Гиротроны для УТС

Важным направлением разработки гиротронов является участие ИПФ совместно с НПП «ГИКОМ» в проекте международного термоядерного реактора ИТЭР, для которого на современном этапе требуются гиротроны с частотой излучения 170 ГГц и выходной мощностью 1 МВт в очень длинных импульсах, порядка 1000 с. Предполагается, что Россия поставит 30% гиротронов для электронно-циклотронной системы установки: восемь гиротронных комплексов, каждый из которых состоит из гиротрона, сверхпроводящего магнита, согласующей СВЧ-оптики, вспомогательных источников питания, магнитных катушек и блока управления.

Разработка гиротронов для ИТЭР ведется под руководством А. Г. Литвака и Г. Г. Денисова. Необходимые для ИТЭР параметры гиротронов продемонстрированы кооперацией ИПФ – ГИКОМ – Курчатовский институт в 2010–2011 годах в экспериментах с промышленными прототипами. В реализованном гиротроне используется высокая мода TE_25.10.1 сверхразмерного резонатора, что позволяет обеспечить охлаждение стенок резонатора в режиме непрерывной генерации мегаваттной мощности. Подбор параметров пучка и сценарий включения напряжения обеспечивают одномодовую и одночастотную генерацию прибора с высоким КПД в условиях многомодовой конкуренции. С помощью синтезированного трехмерного преобразователя рабочая мода преобразуется с эффективностью 96–97% в гауссов волновой пучок с линейной поляризацией. Гиротрон оснащен системой рекуперации остаточной энергии электронного пучка, что обеспечивает полный КПД прибора 52–54% и приемлемую нагрузку на коллектор. Барьерное окно гиротрона выполнено из искусственного алмазного диска, отличающегося очень высокой теплопроводностью и малыми микроволновыми потерями. В ИПФ и ГИКОМе освоены ключевые технологии изготовления таких дисков.

Основные испытания гиротрона для ИТЭР проводятся на стенде РНЦ «Курчатовский институт». Стенд оснащен вакуумной линией передачи и нагрузкой для СВЧ-излучения. Гиротрон испытан как в заливном российском криомагните, так и в «сухом» (без жидкого гелия) магните производства США. В испытаниях образца непрерывного гиротрона с частотой 170 ГГц для ИТЭР продемонстрированы мощность 1,05 МВт в импульсах длительностью до 500 с и 0,9 МВт в импульсах длительностью до 1000 с.

Повышение мощности единичного гиротрона может значительно упростить решение ряда технических проблем и снизить стоимость комплекса ЭЦР-нагрева за счет уменьшения количества модулей, включающих гиротроны, криомагниты, системы питания, охлаждения и линии передачи высокочастотного излучения. В 2011 году в результате оптимизации электронно-оптической и электродинамической систем гиротрона была получена генерация с мощностью 1,2 МВт при КПД 52% в импульсах с длительностью до 10 с. В ИПФ обоснованы возможности и определены пути создания сверхмощного (1,5–2 МВт) непрерывного гиротрона в диапазоне 170 ГГц. Для реализации такого генератора выбрана рабочая мода цилиндрического резонатора ТЕ_28.12.1 (диаметр резонатора превышает длину волны почти в 30 раз), взаимодействующая с электронным пучком при значениях напряжений 90–100 кВ и токов 50–60 А. В экспериментах с короткоимпульсным (100 мкс) макетом гиротрона обеспечена устойчивая одномодовая генерация рабочей моды, достигнуты рекордные уровни выходной мощности – 2,1 МВт при токе пучка 60 А и эффективности 34% (без системы рекуперации).

Существенно расширяются возможности использования системы ЭЦ-нагрева как для поиска наиболее эффективных сценариев работы крупных установок, так и для поддержания оптимальных режимов, если обеспечить работу нескольких групп гиротронов на разных частотах, отличающихся на десятки гигагерц. Важным направлением в развитии гиротронов для УТС является исследование и разработка мегаваттных приборов с возможностью ступенчатой перестройки частоты излучения. В гиротронах такая перестройка достигается возбуждением различных мод резонатора при изменении основного магнитного поля прибора. Однако для сохранения высоких выходных характеристик на всех рабочих частотах необходимо создать условия для эффективного и селективного взаимодействия электронного потока с несколькими выбранными резонаторными модами, обеспечить эффективное преобразование всех возбуждаемых мод в выходные волновые пучки с приемлемыми параметрами и вывод этих пучков через выходное окно с малыми потерями.

В ИПФ разработан, изготовлен и испытан гиротрон мегаваттного уровня выходной мощности со ступенчатой перестройкой частоты в диапазоне 100–150 ГГц. Вывод излучения осуществляется в виде узконаправленных линейно поляризованных волновых пучков с высоким содержанием гауссовой компоненты, эти пучки пропускаются через алмазное выходное окно под углом Брюстера.

Для формирования волновых пучков с требуемыми параметрами на всех частотах в выходном тракте используются высокоэффективный квазиоптический преобразователь с синтезированной формой боковой поверхности и система синтезированных корректирующих зеркал. В короткоимпульсных экспериментах мегаваттный уровень выходной мощности был получен на шести раздельно возбуждаемых рабочих модах, для которых измеренные дифракционные потери имели допустимую (единицы процентов) величину, а содержание гауссовой компоненты в выходном пучке составляло 97–98%.

При разработке гиротронов кооперации ИПФ – ГИКОМ приходится конкурировать в международных тендерах с такими известными фирмами, как Toshiba (Япония), CPI (США), Thales (Франция). НПП «ГИКОМ», производитель совместно разработанных гиротронов, выиграл многие конкурсы на их поставку, большинство современных установок типа токамак и стелларатор ведущих термоядерных лабораторий мира оснащены российскими гиротронами. Их применение позволило получить ряд важных результатов: например, подавление неустойчивостей в плазме (токамак ASDEX-Up, Германия), поддержание разряда в течение часа (стелларатор LHD, Япония).