Микроволны для ИТЭР
ТЕХНОЛОГИИ / #4_2020
Беседовала Надежда ФЕТИСОВА / Фото: ИПФ РАН, Росатом
В начале июня в Нижнем Новгороде успешно завершились заводские испытания четвертого гиротронного комплекса для Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Директор Федерального исследовательского центра Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Григорий Денисов рассказывает о том, как устроены уникальные источники мощного микроволнового излучения — гиротроны, зачем они нужны в проекте ИТЭР и в каких еще областях применяются.
Григорий Геннадьевич, расскажите, пожалуйста, о том, что такое гиротрон, как он устроен и какие функции выполняет.
Гиротрон — это мощный, очень высокочастотный микроволновый прибор. Он был изобретен в начале 1960-х годов. Тогда же проводились первые эксперименты, которые показали большую перспективность этого прибора.
Существуют разные источники электромагнитного излучения. Например, лазеры — в основном, это оптические источники излучения. Также все хорошо представляют себе СВЧ‑технику — почти у каждого на кухне есть микроволновая печь, которая испускает электромагнитное излучение, но с очень низкой частотой. Гиротрон занимает среднее положение по частотам электромагнитного излучения между СВЧ и оптикой и обладает свойствами того и другого. Излучение гиротрона похоже на СВЧ‑излучение, но также имеет оптические свойства: его можно передавать в пространство в виде узкого волнового пучка, подобно тому как распространяется лазерный пучок.
Приборы характеризуются также длиной волны: например, в лазере длина волны около микрона (микрон — это одна тысячная часть миллиметра; для сравнения, толщина человеческого волоса — 100 микрон). Это оптическая длина волны излучения, то есть в пространстве свет имеет структуру с такой периодичностью. А у традиционных микроволновых печей длина волны излучения — десятки сантиметров.
Гиротрон и здесь занимает промежуточное положение: он обеспечивает излучение с длиной волны около 1−2 мм. На этих длинах волн получить излучение очень сложно, и только гиротрон способен производить огромные мощности.
Что я имею ввиду под словом «огромные»? Гиротрон способен давать излучение мощностью 1 МВт в непрерывном режиме. Это очень большая мощность: например, стандартная газовая горелка имеет мощность порядка 1 кВт, а у гиротрона, соответственно, мощность в тысячу раз больше. Более того, благодаря маленькой длине волны это излучение можно сфокусировать на очень маленькой площади — нескольких квадратных миллиметрах. Таким образом, гиротрон — это уникальный источник электромагнитного излучения с очень высоким коэффициентом полезного действия — более 50%.
Принцип действия гиротрона очень интересен. В нем используется релятивистская зависимость частоты вращения электрона в магнитном поле от его энергии. Это позволяет в поле электромагнитного излучения из электронов создавать сгустки. То есть если замедлить электрон, он начинает вращаться быстрее; если ему придать энергии, он вращается медленнее. Изначально распределенные равномерно по фазам вращения электроны собираются в сгустки, эти сгустки тормозятся электромагнитным полем, и таким образом поле получает большую энергию.
Гиротрон — это мощный, очень высокочастотный микроволновый прибор. Он был изобретен в начале 1960-х годов. Тогда же проводились первые эксперименты, которые показали большую перспективность этого прибора.
Существуют разные источники электромагнитного излучения. Например, лазеры — в основном, это оптические источники излучения. Также все хорошо представляют себе СВЧ‑технику — почти у каждого на кухне есть микроволновая печь, которая испускает электромагнитное излучение, но с очень низкой частотой. Гиротрон занимает среднее положение по частотам электромагнитного излучения между СВЧ и оптикой и обладает свойствами того и другого. Излучение гиротрона похоже на СВЧ‑излучение, но также имеет оптические свойства: его можно передавать в пространство в виде узкого волнового пучка, подобно тому как распространяется лазерный пучок.
Приборы характеризуются также длиной волны: например, в лазере длина волны около микрона (микрон — это одна тысячная часть миллиметра; для сравнения, толщина человеческого волоса — 100 микрон). Это оптическая длина волны излучения, то есть в пространстве свет имеет структуру с такой периодичностью. А у традиционных микроволновых печей длина волны излучения — десятки сантиметров.
Гиротрон и здесь занимает промежуточное положение: он обеспечивает излучение с длиной волны около 1−2 мм. На этих длинах волн получить излучение очень сложно, и только гиротрон способен производить огромные мощности.
Что я имею ввиду под словом «огромные»? Гиротрон способен давать излучение мощностью 1 МВт в непрерывном режиме. Это очень большая мощность: например, стандартная газовая горелка имеет мощность порядка 1 кВт, а у гиротрона, соответственно, мощность в тысячу раз больше. Более того, благодаря маленькой длине волны это излучение можно сфокусировать на очень маленькой площади — нескольких квадратных миллиметрах. Таким образом, гиротрон — это уникальный источник электромагнитного излучения с очень высоким коэффициентом полезного действия — более 50%.
Принцип действия гиротрона очень интересен. В нем используется релятивистская зависимость частоты вращения электрона в магнитном поле от его энергии. Это позволяет в поле электромагнитного излучения из электронов создавать сгустки. То есть если замедлить электрон, он начинает вращаться быстрее; если ему придать энергии, он вращается медленнее. Изначально распределенные равномерно по фазам вращения электроны собираются в сгустки, эти сгустки тормозятся электромагнитным полем, и таким образом поле получает большую энергию.
Как развивалось направление гиротронов в Институте прикладной физики, с чего все началось?
ИПФ вышел из Научно-исследовательского радиофизического института: в 1977 году был образован Институт прикладной физики, и к этому времени уже существовали гиротроны. Работа этих устройств, как я уже рассказал, основана на интереснейших принципах, изумительных по красоте. Они буквально покорили меня, когда я пришел сюда работать. Но до 1960-х годов гиротроны были просто красивыми научными приборами. В 1970-х годах в Курчатовском институте было предложено нагревать плазму токамаков с помощью гиротронов, и это дало толчок развитию последних. В 1970-х годах началась активная разработка гиротронов для токамаков и продолжалась до 1990-х годов. СССР в те годы практически не контактировал с другими странами, так что это были внутренние программы. В 1990-х годах Россия открылась и, кроме того, стартовал проект ИТЭР. Началась модернизация гиротронов под задачи ИТЭР.
ИПФ вышел из Научно-исследовательского радиофизического института: в 1977 году был образован Институт прикладной физики, и к этому времени уже существовали гиротроны. Работа этих устройств, как я уже рассказал, основана на интереснейших принципах, изумительных по красоте. Они буквально покорили меня, когда я пришел сюда работать. Но до 1960-х годов гиротроны были просто красивыми научными приборами. В 1970-х годах в Курчатовском институте было предложено нагревать плазму токамаков с помощью гиротронов, и это дало толчок развитию последних. В 1970-х годах началась активная разработка гиротронов для токамаков и продолжалась до 1990-х годов. СССР в те годы практически не контактировал с другими странами, так что это были внутренние программы. В 1990-х годах Россия открылась и, кроме того, стартовал проект ИТЭР. Началась модернизация гиротронов под задачи ИТЭР.
Биография эксперта
Григорий Геннадьевич Денисов (родился 30 апреля 1956 года в городе Горький, ныне Нижний Новгород) — доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН.
В 1978 году окончил радиофизический факультет Горьковского госуниверситета по специальности «Радиофизика и электроника», затем обучался в заочной аспирантуре Института прикладной физики, защитил кандидатскую и докторскую диссертации.
Профессиональная карьера Григория Геннадьевича началась в 1978 году и всецело связана с ИПФ РАН: он занимал должности стажера-исследователя, младшего и старшего научного сотрудника, заведующего лабораторией и отделением. 11 июня 2019 года возглавил Институт.
Входит в состав ученого совета ИПФ РАН, ученого совета отделения ФП и ЭБМ ИПФ РАН, председатель экспертного совета ЗАО НПП «Гиком».
Основные научные интересы Г. Денисова связаны с гиротронами, новыми типами мощных электронных СВЧ-приборов, методами измерения, преобразования структур полей квазиоптических волновых пучков.
Г. Денисов широко известен в России и за рубежом своими теоретическими и экспериментальными работами по электродинамике многомодовых систем и электронике больших мощностей, он автор более 350 научных работ, имеет шесть авторских свидетельств и патентов (индекс Хирша — 32, число цитирований — более 4500).
В 1978 году окончил радиофизический факультет Горьковского госуниверситета по специальности «Радиофизика и электроника», затем обучался в заочной аспирантуре Института прикладной физики, защитил кандидатскую и докторскую диссертации.
Профессиональная карьера Григория Геннадьевича началась в 1978 году и всецело связана с ИПФ РАН: он занимал должности стажера-исследователя, младшего и старшего научного сотрудника, заведующего лабораторией и отделением. 11 июня 2019 года возглавил Институт.
Входит в состав ученого совета ИПФ РАН, ученого совета отделения ФП и ЭБМ ИПФ РАН, председатель экспертного совета ЗАО НПП «Гиком».
Основные научные интересы Г. Денисова связаны с гиротронами, новыми типами мощных электронных СВЧ-приборов, методами измерения, преобразования структур полей квазиоптических волновых пучков.
Г. Денисов широко известен в России и за рубежом своими теоретическими и экспериментальными работами по электродинамике многомодовых систем и электронике больших мощностей, он автор более 350 научных работ, имеет шесть авторских свидетельств и патентов (индекс Хирша — 32, число цитирований — более 4500).
Какова роль гиротронов в реакторе ИТЭР?
В основе работы реактора ИТЭР лежит следующий принцип: плазма, состоящая из трития и дейтерия, должна быть нагрета до 150 млн градусов, что в 10 раз больше температуры в ядре Солнца. В этих условиях начинается термоядерная реакция. В реакторе ИТЭР существует несколько систем так называемого дополнительного нагрева: это ионно-циклотронный нагрев, нагрев нейтральными частицами и электронно-циклотронный нагрев, который обеспечивается гиротронами. Излучение гиротронов поступает в плазму в резонансных условиях — когда частота излучения совпадает с частотой вращения электронов в магнитном поле токамака. Оно начинает раскручивать и разгонять эти электроны резонансным образом, электроны отдают свою энергию ионам, и плазма греется.
Два десятка лет назад считалось, что такой электронно-циклотронный нагрев плазмы с помощью гиротронов труден, дорог и играет не самую главную роль в токамаках. Но теперь отношение к этому виду нагрева кардинально поменялось, и система электронно-циклотронного нагрева с новым видом гиротронов считается для токамаков абсолютно необходимой, играющей ключевую роль. Кроме прямого нагрева плазмы, поток излучения гиротрона может быть сфокусирован на очень маленькой области, и таким образом плазма в токамаке может быть подогрета локально, в заданном месте. Более того, нагревом можно управлять: это свойство не сможет обеспечить ни один из других методов. Такой нагрев оказался очень тонким инструментом, позволяющим подогревать отдельные объемы плазмы и таким образом подавлять неустойчивости в плазме либо создавать в ней токи нужной конфигурации. Последние эксперименты на различных плазменных установках это подтверждают.
В основе работы реактора ИТЭР лежит следующий принцип: плазма, состоящая из трития и дейтерия, должна быть нагрета до 150 млн градусов, что в 10 раз больше температуры в ядре Солнца. В этих условиях начинается термоядерная реакция. В реакторе ИТЭР существует несколько систем так называемого дополнительного нагрева: это ионно-циклотронный нагрев, нагрев нейтральными частицами и электронно-циклотронный нагрев, который обеспечивается гиротронами. Излучение гиротронов поступает в плазму в резонансных условиях — когда частота излучения совпадает с частотой вращения электронов в магнитном поле токамака. Оно начинает раскручивать и разгонять эти электроны резонансным образом, электроны отдают свою энергию ионам, и плазма греется.
Два десятка лет назад считалось, что такой электронно-циклотронный нагрев плазмы с помощью гиротронов труден, дорог и играет не самую главную роль в токамаках. Но теперь отношение к этому виду нагрева кардинально поменялось, и система электронно-циклотронного нагрева с новым видом гиротронов считается для токамаков абсолютно необходимой, играющей ключевую роль. Кроме прямого нагрева плазмы, поток излучения гиротрона может быть сфокусирован на очень маленькой области, и таким образом плазма в токамаке может быть подогрета локально, в заданном месте. Более того, нагревом можно управлять: это свойство не сможет обеспечить ни один из других методов. Такой нагрев оказался очень тонким инструментом, позволяющим подогревать отдельные объемы плазмы и таким образом подавлять неустойчивости в плазме либо создавать в ней токи нужной конфигурации. Последние эксперименты на различных плазменных установках это подтверждают.
Сколько всего нужно гиротронов для проекта ИТЭР?
В проекте ИТЭР сейчас предусмотрены 24 гиротронные системы. Это сложные комплексы: помимо самого гиротрона, необходимы также источники питания, системы охлаждения, защиты и управления. Так как это направление активно развивается, сейчас рассматривается возможность увеличения количества гиротронов в ИТЭР.
В проекте ИТЭР сейчас предусмотрены 24 гиротронные системы. Это сложные комплексы: помимо самого гиротрона, необходимы также источники питания, системы охлаждения, защиты и управления. Так как это направление активно развивается, сейчас рассматривается возможность увеличения количества гиротронов в ИТЭР.
Сколько гиротронов для проекта делает Россия и сколько — остальные страны?
Россия поставляет треть гиротронов для ИТЭР, то есть восемь систем. Другие поставщики гиротронов — Европа, Япония и Индия. В создании гиротронных комплексов для ИТЭР Россия — признанный мировой лидер. Мы опередили Японию, которая некоторое время лидировала.
Обычно в изготовлении гиротронов задействованы кооперации научных организаций (занимающихся разработкой) и промышленных фирм (отвечающих за производство). В Японии производством гиротронов занимается компания Toshiba, в Европе — Thales (ранее — Thomson) — это крупнейшие компании с миллиардными оборотами, и с ними мы успешно конкурируем в области разработки, изготовления и испытания гиротронов.
В России основные участники разработки и производства гиротронов — это Институт прикладной физики и научно-производственное предприятие «ГИКОМ».
Россия поставляет треть гиротронов для ИТЭР, то есть восемь систем. Другие поставщики гиротронов — Европа, Япония и Индия. В создании гиротронных комплексов для ИТЭР Россия — признанный мировой лидер. Мы опередили Японию, которая некоторое время лидировала.
Обычно в изготовлении гиротронов задействованы кооперации научных организаций (занимающихся разработкой) и промышленных фирм (отвечающих за производство). В Японии производством гиротронов занимается компания Toshiba, в Европе — Thales (ранее — Thomson) — это крупнейшие компании с миллиардными оборотами, и с ними мы успешно конкурируем в области разработки, изготовления и испытания гиротронов.
В России основные участники разработки и производства гиротронов — это Институт прикладной физики и научно-производственное предприятие «ГИКОМ».
В чем конкурентные преимущества российских гиротронов перед зарубежными?
Проект ИТЭР сформулировал несколько требований к гиротронам: мощность излучения должна составлять минимум 1 МВт, волновой пучок должен обладать определенными свойствами, и, конечно, один из ключевых параметров — это коэффициент полезного действия: сколько мощности подводится к гиротронному комплексу и сколько мощности СВЧ он выдает. Требование ИТЭР — КПД 50%, это очень серьезное требование. Мы победили конкурентов прежде всего по этому, самому главному параметру. КПД наших гиротронов — 50−55%, в то время как приборы конкурентов не дотягивают и до 50%. Еще два наших преимущества перед конкурентами — простота конструкции и ее надежность.
Проект ИТЭР сформулировал несколько требований к гиротронам: мощность излучения должна составлять минимум 1 МВт, волновой пучок должен обладать определенными свойствами, и, конечно, один из ключевых параметров — это коэффициент полезного действия: сколько мощности подводится к гиротронному комплексу и сколько мощности СВЧ он выдает. Требование ИТЭР — КПД 50%, это очень серьезное требование. Мы победили конкурентов прежде всего по этому, самому главному параметру. КПД наших гиротронов — 50−55%, в то время как приборы конкурентов не дотягивают и до 50%. Еще два наших преимущества перед конкурентами — простота конструкции и ее надежность.
ИТЭР в цифрах
На каком этапе сейчас находится российская программа по изготовлению гиротронов для ИТЭР?
Из восьми систем, которые мы должны поставить для ИТЭР, четыре уже полностью испытаны и подтвердили полное соответствие спецификациям Международной организации ИТЭР. Приемочные испытания четвертого гиротронного комплекса завершились совсем недавно. В этом году из-за пандемии коронавируса испытания впервые проводились дистанционно: представители российского Агентства ИТЭР и Международной организации ИТЭР следили за ними по видеотрансляции в течение нескольких дней. Полным ходом идет изготовление пятого гиротрона, его испытания должны пройти в сентябре.
Первые поставки гиротронов на площадку ожидаются в 2021 году: пока принимающая сторона не готова к их подключению. В соответствии с соглашением, все гиротронные комплексы должны быть поставлены на площадку ИТЭР до 2024 года. 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.
Из восьми систем, которые мы должны поставить для ИТЭР, четыре уже полностью испытаны и подтвердили полное соответствие спецификациям Международной организации ИТЭР. Приемочные испытания четвертого гиротронного комплекса завершились совсем недавно. В этом году из-за пандемии коронавируса испытания впервые проводились дистанционно: представители российского Агентства ИТЭР и Международной организации ИТЭР следили за ними по видеотрансляции в течение нескольких дней. Полным ходом идет изготовление пятого гиротрона, его испытания должны пройти в сентябре.
Первые поставки гиротронов на площадку ожидаются в 2021 году: пока принимающая сторона не готова к их подключению. В соответствии с соглашением, все гиротронные комплексы должны быть поставлены на площадку ИТЭР до 2024 года. 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.
Насколько серьезно пришлось модернизировать гиротроны для проекта ИТЭР?
Работа по проекту ИТЭР обеспечила принципиальное развитие гиротронных технологий. Начались эти работы, как я говорил, еще в 1990-х годах. Проект ИТЭР был окончательно утвержден в 2006 году, с 2015 года начались работы по изготовлению гиротронов для ИТЭР. Благодаря финансированию этого проекта удалось решить ряд уникальных научных и инженерных задач. Когда работа над проектом ИТЭР была на начальной стадии, многие из этих задач казались неосуществимыми.
Я приведу один 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 — он пока единственный. Это искусственный поликристаллический алмаз. Из него изготавливаются поликристаллические диски диаметром 100 мм и толщиной около 2 мм. Этот материал 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 на этих частотах. В‑третьих, этот материал достаточно прочный.
Такие алмазы выращиваются методом осаждения из газовой фазы, когда в плазме из смеси метана и водорода углерод осаждается на подложку. Технологии выращивания таких алмазов совершенствуются, алмазы становятся все лучше и лучше.
Это только один из множества примеров. Чтобы модернизировать гиротроны для использования в ИТЭР, были решены сложные научные и инженерные задачи. В этих работах принимали участие Институт прикладной физики, Курчатовский институт, «ГИКОМ» — там находится главный испытательный стенд; также фирма «РТСофт», которая занимается системами управления; проектный центр ИТЭР, координирующий все действия.
Работа по проекту ИТЭР обеспечила принципиальное развитие гиротронных технологий. Начались эти работы, как я говорил, еще в 1990-х годах. Проект ИТЭР был окончательно утвержден в 2006 году, с 2015 года начались работы по изготовлению гиротронов для ИТЭР. Благодаря финансированию этого проекта удалось решить ряд уникальных научных и инженерных задач. Когда работа над проектом ИТЭР была на начальной стадии, многие из этих задач казались неосуществимыми.
Я приведу один 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 — он пока единственный. Это искусственный поликристаллический алмаз. Из него изготавливаются поликристаллические диски диаметром 100 мм и толщиной около 2 мм. Этот материал 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 на этих частотах. В‑третьих, этот материал достаточно прочный.
Такие алмазы выращиваются методом осаждения из газовой фазы, когда в плазме из смеси метана и водорода углерод осаждается на подложку. Технологии выращивания таких алмазов совершенствуются, алмазы становятся все лучше и лучше.
Это только один из множества примеров. Чтобы модернизировать гиротроны для использования в ИТЭР, были решены сложные научные и инженерные задачи. В этих работах принимали участие Институт прикладной физики, Курчатовский институт, «ГИКОМ» — там находится главный испытательный стенд; также фирма «РТСофт», которая занимается системами управления; проектный центр ИТЭР, координирующий все действия.
Какие перспективы открывает перед ИПФ РАН выполнение этого масштабного проекта для ИТЭР?
Для института это важно по двум причинам. Во-первых, это работы, приносящие институту доход. Это заметные деньги, хотя не самые большие по сравнению с другими контрактами ИПФ. Во-вторых, этот проект — визитная карточка института. У нас есть такие визитные карточки по нескольким направлениям: лазерной физике, гидроакустике, мощной электронике, геофизическим исследованиям. Изготовление гиротронов для ИТЭР демонстрирует, что ИПФ может выполнять высокотехнологичные работы очень высокого уровня. Это важно, это престижно.
Для института это важно по двум причинам. Во-первых, это работы, приносящие институту доход. Это заметные деньги, хотя не самые большие по сравнению с другими контрактами ИПФ. Во-вторых, этот проект — визитная карточка института. У нас есть такие визитные карточки по нескольким направлениям: лазерной физике, гидроакустике, мощной электронике, геофизическим исследованиям. Изготовление гиротронов для ИТЭР демонстрирует, что ИПФ может выполнять высокотехнологичные работы очень высокого уровня. Это важно, это престижно.
Где еще используются российские гиротроны, куда поставляются?
Давайте разделим гиротроны на два класса. Первый — гиротроны для термоядерного синтеза, в частности ИТЭР. Таких установок в мире десятки. Российские гиротроны установлены по крайней мере на половине из них. Поставки российских гиротронов начались с 1991 года, еще до ИТЭРа. С нами работают практически все страны, имеющие такие установки: Япония, США, Китай, Корея, Индия, Европа. Много гиротронов мы поставили в Германию для немецких исследований по термояду. В прошлом году в Курчатовском институте сделали токамак Т‑15, там тоже будет семь гиротронных систем. Этот рынок, тем не менее, ограничен, хотя эти контракты приносят нам существенные деньги. Наши коммерческие контракты по гиротронам приносят около $ 10 млн в год.
Второй класс гиротронов — это гиротроны для всего остального. Перечень областей применения широк. Например, в спектроскопии не нужны большие мощности — всего лишь десятки, сотни ватт, но частоты очень высокие, и никакие источники не могут обеспечить такое излучение, кроме гиротронов. Таких гиротронов довольно много в мире, они меньше и дешевле тех, что стоят в токамаках. Кроме того, с помощью гиротронного излучения обеспечиваются некоторые технологические процессы: например, спекание и обработка керамики. Только излучением можно нагреть керамику до 2000 °C. Забавно, что с помощью гиротронов можно наладить производство тех самых алмазных дисков, о которых я рассказывал. У этого метода есть несколько преимуществ: во‑первых, неограниченная мощность, во‑вторых — высокая частота, более плотная плазма и соответственно — более высокая скорость роста алмазных дисков. Также гиротроны используются в медицине, когда необходимо сфокусировать излучение на маленьком объекте. На большинство этих методов у нас есть патенты.
Давайте разделим гиротроны на два класса. Первый — гиротроны для термоядерного синтеза, в частности ИТЭР. Таких установок в мире десятки. Российские гиротроны установлены по крайней мере на половине из них. Поставки российских гиротронов начались с 1991 года, еще до ИТЭРа. С нами работают практически все страны, имеющие такие установки: Япония, США, Китай, Корея, Индия, Европа. Много гиротронов мы поставили в Германию для немецких исследований по термояду. В прошлом году в Курчатовском институте сделали токамак Т‑15, там тоже будет семь гиротронных систем. Этот рынок, тем не менее, ограничен, хотя эти контракты приносят нам существенные деньги. Наши коммерческие контракты по гиротронам приносят около $ 10 млн в год.
Второй класс гиротронов — это гиротроны для всего остального. Перечень областей применения широк. Например, в спектроскопии не нужны большие мощности — всего лишь десятки, сотни ватт, но частоты очень высокие, и никакие источники не могут обеспечить такое излучение, кроме гиротронов. Таких гиротронов довольно много в мире, они меньше и дешевле тех, что стоят в токамаках. Кроме того, с помощью гиротронного излучения обеспечиваются некоторые технологические процессы: например, спекание и обработка керамики. Только излучением можно нагреть керамику до 2000 °C. Забавно, что с помощью гиротронов можно наладить производство тех самых алмазных дисков, о которых я рассказывал. У этого метода есть несколько преимуществ: во‑первых, неограниченная мощность, во‑вторых — высокая частота, более плотная плазма и соответственно — более высокая скорость роста алмазных дисков. Также гиротроны используются в медицине, когда необходимо сфокусировать излучение на маленьком объекте. На большинство этих методов у нас есть патенты.
Насколько сильно различаются гиротроны этих двух классов?
Они различаются прежде всего мощностью. Термояд — это станция, которая должна производить гигаватты мощности. Рассматривается коэффициент ее увеличения в 10 раз, то есть в токамак вводят 100 МВт, а на выходе получают 1 ГВт. Поэтому для токамаков необходимы очень мощные гиротроны. А для многих других технологий такие высокие мощности не нужны, достаточно 5−10 кВт.
Такие машины будут, конечно, различаться между собой и размерами: если гиротронный комплекс небольшой мощности займет помещение порядка 10 м² то для мегаваттного гиротрона нужно раз в 20 большее помещение.
Они различаются прежде всего мощностью. Термояд — это станция, которая должна производить гигаватты мощности. Рассматривается коэффициент ее увеличения в 10 раз, то есть в токамак вводят 100 МВт, а на выходе получают 1 ГВт. Поэтому для токамаков необходимы очень мощные гиротроны. А для многих других технологий такие высокие мощности не нужны, достаточно 5−10 кВт.
Такие машины будут, конечно, различаться между собой и размерами: если гиротронный комплекс небольшой мощности займет помещение порядка 10 м² то для мегаваттного гиротрона нужно раз в 20 большее помещение.
Можно ли говорить о глобальном рынке гиротронов, или это все же штучные изделия?
Конечно, гиротроны — не кроссовки, поставки этих систем для термоядерного синтеза — десятки гиротронов в год, для других областей — несколько десятков, это не глобальный рынок. Производятся гиротроны в основном по запросам, конвейерного производства нет. Например, клиент говорит: нам нужен аналог гиротрона, как в ИТЭР, или гиротрон определенной частоты и мощности — и такие заказы мы выполняем.
Конечно, гиротроны — не кроссовки, поставки этих систем для термоядерного синтеза — десятки гиротронов в год, для других областей — несколько десятков, это не глобальный рынок. Производятся гиротроны в основном по запросам, конвейерного производства нет. Например, клиент говорит: нам нужен аналог гиротрона, как в ИТЭР, или гиротрон определенной частоты и мощности — и такие заказы мы выполняем.
Какие российские предприятия сейчас занимаются изготовлением гиротронов?
«ГИКОМ» занимается производством, то есть разрабатывает конструкции и технологии, изготавливает приборы, проводит испытания. Институт прикладной физики решает научные и некоторые инженерные задачи. Институт предложил уникальные методы, позволяющие измерять тонкие параметры излучения. Структура излучения должна удовлетворять определенным требованиям, но для этого ее прежде всего нужно измерить — а это непросто.
«ГИКОМ» занимается производством, то есть разрабатывает конструкции и технологии, изготавливает приборы, проводит испытания. Институт прикладной физики решает научные и некоторые инженерные задачи. Институт предложил уникальные методы, позволяющие измерять тонкие параметры излучения. Структура излучения должна удовлетворять определенным требованиям, но для этого ее прежде всего нужно измерить — а это непросто.
Повлияла ли пандемия коронавируса на производство гиротронов?
Нет, к счастью, существенных трудностей не было. И ИПФ, и «ГИКОМ» сразу же получили разрешения на работу, как системообразующие организации, производство останавливать не пришлось.
Нет, к счастью, существенных трудностей не было. И ИПФ, и «ГИКОМ» сразу же получили разрешения на работу, как системообразующие организации, производство останавливать не пришлось.
Технологии, заложенные в основу работы гиротронов, продолжают совершенствоваться?
Конечно. Появились новые концепции в принципах работы токамаков, в частности, увеличение магнитного поля в два-три раза, позволяющее во столько же раз уменьшить его геометрический размер. Это очень выгодно с конструктивной точки зрения, но означает, что и частота гиротронного излучения тоже должна увеличиться в два-три раза: это резонансный нагрев, и частота излучения должна совпадать с частотой вращения электронов в магнитном поле. Таких гиротронов пока нет. Но мы уверены, что если появится такой токамак, то и гиротроны для него мы сделаем.
Конечно. Появились новые концепции в принципах работы токамаков, в частности, увеличение магнитного поля в два-три раза, позволяющее во столько же раз уменьшить его геометрический размер. Это очень выгодно с конструктивной точки зрения, но означает, что и частота гиротронного излучения тоже должна увеличиться в два-три раза: это резонансный нагрев, и частота излучения должна совпадать с частотой вращения электронов в магнитном поле. Таких гиротронов пока нет. Но мы уверены, что если появится такой токамак, то и гиротроны для него мы сделаем.
Мнение эксперта
Анатолий Красильников
глава проектного центра ИТЭР
— Наша цель — придерживаться графика выполнения заказов для международного проекта ИТЭР, невзирая ни на что. Поэтому во все время пандемии наши предприятия продолжали работать и выполнять поставки для проекта. Так, из «НИИЭФА» на площадку во Франции пришли семь большегрузов с оборудованием. В этом нам помогал лично генеральный директор Международной организации ИТЭР Бернар Биго — благодаря его участию автомобили беспрепятственно прошли закрытые европейские границы.
Чтобы не замедлять график согласований, мы впервые провели испытания четвертого гиротронного комплекса удаленно, по видеосвязи. Я считаю это хорошим примером того, как Международная организация ИТЭР и партнер, в данном случае Россия, вопреки эпидемии соблюдают график выполнения работ. Возможно, и в дальнейшем будут применяться технологии удаленного участия и наблюдения — для повышения оперативности работ.
У нас уже полностью готовы четыре из восьми гиротронов — и на самом деле это не половина, а больше: по остальным комплексам уже идет активная работа, докупаются комплектующие, изготавливаются ключевые узлы. Это позволит нам не только точно в срок выполнить свою часть поставок, 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.
Напомню, что всего для проекта ИТЭР Россия, согласно договору, должна изготовить и поставить 25 различных систем. Две из них мы уже полностью изготовили и поставили — это сверхпроводники Nb3Sn и NbTi. Над выполнением этого заказа работала кооперация компаний: ТВЭЛ, «ВНИИКП», «ВНИИНМ», Чепецкий механический завод. Нужно сказать, что мировое сообщество осталось очень довольно результатом: во‑первых, мы выполнили все точно в срок, во‑вторых, и в‑главных — качество наших сверхпроводников было лучшим среди изготовителей, лучшим в мире. Это повод для гордости.
Гиротроны — одна из оставшихся 23 систем. Среди прочего, нам предстоит сделать 11 диагностических систем и четыре порт-плага (порт-плаг — устройство для нейтронной защиты внутри патрубка токамака ИТЭР. — Прим. ред.). Системы диагностик — это важно, в числе прочего, потому, что страна, изготавливающая диагностики, получит преимущественную возможность участвовать в научно-технической программе ИТЭР, пропорционально доле изготовления таких систем.
Из систем собственно токамака мы делаем катушку ПФ‑1 (эти работы выполняют АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» вместе со Средне-Невским судостроительным заводом). В этом году идет сборка катушки, а в конце 2021 года должна состояться ее отгрузка на площадку ИТЭР в Кадараше. Кроме того, НИИЭФА изготавливает большой пакет изделий по шинопроводам, коммутаторам, размыкателям, модулям резисторов для системы электропитания сверхпроводящих катушек, а также в кооперации с заводом MAN в Германии делает все верхние патрубки.
Также НИИЭФА и НИКИЭТ в кооперации с соисполнителями (НПО «Маяк», АО «Композит» и другими) построят 40% первой стенки реактора ИТЭР. Именно эта стенка «смотрит» на плазму, которая, напомню, нагревается до 150 млн градусов и, соответственно, выдерживает все нейтроные, гамма- и тепловые потоки.
Еще на этапе переговоров и подписания соглашений об обязательствах России по проекту ИТЭР выбирались такие системы, которые, во‑первых, соответствуют лидирующим позициям наших предприятий по этим направлениям и во‑вторых, позволят этим предприятиям стать новыми центрами технологического роста. Все это в перспективе обеспечит реализацию в стране внутренней программы по управляемому термоядерному синтезу.
Благодаря проекту ИТЭР в России уже создано более 35 центров технологического роста — это лаборатории, научно-производственные комплексы на базе ведущих институтов. Эти центры станут базовыми узлами будущей термоядерной промышленности. Ведь конечная цель проекта ИТЭР — это повсеместное использование термоядерной энергетики человечеством. Участвуя в ИТЭР, партнеры проекта получают уникальные знания, которые потом будут применяться во внутринациональных термоядерных программах. Мы научились изготавливать первую стенку ИТЭР — это значит, что мы сможем построить такую стенку для российского термоядерного реактора. Более того, в России формируются сейчас те высококвалифицированные научные и инженерные кадры, которые в будущем станут основой российской термоядерной программы.
Наши главные технологические центры сейчас — это НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, АО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара» (ВНИИНМ), НИЦ «Курчатовский институт», ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных термоядерных исследований», Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Институт прикладной физики РАН, Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН. Уже написана внутренняя программа реализации управляемого термоядерного синтеза в России, сейчас она обсуждается в правительстве, и со следующего года должна начаться ее реализация.
Без термоядерного синтеза будущее энергетическое благополучие человечества невозможно: большинство сегодняшних источников энергии к концу века могут быть исчерпаны. Топливо для термояда неисчерпаемо — это, как известно, дейтерий и тритий. Дейтерий находится в водах мирового океана, технологии его получения известны. Для наработки трития необходимо облучать 6Li нейтронами, этот процесс человечество давно освоило. Таким образом, термоядерный синтез — это источник почти бесконечной энергии, который не производит вредных выбросов в атмосферу: продукты термоядерной энергетики — гелий и нейтронное излучение, которое остается внутри реакторного зала.
Это понимают страны — участницы проекта ИТЭР. Напомню, это семь развитых стран, совокупно производящих более 85% мирового валового продукта. Каждая из них, конечно, задавала себе вопрос: возможно ли реализовать национальную термоядерную программу без участия в проекте ИТЭР? И ответ был: нет, это невозможно. ИТЭР — необходимый шаг для будущего научно-технического движения.
Технологические решения, найденные для проекта ИТЭР, востребованы и в других областях: медицине, освоении космоса, материаловедении, физике высоких энергий и так далее. Приведу пример. Россия создает для ИТЭР диагностику измерения спектров и потоков нейтронов на базе детекторов из алмаза и на базе камер деления с 235U и 238U. Все эти детекторы (прежде всего алмазные) сегодня востребованы в ядерной медицине: гамма-лучевой, нейтронно-лучевой, протонной терапии. При облучении раковых опухолей необходимо знать пространственное распределение поглощающей дозы, а ее, в свою очередь, нужно предварительно обмерить на макетах, прежде чем применить к человеку. Нужно измерить профиль поглощения мощности, чтобы разрушать опухоль, а не здоровые ткани.
Для решения этой задачи мы вместе с обнинскими специалистами из МРНЦ им. А. Ф. Цыба применяем, измеряя поглощение мощности ионизирующего излучения в ткани эквивалентных фантомов, те самые алмазные детекторы, которые будут использоваться в ИТЭР. Это лишь один из многих примеров.
Чтобы не замедлять график согласований, мы впервые провели испытания четвертого гиротронного комплекса удаленно, по видеосвязи. Я считаю это хорошим примером того, как Международная организация ИТЭР и партнер, в данном случае Россия, вопреки эпидемии соблюдают график выполнения работ. Возможно, и в дальнейшем будут применяться технологии удаленного участия и наблюдения — для повышения оперативности работ.
У нас уже полностью готовы четыре из восьми гиротронов — и на самом деле это не половина, а больше: по остальным комплексам уже идет активная работа, докупаются комплектующие, изготавливаются ключевые узлы. Это позволит нам не только точно в срок выполнить свою часть поставок, 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.
Напомню, что всего для проекта ИТЭР Россия, согласно договору, должна изготовить и поставить 25 различных систем. Две из них мы уже полностью изготовили и поставили — это сверхпроводники Nb3Sn и NbTi. Над выполнением этого заказа работала кооперация компаний: ТВЭЛ, «ВНИИКП», «ВНИИНМ», Чепецкий механический завод. Нужно сказать, что мировое сообщество осталось очень довольно результатом: во‑первых, мы выполнили все точно в срок, во‑вторых, и в‑главных — качество наших сверхпроводников было лучшим среди изготовителей, лучшим в мире. Это повод для гордости.
Гиротроны — одна из оставшихся 23 систем. Среди прочего, нам предстоит сделать 11 диагностических систем и четыре порт-плага (порт-плаг — устройство для нейтронной защиты внутри патрубка токамака ИТЭР. — Прим. ред.). Системы диагностик — это важно, в числе прочего, потому, что страна, изготавливающая диагностики, получит преимущественную возможность участвовать в научно-технической программе ИТЭР, пропорционально доле изготовления таких систем.
Из систем собственно токамака мы делаем катушку ПФ‑1 (эти работы выполняют АО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова» вместе со Средне-Невским судостроительным заводом). В этом году идет сборка катушки, а в конце 2021 года должна состояться ее отгрузка на площадку ИТЭР в Кадараше. Кроме того, НИИЭФА изготавливает большой пакет изделий по шинопроводам, коммутаторам, размыкателям, модулям резисторов для системы электропитания сверхпроводящих катушек, а также в кооперации с заводом MAN в Германии делает все верхние патрубки.
Также НИИЭФА и НИКИЭТ в кооперации с соисполнителями (НПО «Маяк», АО «Композит» и другими) построят 40% первой стенки реактора ИТЭР. Именно эта стенка «смотрит» на плазму, которая, напомню, нагревается до 150 млн градусов и, соответственно, выдерживает все нейтроные, гамма- и тепловые потоки.
Еще на этапе переговоров и подписания соглашений об обязательствах России по проекту ИТЭР выбирались такие системы, которые, во‑первых, соответствуют лидирующим позициям наших предприятий по этим направлениям и во‑вторых, позволят этим предприятиям стать новыми центрами технологического роста. Все это в перспективе обеспечит реализацию в стране внутренней программы по управляемому термоядерному синтезу.
Благодаря проекту ИТЭР в России уже создано более 35 центров технологического роста — это лаборатории, научно-производственные комплексы на базе ведущих институтов. Эти центры станут базовыми узлами будущей термоядерной промышленности. Ведь конечная цель проекта ИТЭР — это повсеместное использование термоядерной энергетики человечеством. Участвуя в ИТЭР, партнеры проекта получают уникальные знания, которые потом будут применяться во внутринациональных термоядерных программах. Мы научились изготавливать первую стенку ИТЭР — это значит, что мы сможем построить такую стенку для российского термоядерного реактора. Более того, в России формируются сейчас те высококвалифицированные научные и инженерные кадры, которые в будущем станут основой российской термоядерной программы.
Наши главные технологические центры сейчас — это НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, АО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара» (ВНИИНМ), НИЦ «Курчатовский институт», ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных термоядерных исследований», Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Институт прикладной физики РАН, Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН. Уже написана внутренняя программа реализации управляемого термоядерного синтеза в России, сейчас она обсуждается в правительстве, и со следующего года должна начаться ее реализация.
Без термоядерного синтеза будущее энергетическое благополучие человечества невозможно: большинство сегодняшних источников энергии к концу века могут быть исчерпаны. Топливо для термояда неисчерпаемо — это, как известно, дейтерий и тритий. Дейтерий находится в водах мирового океана, технологии его получения известны. Для наработки трития необходимо облучать 6Li нейтронами, этот процесс человечество давно освоило. Таким образом, термоядерный синтез — это источник почти бесконечной энергии, который не производит вредных выбросов в атмосферу: продукты термоядерной энергетики — гелий и нейтронное излучение, которое остается внутри реакторного зала.
Это понимают страны — участницы проекта ИТЭР. Напомню, это семь развитых стран, совокупно производящих более 85% мирового валового продукта. Каждая из них, конечно, задавала себе вопрос: возможно ли реализовать национальную термоядерную программу без участия в проекте ИТЭР? И ответ был: нет, это невозможно. ИТЭР — необходимый шаг для будущего научно-технического движения.
Технологические решения, найденные для проекта ИТЭР, востребованы и в других областях: медицине, освоении космоса, материаловедении, физике высоких энергий и так далее. Приведу пример. Россия создает для ИТЭР диагностику измерения спектров и потоков нейтронов на базе детекторов из алмаза и на базе камер деления с 235U и 238U. Все эти детекторы (прежде всего алмазные) сегодня востребованы в ядерной медицине: гамма-лучевой, нейтронно-лучевой, протонной терапии. При облучении раковых опухолей необходимо знать пространственное распределение поглощающей дозы, а ее, в свою очередь, нужно предварительно обмерить на макетах, прежде чем применить к человеку. Нужно измерить профиль поглощения мощности, чтобы разрушать опухоль, а не здоровые ткани.
Для решения этой задачи мы вместе с обнинскими специалистами из МРНЦ им. А. Ф. Цыба применяем, измеряя поглощение мощности ионизирующего излучения в ткани эквивалентных фантомов, те самые алмазные детекторы, которые будут использоваться в ИТЭР. Это лишь один из многих примеров.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #4_2020