Микроволновые технологии для УТС

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МИКРОВОЛНОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ УТС  
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

УДК 537.86 
ББК 22.336 
М59 
 
 
 
Авторы: 
Сарксян К. А., Петров А. Е., Скворцова Н. Н., Гусейн-заде Н. Г., Степахин В. Д. 
 
Рецензенты: 
д. ф.-м. н., профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана Чирков А. Ю.; 
д. ф.-м. н., профессор МТУСИ Казанцев С. Ю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М59   
Микроволновые технологии для УТС : учебное пособие / [Сарксян К. А. и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 84 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1619-1 
 
Рассмотрены вопросы прикладной радиотехники, связанные с использованием 
микроволновых технологий при исследовании замагниченной высокотемпературной 
плазмы в тороидальных установках управляемого термоядерного синтеза. Представлены лекции по электронно-циклотронному резонансному нагреву высокотемпературной плазмы микроволновым излучением мощных гиротронов и по транспортировке 
микроволн в квазиоптических трактах систем нагрева. Описаны бесконтактные радиофизические диагностики для исследования плазменных флуктуаций с использованием 
маломощных источников излучения ௅ варианты микроволнового коллективного рассеяния.  
Для студентов, изучающих современные радиоволновые технологии. Может быть 
полезно научным сотрудникам и инженерам, работающим в области нанотехнологий, 
плазменных технологий. 
 
УДК 537.86 
ББК 22.336 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1619-1 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
 
УТС – управляемый термоядерный синтез 
МАГАТЭ – Международное Агентство по Атомной Энергии 
МЦР – мазер на циклотронном резонансе 
КПД – коэффициент полезного действия 
ЭЦР нагрев ௅ электронно-циклотронный резонансный нагрев  
МИГ-1, 2, 3 – гиротронные комплексы нагрева плазмы на стеллараторе Л-2М 
НЧ ௅ низкочастотные 
 
 
 
 
3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ  
В ТОРОИДАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ УПРАВЛЯЕМОГО  
ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА ................................................................................. 6 
1. ВВЕДЕНИЕ 
.......................................................................................................... 6 
2. ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ НАГРЕВ  
В ЗАМАГНИЧЕНОЙ ПЛАЗМЕ 
............................................................................. 8 
3. ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ НАГРЕВ  
В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2M 
.................................................................................... 13 
3.1. Стелларатор Л-2М 
...................................................................................... 14 
3.2. Гиротронный комплекс для ЭЦР нагрева плазмы 
.................................. 16 
3.3.1. Система электропитания гиротронного комплекса 
......................... 17 
3.3.2. Блок гиротрона .................................................................................... 19 
3.3.3. Квазиоптический тракт 
....................................................................... 21 
3.3.4. Измерительный блок СВЧ мощности ............................................... 23 
4. ПРИМЕРЫ РАЗРЯДОВ ПЛАЗМЫ В СТЕЛЛАРАТОРЕ Л-2М  
ПРИ ЭЦР НАГРЕВЕ ............................................................................................. 24 
4.1. Нагрев плазмы одним гиротроном ........................................................... 24  
4.2. Нагрев плазмы двумя гиротронами 
.......................................................... 25 
4.3. Нагрев несколькими импульсами гиротрона  
в течение одного разряда плазмы .................................................................... 26 
ЛИТЕРАТУРА К 1 ГЛАВЕ .................................................................................. 28 
 
ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТИРОВКА МИКРОВОЛН  
В КВАЗИОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ................................................................. 31 
1. ВВЕДЕНИЕ 
........................................................................................................ 31 
2. КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ И ВОЛНОВОДНЫЕ СПОСОБЫ  
ТРАНСПОРТИРОВКИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ....................................................... 32 
2.1. Физическая задача 
...................................................................................... 33 
2.2. Типы квазиоптических трактов ................................................................ 33 
2.2.1. Сверхразмерные круглые волноводы ............................................... 33 
2.2.2. Открытые линзовые системы 
............................................................. 34 
2.2.3. Открытые зеркальные системы ......................................................... 34 
2.2.4. Комбинированные системы ............................................................... 35 
3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ ..................................................................... 35 
3.1. Преобразование выходной моды гиротрона в плоскую волну ............. 36 
3.2. Теория преобразования гауссовых пучков 
.............................................. 39 
3.3. Переход к зеркалам или линзам ............................................................... 43 
4. МЕТОДИКА НАСТРОЙКИ 
............................................................................. 44 
4.1. Пример расчёта зеркального тракта для конкретной  
физической задачи ............................................................................................ 47 
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 49 
ЛИТЕРАТУРА КО 2 ГЛАВЕ ............................................................................... 51 
4 

 
ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОВОЛНОВОГО РАССЕЯНИЯ  
И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСЦИЛЛЯЦИОННЫХ  
ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ 
........................................................................................ 52 
1. ВВЕДЕНИЕ 
........................................................................................................ 52 
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ МИКРОВОЛНОВОГО  
РАССЕЯНИЯ ......................................................................................................... 53 
3. РАСЧЕТНЫЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ ................................................... 56 
3.1. Передача мощности рупорно-линзовыми антеннами ............................ 56 
3.2. Мощность, рассеянная на флуктуациях плотности 
................................ 58 
3.3. Экспериментальное определение спектральной плотности  
и чувствительности методики 
.......................................................................... 59 
3.4. Основы проектирования диагностики коллективного рассеяния 
......... 60 
4. ПРИМЕРЫ СОЗДАНИЯ 2-ММ ДИАГНОСТИК КОЛЛЕКТИВНОГО  
РАССЕЯНИЯ НА ТОРОИДАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 
................................... 61 
4.1. 2-мм диагностика для стелларатора Л-2 
.................................................. 61 
4.2. 2-мм диагностика для стелларатора ATF ................................................ 66 
4.3. 2-мм диагностика для торсатрона TJ-1U ................................................. 71 
4.4. 2-мм диагностика для гелиака TJ-II ......................................................... 73 
ЛИТЕРАТУРА К 3 ГЛАВЕ .................................................................................. 81  
 
5 

 
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ  
В ТОРОИДАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ УПРАВЛЯЕМОГО  
ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА 
 
В первой главе пособия представлено описание технологии электронноциклотронного нагрева замагниченной плазмы в тороидальных установках 
управляемого термоядерного синтеза (УТС). Приведен пример реализации данного метода в стеллараторе Л-2М. Представлено описание технического гиротронного комплекса для электронно-циклотронного нагрева плазмы стелларатора Л-2М. Приведены примеры параметров высокотемпературной плазмы, достигаемых при таком методе нагрева. 
 
1. ВВЕДЕНИЕ 
 
Более полувека в мире проводятся исследования, целью которых является 
использование управляемых термоядерных реакций синтеза легких ядер (D-D, 
D-T, D-3He и др.) для энергетики [1–3]. Для D-T смеси (предполагаемая основная реакция для реактора) необходим нагрев плазмы до 100–150 млн градусов 
(10–15 кэВ), термоизоляция и удержание топлива в реакторе на время, обеспечивающее режим для сгорания. В основе создания будущего термоядерного реактора заложена идея использования магнитного поля для термоизоляции стационарно удерживаемой в реакторе плазмы (магнитное удержание плазмы).  
В настоящее время исследования плазмы проводятся в двух типах тороидальных магнитных ловушек: токамаках и стеллараторах [4]. Токамак представляет 
собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидального магнитного поля. В токамаке формирование и первоначальный нагрев плазмы осуществляется током, текущим по плазме, который 
создает сильное полоидальное магнитное поле, для предотвращения тороидального дрейфа. Суперпозиция этих двух компонентов дает винтовые линии, 
которые не замыкаются на себя и заполняют целиком магнитные поверхности, 
поэтому структура магнитного поля токамака состоит из вложенных друг  
в друга тороидальных поверхностей. Кроме тороидальных катушек, для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки вокруг вертикальной оси 
камеры токамака. В отличие от токамака в стеллараторе обе компоненты (тороидальная и полоидальная) магнитного поля создаются с помощью токов во 
внешних магнитных обмотках, поэтому вложенные тороидальные магнитные 
поверхности в стеллараторах существуют и в отсутствии плазмы (для этих 
установок не нужен ток). 
К настоящему времени в мире работает более десятка тороидальных термоядерных установок – токамаки Т-10, JT-60, JET, стеллараторы Л-2М, TJ-II, LHD  
(с описанием установок можно познакомиться на сайте МАГАТЭ [5]). В 2015 году получена плазма на новом крупномасштабном стеллараторе W7-X со сверхпроводящими магнитными катушками [6], в 2021 году в Курчатовском инсти6 

 
туте успешно прошла церемония физического пуска термоядерной установки ௅ 
токамака Т-15МД [7]. 
До 70-х годов XX века нагрев плазмы в тороидальных ловушках производился за счет джоулевых потерь тока, индуцированного в плазме (омический 
нагрев). Проводимость плазмы V  растет при повышении температуры (
2
/
3
~
e
T
V
), 
и, если плотность тока j  остается постоянной, то джоулевы потери уменьшаются (
V
/
~
2
j
) и эффективность нагрева падает. С увеличением размеров установок происходит падение плотности тока, что приводит к дополнительному 
уменьшению эффективности нагрева. На токамаках Т-10 и PLT было показано, 
что при напряженности магнитного поля в тороидальных установках (даже при 
использовании сверхпроводящих катушек) не достижимы температуры плазмы 
выше 1–2 кэВ, что на порядок меньше температуры для протекания DT реакции.  
Дальнейшие термоядерные исследования при высоких значениях плотности и температуры оказались возможны лишь при использовании дополнительных способов нагрева плазмы, нагрев с помощью высокочастотных волн и инжекцией нейтральных пучков [8, 9]. Во всех тороидальных установках, таких 
как токамаки и стеллараторы, используются одни и те же методы дополнительного нагрева. Показано, что эффективность нагрева плазмы приблизительно 
одинакова и составляет 1–3 эВ/кВт при использовании различных методов дополнительного нагрева, поэтому выбор метода зависит от технических возможностей установки, экономических затрат и простоты реализации.  
Среди высокочастотных методов нагрева различают ионно-циклотронный 
(нагрев ионов), нижнегибридный (нагрев ионов), электронно-циклотронный 
(нагрев электронов с дальнейшей передачей энергии ионам) [10]. В строящейся 
в настоящее время международной термоядерной установке ITER будут использованы три метода дополнительного нагрева: ионно-циклотронный, электронно-циклотронный и пучковый [11]. Электронно-циклотронный нагрев 
плазмы в ITER, как и на других тороидальных установках осуществляется при 
помощи мощных электронных СВЧ-устройств – мазеров на циклотронном резонансе (МЦР-генераторов или гиротронов) [12, 13].  
На первом этапе работы ITER планируется электронно-циклотронный 
нагрев при помощи нескольких гиротронов с частотой издучения 170 ГГц, 
мощностью по 1 МВт каждый, с длительностью СВЧ импульса до 1 часа. Такие 
гиротроны для международного термоядерного реактора ITER созданы российской фирмой «ГИКОМ» [14] и японской фирмой Toshiba [15].  
В таблице 1 приведены параметры гиротронных комплексов в разных токамаках и стеллараторах: число гиротронов, мощности ЭЦР-нагрева, частоты 
микроволнового излучения, магнитные поля установок, определяющие частоты 
электронно-циклотронного нагрева, удельный энерговклад СВЧ излучения в 
плазму. Как следует из этой таблицы, в РФ в настоящее время успешно работает гиротронный комплекс из 2 гиротронов на стеллараторе Л-2М.  
 
 
 
 
7 

 
Таблица 1 ௅ Параметры гиротронных комплексов в токамаках и стеллараторах 
Название 
установки 
Магнитное  
поле, Т 
Количество  
гиротронов 
Удельный  
энерговклад, 
МВт/м3 
Частота ЭЦР 
нагрева, ГГц 
Малый радиус  
тора, м 
Объём камеры, 
м3 
Мощность ЭЦР 
нагрева, МВт 
Стеллараторы 
Л-2М,  
РФ 
0,12 
0,25 
1,0 
75 
1,3 
4 
2 
W7-X, 
ФРГ 
0,55 
30 
10 
140 
2,5 
0,3 
10 
LHD, 
Япония 
0,65 
30 
10 
84/168 
3 
0,5 
9 
Токамаки 
Т-10, 
РФ 
0,3 
2,7 
3 
129/140 
2,5 
1,1 
11 
EAST, 
Китай 
0,45 
5 
7,5 
140 
3,5 
1 
3 
TCV, 
Швейцария 
0,25 
1 
4,5 
82,6 
1,43 
5 
9 
ASDEX, 
ФРГ 
0,5/0,8 
13 
27 
140 
3,9 
0,62 
12 
Строящиеся токамаки  
Т-5МД,  
РФ 
0,67 
20 
8 
83/105 
2 
0,4 
7 
ITER 
2 
840 
> 20 
170 
5,3 
0,03 
> 20 
 
В настоящей лекции представлен метод электронно-циклотронного 
нагрева плазмы в тороидальных установках. В качестве примера практической 
реализации представлен метод электронно-циклотронного создания и нагрева 
плазмы, успешно осуществленный в стеллараторе Л-2М. Техническое описание 
данного метода основано на трех гиротронных комплексах, последовательно 
созданных для данной установки, на которых были использованы основные 
сценарии электронно-циклотронного резонансного нагрева в тороидальной 
установке и выбраны наиболее эффективные. 
 
2. ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ НАГРЕВ  
В ЗАМАГНИЧЕНОЙ ПЛАЗМЕ 
 
Идея об электронно-циклотронном и ионно-циклотронным методах нагрева высокотемпературной плазмы возникла практически одновременно с появлением первых тороидальных установок [16]. Электронно-циклотронный нагрев был реализован после создания мощных электронных СВЧ-устройств: мазеров на циклотронном резонансе МЦР-генераторов или гиротронов [17, 18].  
8 

 
В современной вакуумной электронике по уровню выходной мощности в 
миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах несомненное лидерство принадлежит гирорезонансным генераторам (гиротроны, гиро-JIOB) и усилителям 
(гироклистроны, гиро-ЛБВ). Эти генераторы основаны на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических 
систем, не содержащих малых, по сравнению с длиной волны, элементов.  
Взаимодействие электронного пучка с высокочастотным (ВЧ) полем происходит в резонаторе, находящемся в области однородного участка магнитного поля, создаваемого магнитной системой на основе соленоида или постоянного магнита. Величина магнитного поля составляет от 1 до 4Т (и выше). Обычно используется сверхпроводящий магнит. Высокочастотное излучение с частотой Z 
генерируется и усиливается благодаря группировке электронов в такой фазе их 
вращения в магнитном поле, в которой это движение тормозится высокочастотным полем, отбирающем часть вращательной энергии электронов [19–21]. 
Из резонатора излучение выводится в виде волны, сохраняющей поперечную 
структуру рабочей моды. Электронный пучок после взаимодействия с высокочастотным полем осаждается на коллектор, система охлаждения которого рассчитывается с учетом допустимой тепловой нагрузки. Основным достоинством 
гиротронов является возможность достижения высокого уровня мощности  
в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [22–24]. 
 
 
Рисунок 1 ௅ Общая схема гиротрона:  
1 – катод, 2 – анод, 3 – электронный пучок, 4 – резонатор,  
5 – коллектор, 6 – выходное окно, 7 – магнитная система 
 
Особенностями гиротрона являются: 
1) в нарастающем магнитном поле вблизи области взаимодействия происходит перекачка продольной энергии электронов (от высокого напряжения 
анод-катод) в поперечную энергию, 
2) пространство взаимодействия представляет собой слабонерегулярный 
сверхразмерный волновод (резонатор), 
9