmi bohatému zdroji energie. Tokamaky mají svůj původ v Sovětském svazu v 50. letech a díky svým vlastnostem byly a stále jsou nejpoužívanějším a nejlepším nástrojem k experimentálnímu zkoumání jaderné fúze. Za desetiletí práce s nimi se ovšem vědci poučili, že tokamaky mají také své problémy. Naděje na rychlé zvládnutí „energie Slunce“, které se periodicky vracejí na výsluní už od 50. let 20. století, se do značné míry právě kvůli tomu znovu a znovu ocitají v příslovečném limbu mezi říší čisté science- -fiction a realitou. Stále se tak hledají nové cesty či se znovu otevírají ty starší, které fyzikům a inženýrům uzavřely dříve nepřekonatelné technické problémy. Jeden velký návrat do minulosti se přetavil v hmatatelnou skutečnost v laboratořích německého Ústavu Maxe Plancka pro výzkum plazmatu v Greifswaldu na severovýchodě země, na území bývalé NDR. Přístroj nazvaný Wendelstein 7-X by mohl být znovuzrozením třídy zařízení, které mají „hvězdné“ jméno: stelarátory. Hvězda na zem spadlá Z latinského výrazu pro hvězdu odvozený název vybrali pro stelarátor v 50. letech na půdě amerického Princetonu. Zařízení se používalo hlavně v západních laboratořích, než se postupně vydal na svou vítěznou pouť z Východu tokamak. Obě zařízení pracují z pohledu laika na velmi podobném principu: udržují velmi horké plazma v uzavřeném prostoru na magnetickém poli. Slučování jader totiž probíhá pouze za velmi vysokých teplot a tlaků. A zjednodušeně řečeno, na Zemi nemáme možnost, jak dosáhnout podobných tlaků, jaké panují v nitru Slunce, a tak musíme o to více zvýšit teplotu – až na zhruba 100 milionů Kelvinů. Při této teplotě se z atomů odtrhují elektrony a zbylé ionty mají (čas od času) dost energie na to, aby překonaly vzájemné odpudivé síly a spojily se do větších atomů. Přitom se uvolňuje značné množství energie, jak ukazuje příklad Slunce. Podobně horkou látku ale žádný materiál neudrží, a tak tokamaky i stelarátory využívají „silového pole“, konkrétně magnetického. Rozdíl je „jen“ v tom, že tokamaky si ještě pomáhají proudem protékajícím samotným plazmatem (vytváří se indukcí, takže zařízení je zároveň transformátorem), zatímco stelarátory spoléhají pouze na magnetické pole vytvářené cívkami kolem komory s plazmatem. V obou případech ale platí, že komora má tvar nekonečné smyčky: v jiném prostoru by se extrémně rychlé (protože tak horké) částice nepodařilo udržet. Koncept tokamaku může znít zbytečně složitě – proč vůbec indukovat proud v plazmatu, když se lze obejít bez toho? Ale tokamak by jinak nemohl vůbec fungovat, protože vnější obvod komory je vždy delší než vnitřní – a tím pádem i vinutí na komoře, které vytváří magnetické pole, není rozdělené zcela rovnoměrně. Magnetické pole je tedy silnější na vnitřní straně komory a slabší na vzdálenější, a částice plazmatu tak mají tendenci vylétávat ze středu komory a narážet do stěn. Indukovaný proud jejich udržení velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru. Jak to tak bývá, řešení přináší i své vlastní problémy. Indukce plazmatu probíhá jen v pulzech, což komplikuje delší udržení. Plazma je také nepředvídatelné a hodně chaotické prostředí. Dochází tu často k přetržení proudu, což vede ke ztrátě schopností jeho udržení a v důsledku tohoto ke kolapsu a někdy i poškození zařízení. Stelarátory tyto nevýhody nemají, a tak se jim několik výzkumných týmů věnovalo i v době jinak téměř absolutní nadvlády tokamaků. Pravdou ovšem vždy bylo, že v praxi měly stelarátory v porovnání s tokamaky horší výkony. Dokázaly udržet plazma kratší dobu a s menší energií. Wendelstein 7-X chce ukázat, že Mooreův zákon tento rozdíl smazal. Hoďte to do stroje U zrodu Wendelsteinu 7-X stáli dva fyzici: Jürgen Nührenberg a Allen Boozer, kteří věřili na výpočetní sílu. Jejich cílem bylo navrhnout od počátku magnetickou smyčku, která překoná omezení běžné toroidální (tedy ve tvaru americké koblihy s dírou, „donutu“) komory a dá částicím ideální dráhu, po které by běhaly samy bez pomoci dalšího magnetického pole. To znamená, že zařízení by mohlo běžet velmi dlouhou dobu (v ideálním případě prakticky nepřetržitě) v podstatě bez zásahu zvenčí. Což je nutná vlastnost jakékoliv prakticky použitelné elektrárny. Jednoduchý kruhový průřez v tu chvíli nestačí, to už bylo dávno jasné i fyzikům v 50. či 60. letech. Ti ovšem nemohli vědět, jaký tvar je správný, protože matematické řešení takové otázky bylo příliš složité, či spíše časově náročné. Provést nutné simulace bylo nad možnosti výpočetní techniky, až do 80. let 20. století, jak si uvědomili Nührenberg a Boozer. Potíž byla v tom, že podle simulací není stelarátor vůbec jednoduché zařízení. Komora i magnety kolem ní musejí mít komplikovaný tvar a proměnlivý průřez. Z konstrukčního hlediska jde téměř o noční můru s velikými nároky na přesnost a prakticky nulovou možností pozdějších úprav. Na druhou stranu, dva menší demonstrační projekty v USA (HSX) a Německu (W7-AS) ukázaly, že na nápadu něco je. Oba si v počítači vedly stejně dobře jako v simulacích a jednoznačně překonaly všechny jiné stelarátory své třídy. A co bylo důležitější, dohonily či předhonily i podobně velké tokamaky. V obou zemích se tedy začalo uvažovat o větších projektech stejné třídy. Americký dostal název NCSX (National Compact Stellarator Experiment) a s jeho konstrukcí se začalo v roce 2004. Ale ohromná technická náročnost projektu a další okolnosti vedly k celé řadě problémů. „Jednoduše jsme hodně podcenili náklady i nutný čas,“ shrnul krátce problémy projektu pro časopis Science jeho vedoucí George Nielson. Obojí – tedy zdržení projektu i nárůst nákladů – nakonec v roce 2008 vedlo americké ministerstvo energetiky k zastavení celého projektu. V té chvíli bylo vyrobeno 80 % nutných dílů, ale zkompletování bylo v nedohlednu. Bez potíží to nejde? Projekt W7-X byl v době zrušení svého amerického protějšku už 14 let starý. Vládní podpory se mu dostalo už v roce 1994, byť s tou podmínkou, že bude stát v některé z východních zemí sjednoceného Německa. Na projektu pracovalo až 400 lidí, cena byla určena po přepočtu na 550 mil. euro a start byl naplánován na rok 2006. Ale i německý projekt narazil na potíže, které zastavily americký projekt – jde o zařízení na hraně dnešních technických a výrobních možností. Zařízení o hmotnosti kolem 425 tun se chladí tekutým heliem, musí být tedy naprosto těsné. Kvůli pevně danému tvaru je zároveň přístup velmi omezený a všechno musí sedět už napoprvé – původní 3D model musel být tedy naprosto dokonalý. Jak se dalo čekat, to se zcela nedařilo. Například třetina původně dodaných magnetů nesplňovala zadané parametry a musely se dodavatelům vrátit (jedna z těchto firem navíc zkrachovala). Také se ukázalo, že původní pevnostní výpočet byl špatný, a kdyby podle něj bylo zařízení postaveno, tak by se v provozu rozpadlo, takže některé klíčové komponenty se musely navrhovat znovu. Projekt měl doslova na kahánku. Získal si ovšem velkou podporu mezi úředníky německého ministerstva školství, kteří přesvědčili politiky o jeho smysluplnosti. Projekt nakonec dostal peníze navíc, s podmínkou, že rozpočet nesmí překročit 1,06 mld. euro a první plazma v něm musí začít obíhat v roce 2015. Stavba si vyžádala nakonec zhruba 1,1 mld. hodin a byla hotova v květnu 2014. Od té doby na zařízení běží „suché“ testy, které údajně potvrdily, že magnetická pole přesně splňují parametry předpovězené simulacemi. První částice by se do komory měly dostat během listopadu, ale do uzávěrky vydání nebyly oznámeny žádné podrobnosti. Odborníci na jadernou fúzi i její fanoušci na ně ovšem čekají s velkou netrpělivostí. Pokud totiž Wendelstein 7-X překoná dnešní tokamaky své třídy, bude to znamenat nejen úspěch „šíleného“ projektu, ale také se tím otevře celá řada nepříjemných otázek kolem výzkumu jaderné fúze jako takového. Třeba to, zda velmi výrazně zpožděný a stále dražší projekt rekordního tokamaku ITER za zhruba 15 mld. euro není vlastně slepou uličkou. Je sice pravda – a případ stelarátoru to dokazuje –, že ve výzkumu mohou slepé uličky vést časem k zajímavým výsledkům, ale zkuste to vysvětlit politikům a daňovým poplatníkům. To může být téměř stejně obtížný úkol jako snést Slunce na Zemi. JOSEF JANKŮ