Токамак. Высокочастотный нагрев плазмы.

Итак, инжектор нейтрального луча – это система нагрева плазмы пучком нейтральных атомов, разогнанных до 1 МэВ. Эта система отвечает за 33 мегаватта греющей мощности ИТЭР из общей возможности в 73. Еще 40 мегаватт поровну разделено между двумя радиочастотными подсистемами, работающих соответственно на частоте ионного циклотронного резонанса (ИЦР) и электронного циклотронного резонанса (ЕЦР). Называются они соответственно ICRH и ECRH (radiofrequency heating). По принципу действия они весьма близки к микроволновке, только та работает на частоте резонансного поглощения вращательных мод молекул воды, а тут речь идет о резонансе с вращением ионов и электронов в магнитном поле токамака.

Для ИТЭР эти частоты (зависящие от величины магнитного поля) получаются 40-55 мегагерц для ICRH и 170 гигагерц для ECRH. Несмотря на разницу частот в 4 порядка системы эти довольно схожи - мощные радиоламповые генераторы, высоковольтные источники питания, внешне одинаковые линии передачи мощности и похожие антенны ввода излучения в плазму. Тем не менее есть интересные особенности в реализации.

 

Расположение системы ICRH: голубое - генераторы, зеленое - линии передачи, синее - антенны.

Итак, система ICRH мощностью 20 мегаватт, из всех («несекретных») известных систем будет рекордным источником радиочастотной мощности в своем диапазоне. Система модульная, набранная из 8 + 1 генерирующих модулей по 2.5 мегаватта (1 запасной). Каждый модуль размером примерно с 20 футовый контейнер. В одном таком модуле располагаются две цепочки генератора, согласующие элементы, смеситель, складывающий радиочастотное излучение ну и прочее оборудование - задающий генератор, управление, защиты, вторичные источники питания.

Ключевым генерирующим элементом является радиолампа - диакрод TH628 производства Thales мощностью от 1.25 до 2 мегаватт в нагрузке в зависимости от КСВ (поскольку нагрузка более чем капризная, ожидается КСВ в диапазоне от 2,5 до 4 после 3(!) ступеней согласования).

Диакрод TH628.

Для понимания, что за зверюга эта лампа - назову несколько параметров: ток накала 960 А при напряжении 30 вольт, анодное напряжение 30 киловольт, мощность в систему охлаждение 1.8 мегаватта.

Так, как это тетрод, и его усиление относительно невелико (14db), то предвыходной каскад - тоже довольно рекордная лампа мощностью до 125 киловатт, а всего цепочка усиления - это 3 ламповых и 4 транзисторных каскада. Интересно, что для управления согласованием каскадов используются резонансные полости, форма которых меняется электродвигателями, всего в каждой генерирующей цепочке таких электродвигателей 18, а время настройки генератора по согласованию - 3 минуты жужжания серводвигателями, что весьма необычно :)

Что еще более необычно - генераторы будут создаваться, испытываться и инсталлироваться на площадке ITER индийской стороной, хотя, подозреваю, что доля, «съевших на таких системах не одну собаку», европейцев в индийской разработке будет весьма высока.

Для питания радиогенераторов нужны специализированные высоковольтные источники питания. Кроме того, что они высоковольтные и мощные, они должны обладать двумя свойствами - уметь быстро изменять напряжение питания на лампах (амплитудная модуляция мощности поможет управлять плазмой) и уметь еще быстрее отключатся в случае КЗ в системе. Вообще последний пункт можно найти в любых мощных источниках питания в ИТЭР - стандартное требование - это отключение за 10 мкс и остаточное энерговыделение не больше 10 джоулей.

Наиболее совершенная используемая схема в таких случаях - pulse step modulation. В этом случае от единого трансформатора делается десяток-другой не очень высоковольтных отводов, на каждый из которых вешается AC/DC блок питания, напряжением 1 киловольт и полным током системы (например 100 ампер). В каждом таком блоке имеется ключ, которым можно замкнуть накоротко выводы. Эти блоки объединяются последовательно по напряжению, и соответственно могут либо поднимать общее напряжение на 1 киловольт, либо в выключенном состоянии и с замкнутым выходом отключатся от системы. Этот прием позволяет очень быстро модулировать выходное напряжение.

Естественно, кроме основного 4 мегаваттного БП в системе нужно много относительно небольших источников питания для управляющих и экранных сеток ламп, накальные источники тока, питание для полупроводников и т.п.

После того, как мы превратили полезное электричество в бесполезные радиоволны, необходимо их собрать от генераторов, и передать на антенны, либо на эквиваленты нагрузки. Радиомощность передается по коаксиальным проводникам, диаметром 300 мм. Эти коаксиальные линии способны передавать до 6 мегаватт мощности, а изолирующей средой работает азот под давлением 3 атмосферы. При работе на мощности разность потенциалов будет достигать 40 киловольт, опять же рекордная величина для коаксиальных линий. Для такой линии приходится разрабатывать и соотвествующие элементы - разветвители, разъемы, выключатели и т.п. Всей темой линий передачи занимается ITER USA.

После генерации и маршрутизации излучения важной задачей является согласование импеданса между коаксиальной линией и плазмой, при этом характеристики нагрузки сильно меняются как сами по себе так и в результате работы системы ICRH. Для непрерывного согласования используются коаксиальные трансформаторы со скользящими звеньями, которые непрерывно подстраивают импеданс под изменение ситуации.

 

Антенна ICRH мощностью 10 мегаватт.

Согласующие трансформаторы, вакуумно-газовые переходы, сама антенна, защита ее от излучения и дугового разряда в результате выпрямления РЧ излучения плазмой, расчет электромагнитных сил от плазмы, работа всего этого хозяйства при температуре до 250 градусов - это тема многолетней исследовательской работы европейского агентства ITER.

Инженерная модель антенны.

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.

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 токамаке 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 реакторных 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 (разновидность реакторов для термоядернерного синтеза) - как раз изначальное отсутствие 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).

Как и в ICRH генераторами РЧ-энергии являются радиолампы, правда в этот раз весьма экзотические, называемые гиротронами.

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.

 

Гиротрон в разрезе.

В т.ч. требуется использование 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.

 

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.

Ровно так же, как и у ICRH здесь будут стоять устройства согласования, маршрутизации энергии и т.п. Только в отличии от индуктивных-емкостных связываний на частоте 40 мегагерц, здесь в основном используются оптические методы.

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.

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.

Кстати, если вы посмотрите на план здания радиочастотного нагрева 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.

 

3. Токамак. Вакуумная система.

 

Функционирование систем ИТЭР опирается на четыре “сервисных кита” - систему электропитания, систему водяного охлаждение, систему криогенного охлаждения и вакуумную систему. Именно о последней, которая на сегодня считается сложнейшей вакуумной системой в мире, мы и поговорим. Гигантские криосорбционные и криоконденсационные помпы, 10 километроввакуумопроводов, система поиска утечек среди тысяч труб, 10300 кубических метровобъема ультравысокого вакуума, 400+ вакуумных насосов - узнаете ITER style?

Схема вакуумной системы токамака.

 

C технической точки зрения токамаки извлекают энергию из вакуума: стартовое состояние ИТЭР - это смесь дейтерия и трития при давлении 10^-4 Па, что инженеры относят к “высокому вакууму”. Физикам необходимо, что бы в эту смесь не попал воздух, не попали осевшие на поверхностях реактора газы, а значит перед запуском вакуумную камеру необходимо откачать до еще более суровых значений - ~10^-6 Па. Примерно таких же значений требуют и инжекторы пучка нейтралов, работающие только в ультравысоком вакууме. Если бы кто-то включил эту установку на воздухе, зрелище 16 мегаваттного светящегося луча нейтралов, ионизирующих атмосферу было бы впечатляюще, хотя еще более впечатляющей была бы мегавольтная дуга внутри NBI.

Кроме контроля среды, второе важнейшее применение вакуума - термоизоляция сверхпроводящих магнитов, теплоприток к которым не должен превышать 65 киловатт от термоядерной плазмы, которая выдает до 760 мегаватт тепла. сделать это в ограниченном пространстве не прибегая к идеальному теплоизолятору было бы невозможно. Для этого вокруг всего реактора сооружается гигантская кастрюля с вакуумом - криостат, где и будут расположены все криогенные элементы, окруженные тепловыми экранами, изолирующими от теплового излучения стенок криостата и плазменого тора.

Криостат ИТЭР. Его размеры 30х30 метров. Обратите внимание на прямоугольные выступы внизу - это криосорбционные помпы, про которые я расскажу ниже.

Высочайшая скорость откачки, работа с тритием, запредельные требования по содержанию примесных газов в торе, мощные магнитные поля определили облик вакуумной системы ИТЭР, как единственной в своем роде.

Тритий, в силу своей радиотоксичности является контролируемым элементом. Он легко проходит сквозь уплотнение механических насосов, что определило сложную цепочку вакуумных насосов: криосорбционные насосы периодического действия откачивают вакуумную камеру, криостат и объем инжекторов нейтрального луча, их в свою очередь откачивают 6 криокондесационных насосов постоянного действия, которые ожижают изотопы водорода и отделяют их от гелия, который проходит через 3 ступени механических насосов и сбрасывается в систему очистки. Сжиженные изотопы водорода и натекающий в вакуум воздух попадают в систему обращения с тритием, о которой надо рассказывать отдельно.

В целом вакуумная система ИТЭР поделена на следующие блоки:

• Система откачки тора (вакуумной камеры)

• Система откачки инжекторов нейтралов (NBI)

• Вакуумная система криостата

• Форвакуумная система

• Сервисный вакуум для диагностик (например рентгеновских или масс-спектрометрических)

• Системы откачки для ECRH

• Система локализации утечек

Испытания прототипа криосорбционного насоса.

Самыми необычными элементом вакуумной системы является связка криопомп. Работа ИТЭР строится на постоянном обороте вещества через реактор - каждые 80...100 секунд плазменный объем полностью обновляется. При этом успевает прореагировать только 2% трития и дейтерия - остальное вместе с наработавшимся гелием и загрязнениями уходит в криосорбционные насосы, где газы поглощаются специальными панелями, покрытыми активированным углем из кокоса (который был выбран из 450 возможных сорбентов), охлажаемым до 4.5К текущим внутри гелием. Поскольку объем, газов, которые можно запихнуть в кокос не беспредельны, помпа получается периодического действия - подключаясь к объему сначала она адсорбирует на себе определенный объем дейтерия, трития и гелия, затем закрывается пневмоприводом, прогревается до 475 градусов кельвина (200 С) и выделяющиеся газы откачиваются вторым эшелоном форвакуумных помп - тех самых криоконденсационных. После чего помпа вновь захолаживается до 4.5 К, открывает гигантский клапан (диаметром 800 мм) и продолжает работу. Криосорбционные панели приходится защищать тепла от окружающего мира тепловыми экранами, охлажденными до 80К.

Конструкция помпы. Серое - корпус, синее - криосорбционные панели, зеленое - защитные тепловые экраны, пурпурное - привод клапана (желтый).

 

Панель, покрытая активированным углем. Именно она будет сорбировать и отдавать гелий и водород.

Три пары работающих попеременно криопомп расположатся в нижнем (диверторном) ряду портов, обеспечивая откачку тора, а еще одна пара будет поддерживать вакуум в криостате, будучи интегрированными в его стенки. Фантастическая производительность, простота конструкции и высокий уровень вакуума, достигаемый этим насосом не дается бесплатно. Алгоритм состояний такой помпы (поглощение - прогрев - выпуск — откачка второй линии - захолаживание - поглощение) обеспечивается специальной коробкой холодных клапанов, регулирующей потоки холодного, горячего и промежуточного газа через насос.

Короб холодных клапанов (25 управляющих и 18 предохранительных) криопомпы и его расположение в криостате ИТЭР.

В момент прогрева, криосорбционная помпа подключается к линии, которая откачивается следующим, уже форвакуумным насосом - на этот раз криоконденсационным. Такое двойное повторение одного процесса нужно потому, что первый этап обеспечивает откачку до давления в 0,01 Па при потоке до 60 Па * м^3 на насос, а второй, к сожалению, работает при давлении не ниже 10 Па.

Криоконденсационный форвакуумный насос в разрезе и живьем.

Криоконденсационные насосы так же являются рекордными в своем роде, работая по принципу сжижения всех исходящих из первой ступени газов, кроме гелия, в дюаре. Гелий при этом захватывается аэродинамически, и откачивается из устройства очередной форвакуумной ступенью. Эта разработка повторяет по типу уже установленные на крупнейшем токомаке JET.

 

Помпы связаны вот такой вакуумной линией.

Дальше газ (в основном гелий) передается на несколько последовательных механических насосов (две ступени насосов Рутса и на завершающем этапе - поршневых), которые обеспечивают его компрессию до атмосферного уровня. Всего в системе вакуума основных объемов будет установленно 12 криосорбционных помп, 6 криконденсационных и 20 механических. Механические насосы будут расположены в здании Трития, и герметизированы в специальных отсеках.

 

Тритий-совместимый поршневой форвакуумный насос на испытаниях.

В мощный поток топливных газов от вакуумной камеры и нейтрализующего газа от NBI будет примешиваться ручеек утечек гелия из магнитов в криостат. Криостат будет поддерживаться на уровне 10^-4 Па двумя криосорбционными помпами того же типа, что откачивают дивертор. Однако здесь они будут гораздо реже регенерироваться, а основные сложности с криостатом связаны с поиском в нем утечек.

 

Расположение насоса криостата.

 

Вообще говоря, для такого высокого вакуума утечки и десорбция осажденных газов - одна из главных проблем. Учитывая тысячи трасс с жидким и газообразным гелием, которые проходят через криостат, сотни тысяч болтовых соединений, каждое из которых может содержать в себе остаточный воздух, который будет медленно рассасываться, давая ложный сигнал об утечке, задача обнаружения негерметичностей будет непростой.  Инженеры ИТЭР собираются ее решать путем расположения на откачных линиях чувствительных масс-спектрометров гелия и специальных веществ-трейсеров, которые можно добавлять в отдельные линии с водой для локализации утечек. Так же локальным детектором утечки будет снабжен манипулятор, перемещающийся по криостату и по тору. Тем не менее, проблема газящих в вакуум остатков органики, пузырьков воздуха в уплотнениях, микротрещинок в гелиевых магистралях, раскрывающихся при охлаждении вполне может затянуть первый набор вакуума установкой на месяцы.

 

Упрощенная блок-схема вакуумной системы ИТЭР.

 

Кстати о чистоте. Усилия, которые нужны для обеспечения чистоты плазмы имеют вполне маниакальный масштаб. Кроме того, что сборка ИТЭР будет проходить в условиях “чистой комнаты” с соответствующей уборкой после монтажа и сварки, в подготовку к запуску входят 100 часовой вакуумный отжиг (все поверхности, обращенные к вакууму будут нагреты до 200-240 С для дерсорбции различных газов и летучих веществ), затем очистку вакуумной камеры тлеющим разрядом с чистящими газами, а затем очистку ее же излучением ECRH на ~1 мегаваттной мощности. В идеальном случае, если все будет работать как надо, набор технического вакуума (10 Па) займет сутки, еще сутки продлится переход на высокий вакуум, затем еще 24 часа отжига, и наконец, достижение «базового уровня вакуума».

Пневматическикий привод клапана криосорбционной помпы тора. Оцените размерчик.

 

Возвращаясь к уникальным изделиям необходимо вспомнить про инжекторы нейтрального луча. В соответствующей статье я говорил о том, что для этих уникальных ускорителей в одном объеме необходим как и ультравысокий вакуум (10^-5 Па), так и вполне себе ощутимое давление (0,3 Па - в тридцать тысяч раз выше!) нейтрализующего газа, где разогнанные положительные ионы будут терять заряд, превращаясь в нейтральные атомы, улетающие в сторону плазмы. Для обеспечения этого, пространство вокруг источника газа в нейтрализаторе окружено криосорбционными панелями. Их производительность в 25 раз выше, чем у цилиндрических собратьев, откачивающих тор и криостат, а регенерация будет происходить в перерывах работы.

 

Криосорбционные помпы NBI. Хитроспрятанные за тепловыми экранами (зеленые) сорбционные поверхности обеспечивают правильное распределение давления вдоль ускорителя нейтралов.

Одна сорбирующая секция помпы живьем, без покрытия.

 

Кроме основных мощных линий откачки в вакуумной системе ITER присутствуюn сотни маленьких насосов, которые обеспечивают локальный охранных вакуум (например, каждый из 54 портов снабжен таким постом), вакуумируют все элементы передачи микроволнового излучения, небезызвестные нам гиротроны, обеспечивают вакуум для диагностик, которые этого требуют (например микроволновые рефлектометры, ультрафиолетовые и рентгеновские приборы). Всего в комплексе будет установлено примерно 400 вакуумных насосов.

Наряду с ядерной безопасностью, криогеникой и электромагнитными полями необходимость работы в условиях высокого вакуума является одной из самых влияющих на выбор материалов, конструктива и технологий для любых элементов реактора, которые попадают в зону высокого вакуума.

 

Вакуумная лаборатория, открытая на площадке этой весной, предназначена для верификации вакуумной совместимости инженерных решений и образцов оборудования.

Комплексная природа вакуумной системы ИТЭР, постоянно живущей своей жизнью - уходящей на регенерацию, переключающей кучу потоков газа и жидкости не нравится и ее разработчикам - немецкому институту KIT (Karlsruhe Institute of Technology) и американской лаборатории Oak-Ridge. Для будущего реактора DEMO сейчас исследуется гораздо более простая, практически лишенная криогеники система с кольцевыми ртутными механическими насосами а так же с ртутно-диффузными высоковакуумными насосами. Так что возможно, что решения ИТЭР в области обеспечения вакуума термоядерных реакторов останутся в единственном экземпляре, что, однако не снижает их грандиозности...