На реакторе ИТЭР установили первые российские гиротроны

На площадке Международного термоядерного экспериментального реактора смонтированы три из восьми гиротронных комплексов российского производства. Занимались этим специалисты Института прикладной физики РАН, научно-производственного предприятия «Гиком» (Нижний Новгород) и Проектного центра ИТЭР «Росатома». Задача гиротронов — нагреть дейтерий-тритиевую плазму до 300 млн °C, чтобы запустить и поддерживать термоядерный синтез.

Физика процесса

Это уникальное устройство было изобретено в начале 1960-х годов в СССР. Излучение гиротрона похоже на СВЧ, но обладает и оптическими свойствами, как лазерное, и его можно передавать на расстояние в виде узкого волнового пучка. Еще одно важное свойство гиротрона — длина волны. У лазера она около микрона, у СВЧ — десятки сантиметров, у гиротрона — около миллиметра. Кроме того, гиротрон способен производить электромагнитное излучение большой мощности — несколько мегаваттов. Благодаря короткой волне его можно сфокусировать на небольшом объекте и разогреть объект до огромной температуры.

«Нужно понимать, что плазма в реакторе ИТЭР будет в 20 раз горячее, чем солнечное ядро. Нужны колоссальной сложности системы, чтобы достичь такой температуры, этого не делалось еще никогда. И помогать в этом будут наши комплексы с рекордными техническими характеристиками», — говорит директор Проектного центра ИТЭР Анатолий Красильников.

Способ применения

В ИТЭР используют несколько методов нагрева дейтерий-тритиевой плазмы: ионно-циклотронный (предварительный разогрев плазмы для запуска реакции термоядерного синтеза), пучком нейтронов (обеспечивает передачу энергии быстрых нейтральных частиц ионам плазмы) и электронно-циклотронный. Для последнего и нужны гиротроны. Их излучение поступает в плазму в резонансных условиях — когда частота излучения совпадает с частотой вращения электронов в магнитном поле. Излучение гиротрона раскручивает и разгоняет электроны, и они отдают энергию ионам.

Поток излучения гиротрона фокусируется на очень маленькой области — плазма в токамаке может быть подогрета не на всей площади, а локально. Никакая другая система обеспечить этого не может. Гиротроны способны ликвидировать неустойчивость в плазме, создавать токи нужной конфигурации.

В проекте ИТЭР заложены 24 системы электронно-циклотронного нагрева плазмы. Изготовить их элементы взялись в Европе (6 гиротронов, 12 высоковольтных источников питания, верхние вводы излучения), Индии (2 гиротрона, 4 высоковольтных источника питания), Японии (8 гиротронов), России (8 гиротронов, экваториальный ввод излучения) и США (линии передачи излучения). Получилось не у всех.

«Восемь российских гиротронов изготовлены, четыре поставлены во Францию, три смонтированы, — сообщает заведующий лабораторией Института прикладной физики РАН Андрей Фокин. — Япония изготовила и поставила восемь гиротронов. Два собраны, один проходит испытания. Европейский гиротрон ИТЭР пока не принял. Индия планирует поставить гиротроны российской разработки — просто закупить у нас».

Изменение срока и подхода к поставкам оборудования — следствие нового генерального плана строительства ИТЭР, принятого два года назад. Одна из главных новаций — отказ от бериллия как материала первой стенки в пользу вольфрама.

«По этой причине система электронно-циклотронного нагрева плазмы стала ключевой, — отмечает Андрей Фокин. — Общая мощность всех гиротронов была увеличена с 20 до 80 МВт. Институт прикладной физики РАН и «Гиком» уже работают над увеличением мощности отдельного гиротрона. Изменение проекта означает и то, что будут установлены дополнительные гиротронные комплексы. ИТЭР уже заказал в России и Японии еще по 20 гиротронов, контракты подписаны. Возможно, мы и японцы получим заказ еще на четыре комплекса, если другие участники проекта с задачей не справятся».

Ключевые характеристики

По требованиям ИТЭР, гиротроны должны работать на частоте 170 ГГц с выходной мощностью 1 МВт и длительностью импульса 1 тыс. секунд. КПД должен превышать 50 % (устройства 1970–1990-х годов едва дотягивали до 40 %). Быстрее всех вышли на заданные параметры наши разработчики. Конструкции японских и российских гиротронов не идентичны, но обладают нужными характеристиками и те, и другие. С высокой долей вероятности зажгут искусственное солнце именно они.

Следующий шаг — монтаж систем управления гиротронными комплексами. Ряд комплектующих в стойках управления — импортные (Siemens, Schneider Electric, Texas Instruments).

«Это связано с требованиями проекта, — поясняет Андрей Фокин. — Нужно, чтобы компонентная база была одинаковой. А вот сама система управления гиротроном, программное обеспечение для всех компонентов, сборка систем в шкафах — это наше».

Предварительный пуск

На монтаж первых гиротронов у российской команды из трех специалистов ушло шесть недель.

«В сентябре планируется вторая поездка, мои коллеги займутся подключением системы управления гиротронными комплексами. И я надеюсь, начнут физический пуск, проверку сигналов, — говорит Андрей Фокин. — Дальше поездки участятся, чтобы уложиться в расписание, собрать и запустить все наши комплексы в срок. Через некоторое время наши ученые и инженеры будут на площадке почти непрерывно».

Для российских физиков ИТЭР — проект важный, но промежуточный. Они работают на национальную термоядерную программу, токамак с реакторными технологиями. К гиротронным комплексам для него требования значительно выше. «Это уже токамак следующего поколения, — подчеркивает Андрей Фокин. — Гиротроны должны работать на частоте порядка 230 ГГц и с большим КПД. Институт прикладной физики РАН и «Гиком» разрабатывают промышленный вариант гиротрона. Короткоимпульсный прототип испытан, получена мегаваттная мощность в коротком импульсе 100 микросекунд. Постепенно переходим к полноимпульсному разряду — 1 тыс. секунд». Гиротроны с такими параметрами планируется выпустить к 2030 году.