A přece se točí aneb ve hře je vědecká zvědavost i značné peníze

Padesát let výzkumu řízené fúze lze při troše zjednodušení popsat jako snahu dosáhnout co nejlepší tepelné izolace horkého plazmatu. Klasik tento nikdy nekončící zápas přirovnal ke snaze transportovat puding v síťové tašce! Beze sporu vědci a technici dosáhli v izolaci plazmatu značných úspěchů, nicméně laboratoře hledají další a další způsoby jak situaci zlepšit. Ve hře není jen vědecká zvědavost, ale i značné peníze. Jedním ze způsobů jak prodloužit energii život v plazmatu je zvětšování jeho rozměrů. Polévka na lžíci vychladne rychleji než plný hrnec. Lepší termoizolace může zmenšit rozměry vakuové nádoby a tím i snížit náklady. Plazma je nejúspěšnějším experimentálním zařízením pro studium vysokoteplotního plazmatu – tokamaku – izolováno od stěn toroidální výbojové komory magnetickým polem. Cestu energie z magnetické nádoby – energetické ztráty – „usnadňují“ nejrůznější nestability plazmatu. Ukazuje se, že plazma je v magnetickém „polévkovém“ hrnci stabilnější, pokud jako celek rotuje kolem hlavní osy toroidální nádoby. Roztáčení plazmatu bylo dosud vedlejším efektem zejména ohřevu plazmatu pomocí vstřiku svazku neutrálních částic. Neutrálních proto, aby pronikly izolujícím magnetickým polem, tentokráte z vnějšku do plazmatu. V centrální oblasti plazmatu částice svazku jsou částicemi svazku ionizovány a svoji energii srážkami předávají částicím plazmatu – plazma zahřívají. Svazek plazmatu předával nejen energii, ale i silový moment a při vhodném úhlu vstřiku dokáže svazek plazma jako celek roztočit. S tímto způsobem ohřevu a roztáčení plazmatu se počítá i na mezinárodním tokamaku ITER, který sedm států staví v jihofrancouzském Cadarache. Plazma tokamaku ITER bude ale objemné, a svazky ho proto nejspíš moc neroztočí, přestože by si to fyzikové přáli. Na sklonku minulého roku se objevila zpráva, že týmu studujícímu plazma středně velikého tokamaku Alcator C-mod se podařilo plazma roztočit pomocí vysokofrekvenčního pole. Tokamak Alcator provozuje světoznámý Massachusettský technologický institut (MIT), což je historický název pro univerzitu typu ČVUT, kde působili i proslulý R. Feynman, N. Wiener či H. Bethe. Aby nebylo vše tak jednoduché, tak energie a moment se plazmatu účinněji předávájí prostřednictvím tak zvaných minorit než přímo „hlavním“, nejvíce zastoupeným částicím plazmatu. Minority jsou několikaprocentní vhodně zvolené příměsi. V Alcatoru bylo hlavní plazma deuteriové a minoritami bylo 4 % vodíku, tedy protonů a 10 % izotopu helia 3He. Zatímco s protony interagovalo pole s frekvencí 80 megahertzů, s heliem to bylo vf pole s frekvencí 50 megahertzů. Úmyslně jsem použil slovo interagovat a ne roztáčet, neboť vf pole plazma také via minority ohřívalo. Pro představu – v toroidálním směru při jednom megawattu (MW) výkonu vf pole dosahovalo plazma v MIT rychlosti rotace až 30 km/s. Odhadnutá rychlost rotace plazmatu vyvolaná v ITER vstřikem svazků neutrálních částic bude do 2,5 km/s MW. Co se týče ohřevu, využívá se tak zvaný ICRH – ohřev pomocí vf pole o frekvencích rezonujících s cyklotronními frekvencemi v plazmatu. Cyklotronní frekvencí, která je úměrná součinu náboje a magnetického pole a nepřímo úměrná hmotnosti iontu, rotují příslušné ionty kolem siločar magnetického pole. Vzhledem k tomu, že poměr hmotností protonů a deuteronů resp jader helia 3He a tritonů, jinými slovy poměr majorit D-T a minorit H-3He, je právě dvojka, bylo by principiálně možné na ITER použít zdroje vf polí připravených pro deuterony a tritony i pro minority protony a jádra helia 3He. „Stačilo“ by snížit magnetické pole na polovinu. „Je to velmi zajímavé samo o sobě“, říká o objevu Američanů Wayne Houlberg, vedoucí skupiny integrovaného modelování v ITER Organization. „Mohlo by to být zajímavé i pro roztáčení plazmatu v ITER, které je, jak víme, je nesmírně důležité pro transport a stabilitu plazmatu. Nicméně, výsledky jsou velmi čerstvé a zatím teoreticky nepodložené – jejich možnost použití pro podmínky D-T plazmatu v ITER, budeme muset vyhodnotit.“ Ing. Milan Řípa, CSc. (Autor děkuje kolegovi RNDr. J. Mlynářovi, Ph.D. za cenné připomínky.)