Гиротрон — мощный высокочастотный микроволновый прибор, был изобретен в начале 1960-х годов в Советском Союзе. Это нечто среднее между лазером и микроволновкой, говорит Григорий Денисов, директор Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики Российской академии наук» (ИПФ РАН):
«Излучение гиротрона похоже на СВЧ-излучение, но также имеет оптические свойства, как лазерное. Его можно передавать на некоторое расстояние в виде узкого волнового пучка. Еще одно важное свойство источников электромагнитного излучения — длина волны. В лазере, например, длина волны — около микрона, в СВЧ-печи — десятки сантиметров. Гиротрон обеспечивает излучение с длиной волны около 1 мм. Прибор способен производить электромагнитное излучение большой мощности — несколько мегаваттов. Благодаря небольшой длине волны это излучение можно сфокусировать на небольшом объекте».
В международном термоядерном реакторе ИТЭР у гиротронов особая роль. Дейтерий-тритиевая плазма в токамаке должна быть нагрета до 300 млн °C, чтобы запустилась и поддерживалась термоядерная реакция. В ИТЭР будут применять несколько методов нагрева: ионно-циклотронный, пучком нейтронных атомов и электронно-циклотронный. Последний обеспечивается гиротронами.
«Излучение гиротронов поступает в плазму токамака в так называемых резонансных условиях — тогда, когда частота излучения совпадает с частотой вращения электронов в магнитном поле токамака. Оно начинает раскручивать и разгонять эти электроны, они греются, отдают энергию ионам и разогревают плазму, — рассказывает Григорий Денисов. — Кроме того, поток излучения гиротрона может быть сфокусирован на очень маленькой области, и таким образом плазма в токамаке может быть подогрета локально. Такого ни одна система, кроме системы электронно-циклотронного нагрева, обеспечить не может. Только гиротроны способны ликвидировать неустойчивость в плазме либо создавать токи нужной конфигурации».
Гиротрон обеспечивает электронно-циклотронный нагрев плазмы в термоядерном реакторе
В ИТЭР предусмотрены 24 гиротронные системы. «Это сложные комплексы: помимо самого гиротрона необходимы источники питания, системы охлаждения, защиты и управления», — отмечает Григорий Денисов. Россия поставит треть гиротронов для международного термоядерного реактора — восемь систем. Остальные заказы распределены между Европой, Японией и Индией. Кстати, именно российские приборы будут использованы для получения первой плазмы на экспериментальной установке.
Гиротрон изобрели в Научно-исследовательском радиофизическом институте, из которого в 1977 году вышел ИПФ.
«До 1970-х годов гиротроны были просто красивыми научными приборами, — рассказывает Григорий Денисов. — Затем в Курчатовском институте предложили нагревать плазму токамаков с помощью гиротронов, и это дало толчок развитию последних. Началась активная разработка гиротронов для токамаков». Сегодня в России гиротронный центр — Нижний Новгород. Институт прикладной физики РАН разрабатывает приборы, изготавливает их научно-производственное предприятие «Гиком».
В 1990-е началось проектирование ИТЭР. Для самого мощного в мире токамака потребовались гиротроны нового поколения. Необходимо было создать устройство с такими параметрами: мощность 1 МВт, частота 170 ГГц, коэффициент полезного действия 50 %, длительность импульса 1 тыс. с. Самым трудновыполнимым было требование по КПД: на тот момент лучшие образцы приборов и до 40 % не дотягивали.
В НИОКР по модернизации гиротронов участвовали Институт прикладной физики, Курчатовский институт, «Гиком», Российское агентство ИТЭР и компания «РТСофт», которая занимается системами управления.
«Когда работа над проектом ИТЭР была на начальной стадии, многие задачи казались неосуществимыми, — вспоминает Григорий Денисов. — Приведу пример: излучение внутри гиротрона рождается в вакууме, то есть гиротрон отделен от остального пространства так называемым вакуумным барьерным окном. Это диэлектрический диск порядка 100 мм в диаметре, через который излучение выходит наружу. Было совершенно непонятно, существует ли материал, который может пропустить излучение такой мощности. До проекта ИТЭР ответа на этот вопрос не было, но ИТЭР стимулировал поиск, и такой материал нашелся. Это искусственный поликристаллический алмаз. Он обладает уникальными свойствами: во‑первых, высокой теплопроводностью — в пять раз выше, чем у серебра, меди, золота. А значит, охлаждая диск по краю, можно делать его холодным целиком, несмотря на то что он нагревается в середине. Во-вторых, у алмазного диска маленькие потери энергии на этих частотах. В-третьих, этот материал достаточно прочный».
К началу 2010-х годов российские разработчики вышли на необходимые параметры, опередив всех конкурентов. КПД у отечественных гиротронов составляет 55 %, в то время как приборы конкурентов с трудом добрались до 50 %. Еще два преимущества перед конкурентами — простота конструкции и ее надежность.
Уже готовы четыре российских гиротрона из восьми.
«Но мы сделали не половину дела, а больше: по остальным комплексам уже идет активная работа, докупаются комплектующие, изготавливаются ключевые узлы, — подчеркнул руководитель Российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников. — Это позволит нам не только точно в срок выполнить свои поставки, но и подстраховать проект в целом — если кто-то из партнеров не будет успевать изготовить свою часть гиротронов, мы сможем взять этот заказ на себя».
В июне завершились приемочные испытания четвертого гиротронного комплекса. В этом году из-за пандемии коронавируса их впервые проводили дистанционно: представители Российского агентства ИТЭР и Международной организации ИТЭР следили за ними по видеотрансляции.
«Я считаю это хорошим примером того, как Международная организация ИТЭР и партнер, в данном случае Россия, вопреки эпидемии соблюдают график выполнения работ, — говорит Анатолий Красильников. — Возможно, и в дальнейшем будут применяться технологии удаленного участия и наблюдения — для повышения оперативности работ».
В гиротронный комплекс входят источники питания, системы охлаждения, защиты и управления
Поставки гиротронов на площадку сооружения международного термоядерного реактора начнутся в 2021 году: пока принимающая сторона не готова к подключению. «В соответствии с соглашением все гиротронные комплексы должны быть поставлены на площадку ИТЭР до 2024 года, — сообщил Григорий Денисов. — Параллельно будет проводиться наладка этих систем. Гиротроны — это сложные комплексы, которые управляются современными компьютерами и контроллерами и которые нужно интегрировать в еще более сложную систему управления токамаком».
ИТЭР открывает перед российскими создателями гиротронов большие перспективы. Конечно, гиротроны не кроссовки, мировая потребность в этих приборах измеряется десятками штук. Но и это хорошее подспорье для отечественных научных организаций.
Гиротроны по мощности делятся на два класса. Приборы мегаваттного класса нужны для термоядерных установок.
«Таких установок в мире десятки, российские гиротроны установлены по крайней мере на половине, — рассказывает Григорий Денисов. — С нами работают практически все, кто имеет такие установки: Япония, США, Китай, Корея, Индия, страны Европы. Много гиротронов мы поставили в Германию для исследований по термояду. В прошлом году в Курчатовском институте модернизировали токамак Т‑15, там семь гиротронных систем. Рынок ограничен, но контракты приносят нам существенные деньги — около 10 млн долларов в год».
Гиротроны мощностью 5–10 кВт востребованы, например, в спектроскопии. Для приборов в этой области частоты нужны очень высокие, и никакие источники не могут обеспечить такие параметры, кроме гиротронов.
«Также с помощью гиротронного излучения обеспечиваются некоторые технологические процессы, например спекание и обработка керамики. Только излучением можно нагреть керамику до 2 тыс. °C, — говорит Григорий Денисов. — Забавно, что с помощью гиротронов можно наладить производство тех самых алмазных дисков, о которых я рассказывал. У гиротронного метода изготовления есть несколько преимуществ: во‑первых, неограниченная мощность, во‑вторых — высокая частота, более плотная плазма и, соответственно, более высокая скорость роста алмазных дисков. Гиротроны используются и в медицине, когда необходимо сфокусировать излучение на маленьком объекте. На большинство этих методов у нас есть патенты».