Гиротронные комплексы - разработка и применение
 
   
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).
В настоящее время фирма ГИКОМ совместно с ИПФ РАН в рамках международного проекта ITER разрабатывает гиротрон с параметрами 170ГГц/1МВт/50%/1000с (см. рис. 3 и 4).

 

Рис. 3. Внешний вид гиротрона для ITER

 

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

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

2006-2016

6

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

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

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 1

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 2015-2016 4

SWUST, Китай

83 ГГц, 100 кВт, 10 с

2011

1

EAST, ASIPP, Китай 140 ГГц, 1000 кВт, 1000 с 2014-2016 2
KSTAR, NFRI, Корея 140/105 ГГц, 950/800 кВт, 300 с 2015 1
IN2P3, Франция 60 ГГц, 300 кВт, 0.1 с 2012 1

ITER, Франция

170 ГГц, 1000 кВт, 1000 с

Планируется
2018-2025

8