ИТЭР: Радиочастотный нагрев плазмы, часть вторая.
Как я уже написал в первой части, кроме ионного циклотронного резонанса для подогрева плазмы используется еще и электронный. Причина этого - то, что энергия ЭЦР поглощается очень локально, рождая "струйки тока" в плазменном бублике. Т.е. с помощью ЭЦР можно легко управлять поведением плазмы, подавлять нестабильности. Посмотрим на эту систему подробнее.
Рис. 1. Расчет плотности микроволновой энергии в многомодовом волноводе.
Тут надо сказать, что отдельный грааль всех систем подогрева, но особенно ЭЦР - это неиндуктивное поддержание тока плазмы. Речь идет о том, что в сегодняшних токамаках ток в плазме возникает при изменении тока в центральном соленоиде - т.е. о неком подобии трансформатора. Этот ток в плазменом шнуре - необходимый элемент конфаймента плазмы.
Поскольку трансформаторы работают только на переменном токе, а менять направление движения плазмы в токомаке нельзя (точнее нельзя допустить обнуления тока), то получается, что поддерживать систему в работе можно только пока центральный соленоид перезаряжается от максимально положительного состояния до максимально отрицательного. Этот, т.н. индуктивный режим в случае ITER будет продолжаться 400...1000 секунд в зависимости от интенсивности перекидывания центрального соленоида. При этом ток плазмы будет от 7 до 15 мегаампер. Разумеется, есть большое желание перейти в режим, когда ток плазмы поддерживается системами нагрева. Например, для ITER попробуют до 40% тока плазмы создавать с помощью ICRH и ECRH. В перспективе - в реакторахных проектах DEMO и PROTO есть желание сделать режим работы полностью не индуктивным, что позволит перейти от импульсной работы к постоянной. Кстати, одно из преимуществ стеллаторов - как раз изначальное отсутсвие тока плазменого шнура как части конфаймента и возможность работы в постоянном режиме.
Теперь вернемся к системе ECRH ИТЭР. Как и ICRH она расположена в здании радиочастотного нагрева, занимая другую его треть (а еще треть оставлена для перспективного апгрейда ITER).
Рис2. Здание радиочастоного нагрева сниза, ECRH - слева. В центре врезка с тем же зданием, вид сбоку.
Как и в ICRH генераторами РЧ-энергии являются радиолампы, правда в этот раз весьма экзотические, называемые гиротронами.
Рис3. Гиротрон, внешний вид.
Принцип их работы их работы обратен принципу нагрева - разогнанные в электронной пушке (внизу) и вращающиеся в сильном магнитном поле электроны формируются в сгустки затравочным ЭМ-полем, и затем резонируют с ним, передавая ему энергию. Затравочное поле весьма невелико и поэтому коэффициент усиления гиротрона составляет порядка 35 дБ, т.е. нет необходимости в мощных предусилительных каскадах. Правда точная частота зависит от многих входящих, т.е. настройка такой лампы на нужную частоту не так проста, как у триода. После этого пучок электронов расфокусируется и падает на коллектор, а излучение выводится в бок.
Рис 4. Гиротрон, внутреннее содержание.
В т.ч. требуется сверхпроводникового магнита с полем в 6 Тесла, нескольких высоковольтных источников питания. Кпд лампы 52-55%. Высокая частота генерируемого излучения имеет как свои преимущества - при длинне волны в 1.7 мм излучением легко управлять оптическими методами, так и недостатки - типа необходимости разработки алмазных окон для вывода излучения, поиска новых материалов для покрытий внутри лампы, а главное - практически полное отсутсвие готовых полупроводниковых приборов для работы на такой частоте (да и лабораторных тоже), что заставляет вести весьма обширные исследовательские и конструкторские работы. Для ИТЭР параметры существующих гиротронов пришлось поднимать в 2 раза по мощности и в 4 раза по длительности работы. По разным причинам разработку гиротронов повели аж 3 разных агенства - Европейское, Японское и Российское. Каждый участник потратил порядка 10 лет и много денег, зато теперь у нас есть мегаваттные предсерийные устройства аж от трех производителей (Thales, Toshiba и Гиком). Каждый из участников поставит по 8 гиротронов, а систему питания изготовят европейцы. 24 гиротрона будут расположены в верхнем зале здания радиочастотного нагрева в специальных гнездах, а под ними источники питания.
Рис. 5. Прототип мегаваттного гиротрона ЗАО Гиком на стенде
В силу особенностей высокочастотного излучения, его с одной стороны можно передать по небольшому волноводу (для 40 мегагерц минимальный волновод имел бы сечение 3.5х3.5 метра), а в волноводах нет проблемы с электрическими характеристиками среды между проводниками, как в коаксиальных кабелях, а с другой стороны при таких мощностях в любом газе возникали бы пробои от радиоизлучения. Поэтому линии передачи мощности ECRH - относительно небольшие вакуумированные волноводы. Зато их много. К сожалению, большая площадь и частота в 170 ггц периметра волноводов приводит к заметным потерям и из 24 генерируемых мегаватт до плазмы доберется только 20. Эту систему изготавливает ITER USA.
Рис. 6. "Канализация" ECRH.
Ровно так же, как и у ICRH здесь будут стоять согласующие устройтва, устройства маршрутизации энергии и т.п. Только в отличии от индуктивных-емкостных связываний на частоте 40 мегагерц, здесь в основном используются оптические методы и системы выглядят соотвествующе.
Рис. 7. Системы объединения и переключения пучков
Как я уже говорил, одним из главных предназначений ECRH является управляемое энерговыделения в плазме. Для этого будут использоваться излучатели и электрически управляемым направление луча - что-то типа радаров с фазированной антенной решеткой по принципу действия. Несколько верхних портов и один центральный будут формировать систему узких лучей, которые будут подогревать плазму в нужных сечениях. В силу такой организации этого процесса ECRH будет одной из самых скоростных систем управления плазмой.
Рис. 8. Экваториальная антенна ITER с управляемыми пучками микроволновой энергии (слева), и ее прототип выполненный Японским агенством.
Антенны и согласующие модули, опять же разрабатываются и конструируются Европой и Японией. Как я уже говорил, в силу малой длины волны такие системы слегка проще и гибче, с другой стороны в отработке приходится мучатся с тем, что даже обычный резистор на такой частоте будет чем угодно, но не резистором.
Рис. 9.
Кстати, если вы посмотрите на план здания радиочастотного нагрева (рис 9) и пересчитаете гиротроны, то насчитаете не 24, а 28 штук. Связано это с тем, что кроме основной системы в уголке пристроилась еще и стартовая ECRH - 3 мегаватта мощности на частоте 120 гигагерц производства Индии. С запуска этих гиротронов начинается нагрев плазмы - их задача возбудить разряд в плазму (вообще довольно интересно представить… 100 мг газа и 3 мегаватта микроволновки :)) и ионизировать все 1000 кубометров газа. Для этого они включаются на 10 секунд, одновременно происходит резкое изменение магнитного поля, которое формирует кольцевой ток нужной направленности. Эти гиротроны изготавливает Индия, и хотя сделать такой прибор, работающий 10 секунд - задача на порядок проще, чем сделать его с возможностью работы в 1000 и более секунд (время работы основной системы нагрева), все равно идея доверить эту разработку стране, не сделавшей ни одного подобного изделия в своей истории у меня вызывает стойкое удивление.
Если говорить о современном статусе систем ECRH и ICRH, то можно констатировать, что они постепенно завершают стадию НИОКР, когда проектные параметры подтверждаются испытаниями прототипов, проходят поэлементно Final Design Review'ы (отечественный аналог - защита технического проекта и выпуск рабочей КД), так например в фервале успешно прошел FDR японский гиротрон, а в марте такая же процедура ждет гиротроны Гиком и французов. Испытываются блоки питания, завершаются НИИОКР линий передач и антенн - в общем уже в следующем году готовые элементы систем радиочастотного нагрева начнут поступать ... на склады, т.к. мы знаем, что здания в которых ECRH и ICRH протянутся либо только строятся, либо, как само здание радиочастотного нагрева еще только в проекте. Зато на площадке ITER строятся 4 новых больших склада - удивительно дело, когда промышленность, разрабатывающая самые сложные и передовые железяки опережает на пару лет горе строителей.