 |
|
Гиротроны для управляемого термоядерного синтеза (УТС)
 |
|
|
|
Современные мощные гиротроны для термоядерных исследований способны генерировать излучение мощностью до 1 МВт с КПД 40–50% на частотах 30–170 ГГц в квазинепрерывных режимах с длительностями импульсов до тысячи секунд. Эти уникальные параметры достигаются за счет взаимодействия мощного потока электронов, движущегося по винтовыми траекториям в сильном магнитном поле, с высокочастотными полями сверхразмерных цилиндрических резонаторов на частотах, близких к циклотронной частоте электронов. Рабочей модой в гиротроне является одна из мод типа ТЕ mn. В настоящее время используются рабочие моды с высокими значениями азимутальных индексов (m = 25-31) и радиальных индексов (n = 10-17). Наиболее мощные гиротроны оснащены системами рекуперации остаточной энергии электронного пучка, высокоэффективными встроенными квазиоптическими преобразователями рабочей моды в параксиальный волновой пучок и выходными окнами на основе дисков из искусственного алмаза. Вследствие исключительно высокой теплопроводности и очень малых диэлектрических потерь алмазные окна гиротронов способны пропускать СВЧ-излучение с мощностью более 1 МВт в непрерывном режиме.
Прогресс в разработке численных методов анализа и синтеза многомодовых электродинамических систем позволил в последние годы довести эффективность преобразования рабочих мод высших типов в гауссовы волновые пучки до очень высоких значений 95–97%, что необходимо для работы прибора с большой непрерывной мощностью. Использование в гиротронах коллекторов с рекуперацией не просто повышает КПД до уровня 50% и более, но и существенно упрощает реализацию источников питания и системы охлаждения коллекторов.
| |
|
| |
 |
| |
|
Работы, направленные на дальнейшее повышение мощности и эффективности гиротронов, продолжаются, и в экспериментах уже продемонстрированы принципиальные возможности получения с помощью гиротронов еще большей мощности (до 1,5-2 МВт) и более высокого КПД (до 60%). Другим важным направлением в развитии гиротронов для УТС является исследование и разработка мегаваттных приборов с возможностью ступенчатой перестройки частоты. Использование таких гиротронов в плазменных установках УТС могло бы повысить эффективность систем электронно-циклотронных волн и упростить антенные системы установок.
Гирорезонансные приборы разрабатываются фирмой ГИКОМ в тесном взаимодействии с ИПФ РАН, в котором были проведены первые теоретические и экспериментальные исследования этих приборы. Кооперация ИПФ/ГИКОМ позволяет в конкурентной борьбе выигрывать международные тендеры с такими известными фирмами, как Toshiba (Япония), CPI (США), Thales (Франция). В результате на установки типа «токамак» и «стелларатор» ведущих термоядерных лабораторий мира было поставлено более 60-ти российских гиротронов. Их применение позволило получить ряд принципиальных научных результатов, среди которых, в частности, подавление неустойчивостей в плазме (токамак ASDEX-Up, Германия, см. рис. 1 и 2) и поддержание разряда в течение часа (стелларатор LHD, Япония).
Недавно фирма ГИКОМ совместно с ИПФ РАН в рамках международного проекта ITER разработала гиротрон с параметрами 170ГГц/1МВт/50%/1000с (см. рис. 3 и 4).
Перечень гиротронов, поставленных компанией ГИКОМ с 1992 года на установки заказчиков
Название и место расположения установки |
Рабочие параметры гиротронов |
Год поставки |
Кол-во гиротронов |
Т-10, ИФТ НИЦ «КИ», Россия |
140 ГГц, 500 кВт, 0,5 с |
1995-1998 |
4 |
129 ГГц, 700 кВт, 0,5 с |
2000 |
2 |
140 ГГц, 750 кВт, 0,5 с |
2006 |
1 |
140 ГГц, 1000 кВт, 10 с |
2007 |
2 |
| Т-15МД, ИФТ НИЦ «КИ», Россия |
82,6 ГГц, 1000 кВт, 30 с |
2019 |
1 |
L-2M, ИОФ РАН, Россия |
75 ГГц, 800 кВт, 0,1 с |
2006 |
1 |
72/75/78 ГГц, 800 кВт, 0,1 с |
2007 |
1 |
W-7AS, IPP, Германия |
140 ГГц, 800 кВт, 0,5 с |
1993 |
1 |
140 ГГц, 500 кВт, 3 с |
1994-1997 |
3 |
140 ГГц, 800 кВт, 1 с |
1997 |
1 |
ASDEX, IPP, Германия |
140 ГГц, 500/700 кВт, 2/1 с |
1996-1999 |
4 |
140/105 ГГц, 1000/800 кВт, 10 с |
2006-2018 |
8 |
| TEXTOR, Германия |
140 ГГц, 800 кВт, 10 с |
2003 |
1 |
TJ-II(U), CIEMAT, Испания |
28 ГГц, 400 кВт, 0,1 с |
1993 |
1 |
53,2 ГГц, 400 кВт, 0,3 с |
1998 |
2 |
28 ГГц, 500 кВт, 0,3 с |
2009 |
1 |
FTU, ENEA, Италия |
140 ГГц, 500 кВт, 0,5 с |
1993-1995 |
5 |
TCV, SPC (CRPP), Швейцария |
82,6 ГГц, 500 кВт, 2 с |
1995-1998 |
7 |
| 82,6 ГГц, 750 кВт, 2 с |
2015-2016 |
2 |
| F4E, Швейцария |
170 ГГц, 1000 кВт, 1000 с |
2018 |
1 |
D-III D, GA, США |
110 ГГц, 1000 кВт, 2 с |
1995-1997 |
3 |
TdeV, Канада |
110 ГГц, 400/800 кВт, 5/2 с |
1998-2000 |
2 |
CHS, NIFS, Япония |
53,2 ГГц, 400 кВт, 0,1 с |
1993 |
1 |
106 ГГц, 500 кВт, 0,1 с |
1995 |
1 |
54,5 ГГц, 500 кВт, 0,1 с |
2005 |
1 |
Heliotron-E, Kyoto Univ., Япония |
106 ГГц, 500 кВт, 0,1 с |
1996 |
1 |
70 ГГц, 500 кВт, 0,1 с |
2001 |
1 |
| 70 ГГц, 500 кВт, 0.5 с |
2013 |
1 |
TRIAM-1M, Kyushi Univ., Япония |
170 ГГц, 250 кВт, 5 с |
2000 |
1 |
LHD, NIFS, Япония |
86,2 ГГц, 500 кВт, 2 с |
1999-2002 |
4 |
84 ГГц, 800 кВт, 3 с |
2002-2003 |
3 |
84 ГГц, 200/500 кВт, CW/10 с |
2003 |
1 |
| 56 ГГц, 400 кВт, 1 с |
2019 |
1 |
FOM, Нидерланды |
110 ГГц, 500 кВт, 0.2 с |
1994 |
1 |
SST-1, IPR, Индия |
82,6 ГГц, 200 кВт, CW |
2004 |
1 |
| 42 ГГц, 500 кВт, 0.5 с |
2012-2021 |
2 |
HL-2A, SWIP, Китай |
68 ГГц, 500 кВт, 1,5 с |
2005-2008 |
6 |
| 140 ГГц, 1000 кВт, 3 с |
2012 |
2 |
| 105 ГГц, 1000 кВт, 3 с |
2015-2017 |
5 |
SWUST, Китай |
83 ГГц, 100 кВт, 10 с |
2011 |
1 |
| EAST, ASIPP, Китай |
140 ГГц, 1000 кВт, 1000 с |
2014-2018 |
2 |
| 140 ГГц, 700 кВт, 3000 с |
2019 |
1 |
| J-TEXT, HUST, Китай |
105 ГГц, 500 кВт, 1 с |
2019 |
1 |
| Qingdao Blue Water quantum technology development company ltd., Китай |
140 ГГц, 1000 кВт, 1 с |
2019 |
1 |
| KSTAR, NFRI, Корея |
140/105 ГГц, 950/800 кВт, 300 с |
2015-2019 |
3 |
| IN2P3, Франция |
60 ГГц, 300 кВт, 0.1 с |
2012 |
1 |
ITER, Франция |
170 ГГц, 1000 кВт, 1000 с |
Планируется
2016-2023 |
8 (уже сдано заказчику 5) |
|
