Fyzika plazmatu a termojaderná fúze

V současné době jsou pokládány za realistické dvě cesty k řízenému slučování – magnetické a inerciální udržení plazmatu. V rámci magnetického udržení je nepopiratelně nejperspektivnější zařízení tokamak, ve směru inerciálního udržení laserová fúze. Tokamak se intenzivně studuje již od padesátých let minulého století. Na prvních konferencích týkajících se této problematiky se optimisticky předpokládalo, že první fúzní reaktor se objeví v horizontu dvaceti let, u inerciální fúze také.

Brzy se však ukázalo, že tento termín byl až příliš optimistický. Důvod pro to byl neobyčejně prostý: Počáteční znalosti fyziky plazmatu byly nedostatečné. Neúspěšné experimentální studie vedly k poznání, že se plazmatu v podstatě nerozumělo. Proto se ustoupilo od riskantních nákladných experimentů, jejichž výsledky by mohly být spíše negativní a zvětšovaly by jen komplikace dalšího financování.

V současnosti se předpokládá, že po fyzikální stránce se už nevyskytnou žádné nepřekonatelné potíže pro konstrukci tokamaku- reaktoru. Tím spíše se pozornost obrací k technologiím, zejména k materiálovým problémům první stěny, ohraničující horké plazma. Zvláště neutronové toky na stěnu reaktoru mohou poškodit první stěnu tokamaku. Doposud neexistoval žádný experiment, který by tuto otázku řešil. Už se však budují simulační experimenty, které by na ni mohly nalézt odpověď.

Odhaduje se, že jen v Evropě na výzkumech termonukleárního plazmatu v tokamaku pracuje asi dva tisíce vědců. Lze říci, že se tato komunita vlastně upsala tokamaku. Dosud není totiž stoprocentně jisté, zda se tento pokus podaří dovést do úspěšného konce. Jak ukázaly předchozí studie, chování plazmatu je často nevyzpytatelné a zcela pravidelně každá generace tokamaků přinesla nové problémy. Avšak to, že se dosud vždy všechny komplikace podařilo vyřešit, dává pevnou naději na happy end tohoto velkolepého úsilí.

Pokud by snahy o termonukleární reaktor selhaly, ukazoval by se tokamak jen v technických muzeích. Dosavadní znalosti plazmatu v tokamacích a technologie první stěny tokamaku by však stačily na konstrukci hybridních reaktorů, kde by neutronové toky už mohly být tak intenzivní, že by bylo možno efektivně měnit U238 na plutonium Pu239. To pak může být použito jako palivo v běžných reaktorech.

Inerciální fúze je na tom v tomto ohledu lépe, protože hlavním hnacím motorem je výzkum velkých laserů, a ty naleznou uplatnění i jinde. Zřejmě i kvůli tomu byl v USA upřednostněn výzkum inerciální fúze.

V roce 1983 byly ukončeny studie prvního modelu – INTORu. Ten však nedával velkou naději na realizaci právě proto, že projekt byl navrhován podle tehdejších znalostí možností udržení plazmatu v tokamaku. Na základě těchto znalostí by rozměry reaktoru byly mnohem větší než nyní navrhovaný ITER. Popudem pro novou aktivitu v tomto směru byly experimentální výsledky na tokamaku ASDEX v roce 1982, anticipující podstatně delší dobu udržení plazmatu. Na jejich základě byl navržen již podstatně menší testovací reaktor ITER, a tudíž realizovatelnější. I ten však už byl v průběhu posledních let několikrát novelizován.

S těmito rychlými změnami mají problém i učebnice plazmatu: každá solidní učebnice fyziky plazmatu, zahrnující i otázku termonukleární fúze, vyžaduje několikaletou přípravu, která je ještě prodloužena o nezbytnou dobu pro ediční práce. To si pak vynucuje častou novelizaci.

Klasickým příkladem zde může být učebnice F. F. Chena: Úvod do fyziky plazmatu, která už vyšla ve třech vydáních a vždy novelizuje jak stav fyziky plazmatu jako takové, tak i stručný přehled plazmatických zařízení. Pro širší čtenářskou obec přístupnější verzi představuje recenzovaná kniha. Pod stejným názvem se objevily už v roce 2004 a 2005 první publikace téhož autorského kolektivu a už jejich srovnání svědčí o rychlém rozvoji oboru.

V historické části knihy je zmíněna propojenost myšlenky řízeného termonukleárního slučování s „úspěšnými“ realizacemi neřízeného slučování ve vodíkové pumě a je popsán začátek celosvětové spolupráce, založené na experimentech, počínaje Kurčatovovým vystoupením na anglickém jaderném pracovišti v Harwellu v roce 1956. Podrobně popisuje ruskou iniciativu představovanou návrhem tokamaku i rozvojem mezinárodní spolupráce v tomto směru, která byla vzhledem k období studené války překvapivě otevřená.

Přístupnou formou jsou popsány oba systémy – jak magnetického udržení (hlavně tokamaku), tak laserového plazmatu. Bylo by možná zajímavé zdůraznit, jak jednoduchý nápad umožnil udržení částic v toroidu a jak idea generace toroidálního proudu v tokamaku současně umožňovala i ohřev plazmatu. Stálo by za to názorně ukázat, jak principiálně obtížné je vytvoření stabilního plazmatu (např. popisem žlábkové nestability, která se vyskytuje nejen v plazmatu tokamaku, ale i v laserové fúzi při ozařování terčíku).

Autoři komentují výsledky studia plazmatu na velkých i středních tokamacích. Protože vedle konstrukce tokamaků i laserových zařízení je neobyčejně důležitá diagnostika plazmatu (pro tyto systémy ad hoc navržená), je podán stručný přehled diagnostický metod. Hlavní problém spočívá v realizaci první stěny, ohraničující horké plazma. Její konstrukce a komplikace s ní spojené nakonec rozhodnou o realizaci navržených systémů v energetické síti. I té je věnována celá kapitola.

Velmi vhodně je kniha doplněna výkladovým slovníkem základních termínů, vyskytujících se ve fúzi i v základní literatuře oboru. (K ještě rychlejší orientaci by přispělo, kdyby u těchto termínů byla uvedena stránka, na které byly poprvé zmíněny.)

Pro čtenáře, který se s plazmatem ještě nesetkal, představuje kniha první dostatečné seznámení s tímto tématem, s problémem termonukleární fúze i se základními funkcemi tokamaku. Pro už pokročilejší pak podává solidní výklad problematiky konstrukce i provozu tokamaku, včetně popisu v současnosti nejdůležitějších pracujících tokamaků a stavby testovacího termonukleárního reaktoru ITER. Kniha tím zároveň informuje o aktivitě evropských laboratoří v rámci Evropské unie a Evropské fyzikální společnosti. Bude velmi dobrým vstupem pro studenty, kteří se o tento obor zajímají, a důležitým pomocníkem pro ty, kteří se zabývají popularizací nových směrů ve fyzice i energetice.

Souhrnně lze říci, že kniha Řízená termojaderná fúze pro každého představuje – i přes poměrně malý rozsah – nejvěrohodnější dostupné znalosti o dosavadním stavu výzkumu řízeného slučování a lze ji vřele doporučit všem, kteří mají o tento obor zájem.

Protože jde o obor, který může v horizontu třiceti až padesáti let do základů změnit globální koncepci světové energetiky, a tím i světovou ekonomiku, je důležité, aby veřejnost i příslušné státní orgány měly možnost se o těchto trendech informovat.

Plazmatikům zabývajícím se termonukleární fúzí lze jen popřát, aby další z této série knih už mohla podat optimistickou zprávu o chování plazmatu v ITER.