На иллюстрации: Виртуальная модель токамака с реакторными технологиями (ТРТ). Фото: ТРИНИТИ. В Новосибирском институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), прошло очередное заседание открытого научного семинара Госкорпорации «Росатом» «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии». Директор Частного учреждения «ИТЭР-Центр» (организация Госкорпорации «Росатом») Анатолий Красильников рассказал о ходе строительства первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора, сооружаемого во Франции, и о вкладе России в реализацию этого проекта. По его словам, технологические платформы международного проекта ИТЭР и токамака с реакторными технологиями (ТРТ), который разрабатывается сейчас в стране в рамках федерального проекта по термоядерным и плазменным технологиям комплексной программы развития атомной науки,

техники и технологий в России (КП РТТН), могут быть взаимодополняющими необходимыми шагами к сооружению отечественного термоядерного или гибридного реактора.

Гиротрон обеспечивает электронно-циклотронный нагрев плазмы в термоядерном реактореИПФ РАН

«Благодаря опыту в проекте ИТЭР и развивающейся в стране технологии высокотемпературных сверхпроводников мы можем увеличить магнитное поле с 5,3 Тесла до 8 Тесла, соответственно, существенно улучшить характеристики производимых гиротронов (источников мощного СВЧ-излучения): поднять частоту со 170 ГГц, которые есть в ИТЭР, до 230 ГГц. Это технологический прорыв.

Уже в этом году на специально оборудованном комплексе в Нижнем Новгороде мы получим первые положительные результаты в создании гиротрона мегаваттного диапазона мощности. Это полный прототип того, что нам требуется для токамака с реакторными технологиями, который разрабатывается как полномасштабная модель будущего отечественного термоядерного реактора», – рассказал Анатолий Красильников.

Свои доклады на мероприятии также представили руководитель проекта «Литий» Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ, входит в научный дивизион Росатома) Владимир Лазарев и доцент кафедры «Физика плазмы» Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» Юрий Гаспарян. В частности, Владимир Лазарев рассказал о создании и испытаниях перспективных конструкций и технологий защиты первой стенки и дивертора отечественных токамаков, а также будущего термоядерного реактора. Юрий Гаспарян представил разработки и промежуточные результаты испытаний многослойных композиций современных материалов для термоядерных реакторов.

В гиротронный комплекс входят источники питания, системы охлаждения, защиты и управленияИПФ РАН

Семинар «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии» задуман как единая площадка для обсуждения научных вопросов, относящихся к исследованиям по разработке термоядерных и плазменных технологий. Он призван способствовать интеграции усилий разработчиков различных ведомств – институтов Росатома; организаций, подведомственных Минобрнауки России; НИЦ «Курчатовский институт». Работы по этой тематике выполняются в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий», включенного в КП РТТН.

Комплексная программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ» (КП РТТН) разработана Госкорпорацией «Росатом» совместно с НИЦ «Курчатовский институт», Российской академией наук, а также Министерством науки и высшего образования РФ. Она включает разработку новых передовых технологий и материалов, образцов новой техники, техническое перевооружение, строительство уникальных комплексов и объектов инфраструктуры в области атомной энергетики и управления реакциями термоядерного синтеза, а также атомных станций малой мощности. В апреле 2022 года указом Президента РФ продлена до 2030 года.

Справка:

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.

Источники: https://www.atomic-energy.ru/, https://atomicexpert.com/