QST завершил испытания первого гиротрона с выходом микроволнового излучения 170 ГГц на площадке ИТЭР

Японское агентство по квантовым наукам и технологиям (QST) 31 июля объявило, что на площадке Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) на юге Франции завершены интеграция и эксплуатационные испытания первого гиротрона, в ходе которых успешно получено микроволновое излучение мощностью 170 ГГц. Данная система предназначена для генерации и нагрева плазмы ИТЭР и является одним из ключевых устройств в рамках плана по началу эксплуатации реактора в 2034 году.

Основным элементом испытаний стал гиротрон — источник микроволнового излучения высокой мощности. Для работы гиротрона требуется согласованное функционирование вспомогательного оборудования, включая источники питания, сверхпроводящие катушки и систему охлаждения. Ранее QST завершил испытания характеристик восьми гиротронных систем ИТЭР на испытательном стенде в Институте термоядерных исследований Нака в Японии, после чего гиротроны, сверхпроводящие катушки и квазиоптические согласующие узлы были доставлены на площадку ИТЭР. В течение последних трёх лет QST вёл работы по монтажу, пусконаладке и подготовке систем к эксплуатации на площадке.

В ходе испытаний гиротрона №1 на площадке техническим специалистам потребовалось выполнить точную юстировку сверхпроводящей катушки массой около 1 тонны, высотой 1,1 метра и диаметром 1,4 метра относительно гиротрона, обеспечив отклонение между осью магнитного поля катушки и центральной осью гиротрона в пределах 1 миллиметра. Затем команда провела точную настройку главного источника питания, закупленного у европейской стороны, а также электродных источников питания (анодного и корпусного), закупленных QST, обеспечив стабильную работу нескольких систем питания, способных выдавать напряжение в десятки киловольт.

При работе гиротрона электроны, испускаемые электронной пушкой, ускоряются вдоль силовых линий магнитного поля под высоким напряжением около 75 кВ и возбуждают вращающееся электрическое поле в резонаторе, что приводит к генерации микроволнового излучения частотой 170 ГГц. Поскольку оборудование хранилось на площадке ИТЭР в течение некоторого времени после доставки, на внутренних стенках гиротрона могли адсорбироваться газы. Специалисты QST на площадке сначала провели процедуру старения нагревателя для удаления адсорбированных газов, после чего приступили к испытаниям с извлечением пучка под высоким напряжением.

На начальном этапе испытаний команда наблюдала распределение тепла после нагрева миллиметровой бумаги микроволновым излучением с помощью инфракрасной тепловизионной камеры и обнаружила расщепление диаграммы направленности пучка, что указывало на возможное возбуждение конкурирующей моды за пределами 170 ГГц в резонаторе. Впоследствии специалисты повторно измерили положение сверхпроводящей катушки с помощью лазерного измерителя перемещения и под руководством QST выполнили микрорегулировку в горизонтальном направлении с шагом около 1 миллиметра, в результате чего была получена диаграмма направленности пучка нормальной моды. Результаты измерения частоты показали сильный сигнал на частоте 170,135 ГГц, что подтвердило нормальную генерацию гиротрона на расчётной частоте.

Для дальнейшего повышения характеристик QST увеличил точность юстировки центральной оси гиротрона и сверхпроводящей катушки до уровня 0,1 миллиметра и завершил текущий цикл испытаний. На следующем этапе QST планирует создать систему передачи от выходного окна гиротрона до устройства поглощения микроволнового излучения — «эквивалентной нагрузки» — и провести приёмочные испытания на площадке с целью достижения непрерывного микроволнового излучения мощностью 1 МВт в течение нескольких сотен секунд. Остальные семь гиротронных систем также будут последовательно испытаны под руководством QST в соответствии с планом для поддержки достижения ИТЭР первоначальной плазмы и перехода к этапу исследовательской эксплуатации.