Физика плазмы, 2021, T. 47, № 11, стр. 1050-1056

Параметры системы ИЦРН TRT

– рабочий диапазон частот, 60–80 МГц;

– полная ВЧ-мощность, не менее 6 МВт;

– длительность ВЧ-импульса, не менее 100 с.

Состав системы ИЦРН на токамаке ТRТ

– антенна с набором излучающих петель и экраном Фарадея;

– вакуумные передающие линии, включая узел керамического проходного изолятора;

– система вакуумной откачки;

– система согласования импеданса, состоящая из передающих линий, согласующих элементов, диагностического оборудования;

– ВЧ-генераторы;

– источник питания ВЧ-генераторов;

– система охлаждения ВЧ-генераторов и источников питания;

– система управления, согласования, диагностики, сбора и обработки информации.

Система согласования импеданса

Во время работы TRT в режиме Н-моды система ИЦРН должна обеспечивать эффективное согласование нагрузки антенны во время индуцированных колебаний на границе плазменного шнура (ELM) с выходным сопротивлением ВЧ-генератора.

Эту сложнейшую проблему можно будет разрешить с помощью использования системы с гибридными 3dB-разделителями (3dB hybrid couplers system), внешней Т-сопряженной системой согласования импеданса (External Conjugate-T (ECT) impedance matching system) или быстрой ферритовой настройки в реальном времени (Fast Ferrite Tuners – FFT).

Система с использованием гибридных 3dB-разделителей на JET представлена и описана в [5]. Гибридные 3dB-разделители установлены для разделения мощности от генераторов пополам между аналогичными петлями двух антенн A2 JET и представляют собой четырехпортовые квадратные четвертьволновые мосты, которые имеют свойство изолировать генераторы от отраженной мощности, приходящей обратно от петель антенн, относительная фаза между падающими напряжениями в двух выходных портах составляет 90°. Если изменение в нагрузке во время ELMов приводит к идентичному изменению в импедансе для двух выводных портов разветвителя, отраженная мощность пойдет в согласованную эквивалентную нагрузку вместо того, чтобы идти в выходную передающую линию ВЧ-генератора, не допуская срабатывания системы защиты генератора. Необходимо, чтобы два произвольных импеданса и их изменения были идентичными, для этого требуется низкая взаимная индуктивность, поэтому петли антенн должны быть достаточно далеко друг от друга или, например, разделены перегородкой.

Внешняя система Т-сопряжения согласования импеданса, примененная на JET, подробно представлена в [9], ее работа основывается на принципе настраиваемого параллельного резонанса, активные нагрузки включены в обе ветви цепей, и реактивы имеют равные абсолютные значения. Коэффициент стоячей волны (КСВ) близок к единице в широком диапазоне сопротивления нагрузки. Это поведение объясняет высокую устойчивость схемы T-сопряжения к ELMам.

В системе ИЦРН, основанной на принципе Т‑сопряжения, соответствующие токопроводящие петли принадлежат разным ИЦР-антеннам, они спарены для того, чтобы сформировать комплексные сопряженные импедансы на коаксиальных T-соединениях, расположенных вне вакуумного объема. Согласование генератора с антеннами производится в две ступени. На первой ступени используется компенсация входных реактивностей петель антенн за счет рабочей длины тромбонов. Вторая ступень согласования генератора с приведенным к сечению Т-соединения активным импедансом антенн производится подстройкой шлейфа и тромбона в выходном фидере ВЧ-генератора. Схема системы согласования ECT, используемая на JET, представлена рис. 1. Принятая конфигурация цепи ECT позволяет произвольно фазировать петли внутри антенны и исключает отрицательное влияние взаимной связи между сопряженными петлями на производительность системы.

Рис. 1.

Обобщенная схема согласования на основе принципа Т-сопряжения, внедренная на JET, где OTL, ITL, CTL, DTL – передающие линии, ODC, IDC, CDC, DDC – диагностические направленные ответвители.

Средний уровень поглощенной ВЧ-мощности при работе системы ECT с двумя антеннами A2 JET в режиме H-моды с ELMами достиг 4 МВт. При работе всех четырех антенн А2 JET одновременно с двумя системами согласования: ECT и с гибридными 3dB-разделителями поглощенная ВЧ-мощность в режиме с ELMами составила 7MВт [8].

Система согласования c использованием быстрой ферритовой настройки в реальном времени (FFT), внедренная на токамаке Alcator C‑Mod, подробно описана в работе [13]. Она представляет собой систему с тремя шлейфами, схема приводится на рис. 2. Ближайший шлейф к антенне имеет фиксированную длину, а два других шлейфа являются переменными шлейфами, каждый из которых представляет собой комбинацию участка линии передачи фиксированной длины и ферритового тюнера.

Рис. 2.

Схема согласования импеданса в реальном времени с тремя шлейфами.

Скорость распространения радиочастотных волн в линии передачи определяется электрической диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. Принцип работы ферритовых тюнеров заключается в том, что μ ферритовых плиток внутри тюнеров может изменяться в реальном времени, и в результате тюнеры способны следить за изменением нагрузки антенн ИЦРН из-за изменений в плазме. Ферритовые плитки погружены в постоянное магнитное поле. Чтобы изменить эквивалентную длину линейного участка, заполненного ферритовыми плитками, мы изменяем μ, добавляя магнитное поле смещения к постоянному окружающему полю, которое перемещает ферритовые плитки в различные положения на кривой намагничивания. Изменение этого поля смещения достигается изменением тока в катушках тока, окружающих плитки. Таким образом, ферритовые тюнеры ведут себя как шлейфы переменной длины, которыми можно просто управлять токами катушки снаружи.

Эта система способна достигать и поддерживать отраженную мощность ВЧ-генераторов менее чем на 1% в режиме реального времени практически при всех плазменных условиях и помогает обеспечить надежную работу антенн высокой мощности. Использование четырехпетельной антенны, сориентированной поперек магнитного поля за счет снижения ВЧ-напряжений в передающих линиях, позволило подавать ВЧ-энергию в плазму мощностью 3.7 МВт от источника мощностью 4 МВт [13].

Антенна

Загрязнение примесями и локализованные тепловые нагрузки, связанные с работой антенны ионного циклотронного диапазона частот (ИЦР), являются одними из наиболее сложных проблем для использования ИЦР-нагрева. Поток примесей в плазму генерируется взаимодействием ионов, ускоренных в полях, ассоциированных с медленной волной на периферии плазмы, с первой стенкой и поверхностью антенны. С целью уменьшить генерацию примесей волной на токамаке Alcator C-Mod была разработана и успешно применена антенна, сориентированная поперек магнитного поля [17].

Антенна, ориентированная поперек магнитного поля (ПА) представляет собой четырехпетельную ИЦР-антенну, в которой токовые петли и стороны корпуса антенны перпендикулярны, а стержни экрана Фарадея параллельны общему магнитному полю [18]. При использовании ПА‑антенны наблюдается, что примесное загрязнение и источник примеси на антенне уменьшаются по сравнению с использованием типовой антенны, ориентированной по тору (ТА). Общая осажденная ВЧ-энергия на антенне значительно возрастает, когда антенна ПА работает при монопольном фазировании петель по сравнению с дипольной фазировкой. ПА-антенна также более толерантна к изменениям нагрузки при ELMах по сравнению с ТА-антеннами [18]. Стоит отметить, что как при L-, так и при H-модовых разрядах излучаемая мощность для разряда с нагревом ПА-антенны на 20-30% ниже, чем для разряда с нагревом двух TA-антенн.

Разработка и успешное применение трехпетельной антенны обеспечило возможность снижения наведенных токов в корпусе антенны, и таким образом снижение локального высокочастотного потенциала, что в экспериментах на ASDEX Upgrade [19] продемонстрировало существенное снижение поступления в плазму примесей по сравнению с работой с двухпетельной антенной.

Применение трехпетельных ИЦР-антенн с полностью вольфрамовыми лимитерами на ASDEX Upgrade приводит к уменьшению и содержания W в плазме по крайней мере в два раза по сравнению с двухпетельными антеннами с вольфрамовыми лимитерами, используемыми ранее [20].

В работе [21] представлены экспериментальные данные локальных значений ВЧ-тока, постоянного тока, выхода распыления вольфрама для нескольких местоположений на трехпетельной антенне в зависимости от вариаций баланса мощностей в петлях антенны и фазировки петель. Величины испытывают минимум при дипольной фазировке петель, и когда мощность центральной петли близка к удвоенной сумме мощностей крайних петель.

Предполагается, что для системы ИЦР-нагрева на ТRТ будет использован экваториальный патрубок с поперечными размерами: ширина 63 см и высота 100 см.

По результатам анализа и проработки конструктивных элементов антенны в дальнейшем будет выбран трех- или четырехпетельный вариант конструкции ИЦР-антенны с ориентацией петель поперек магнитного поля (ПА) либо с типовой ориентацией (ТА). Конструкция антенны будет сильно зависеть от того, как она будет крепиться: вставляться снаружи через патрубок или крепиться со стороны вакуумной камеры. От этого будет зависеть размер площади антенны, а значит величина излучающей ВЧ-мощности системы ИЦРН.

При использовании антенны с наружным креплением легче применить радиальную подвижку без нарушения вакуума для оптимизации связи антенны с плазмой.

ВЧ-генератор

Опыт эксплуатации систем ИЦРН в токамаках JET и ASDEX Upgrade показал хорошую работоспособность и достаточную гибкость систем на основе ВЧ-генераторов с контролируемым внешним возбуждением [4, 9, 19]. Один из вариантов исполнения такого усилителя ВЧ-мощности с тетродом ТН526А в выходном каскаде представлен на рис. 3.

Рис. 3.

Структурная схема ВЧ-генератора.

Система ВЧ-питания петель антенны системы ИЦРН ТRТ должна содержать автоматическую подстройку частоты и систему регулировки сдвига фазы выходного напряжения между разными ВЧ-генераторами. С этой целью в выходном фидере усилителя, содержащем регулируемые элементы системы согласования генератора и нагрузки, используется последовательность диагностических направленных ответвителей.

Обработка по заранее отработанному алгоритму аналоговых сигналов проходящей и отраженной мощностей позволяет отслеживать коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) в фидере и формировать необходимые сигналы управления шлейфом для поддержания его на заданном уровне от 1 до 1.5 во время передачи энергии в нагрузку. Высокое значение КСВН (более 3) при развитии пробоя в ВЧ-тракте используется для формирования сигнала защиты лампы от возникающих перенапряжений и кратковременного отключения питания усилителя. В каждом канале усиления имеется трехкаскадный предусилитель, который содержит управляемый задающий генератор на ВЧ транзисторах и два последовательных каскада усиления на высоковольтных тетродах. Оконечный каскад на тетроде ТН526А выполнен по схеме однотактного усилителя с общей сеткой с входным и выходным контурами на коаксиальных линиях. Выходной каскад работает в режиме класса В (либо С) с углом осечки анодного тока не более 90°. Высокая собственная добротность коаксиального резонатора должна обеспечить высокий КПД нагруженного контура и общий КПД выходного каскада близким к теоретическому пределу 78%. При этом в режиме близком к критическому амплитуда импульса анодного тока будет на уровне 420 А, а амплитуда первой гармоники на основной резонансной частоте выходного контура порядка 210 А. Для исключения возможности самовозбуждения выходного каскада рабочая частота возбудителя должна быть не выше так называемой частоты “самонейтрализации” тетрода, которая зависит как от межэлектродных емкостей лампы, так и от индуктивности подсоединения экранной сетки к катоду. Применение схемы с общей сеткой помимо того, что обеспечивает устойчивую работу генератора на более высоких частотах, позволяет передавать большую часть мощности возбудителя непосредственно через проходную емкость лампы в полезную нагрузку. Колебательная мощность в выходном контуре при постоянном анодном напряжении 24 кВ должна быть на уровне 2 МВт при частотах 60–80 МГц. Максимальная мощность, отбираемая от источника анодного напряжения в ламповый контур, достигает в этом режиме 2.76 МВт, коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде составляет 14.5 dB. Коаксиальные разделительные емкости задают режим тетрода по постоянному току, а реактивное сопротивление элемента связи трансформирует волновое сопротивление фидера в такое вносимое сопротивление в контур, которое обеспечит заданное значение КПД резонансной системы.

Выходное сопротивление ВЧ-генераторов выбрано равным 30 Ом (сопротивление, при котором коэффициент передачи по мощности максимальный для генератора при неизменном допустимом напряжении пробоя в коаксиальной линии). Волновое сопротивление всех передающих линий выбирается также Z₀ = 30 Ом, как и волновое сопротивление вакуумной передающей линии.

Источник питания ВЧ-генератора

Максимальная импульсная мощность, потребляемая каждой ВЧ-лампой TH526A из цепи анодного питания, составляет 2.8 МВт. С учетом мощности каналов предварительного усиления порядка 100 кВт, необходима разработка специальных источников питания ВЧ-модулей мощностью по 3 МВт, общая потребляемая мощность составит 9 МВт. Кроме того, к источникам питания предъявляются следующие дополнительные требования: регулировка выходного напряжения от 0.2U_max до U_max; работа при изменении длительности ВЧ-импульса от 1 мс до 100 с; быстродействующая защита, предотвращающая выходы из строя ВЧ-лампы, фидера и антенного контура при возникновении в них пробоев.

Схема системы ИЦРН

На данное время предполагается, что в системе ИЦРН будет использоваться одна антенна, состоящая из трех тороидальных петель, каждая из которых будет запитываться через систему согласования импеданса от отдельного ВЧ-генератора мощностью до 2 МВт и может быть фазирована относительно других петель. Фаза и амплитуда в трех каскадных усилителях ВЧ-генератор будет задаваться системой фазовой и амплитудной модуляции. Укрупненная блок-схема системы ИЦРН приведена на рис. 4.

Рис. 4.

Укрупненная блок-схема системы ИЦРН.

Стоит отметить, что обычно в системах ИЦРН-плазмы токамаков используются нескольких антенн, расположенных осесимметрично по тору для более равномерного нагрева плазмы и, следовательно, уменьшения градиентов температуры компонентов плазмы и сохранения устойчивости конфигурации плазмы. При этом увеличивается доступная площадь для установки и подключения антенн к системам согласования и генераторам. На пример, на токамаке JET используется четыре антенны А2 и ILA-антенна (ИТЭР-подобная антенна) [20], на ASDEX Upgrade четыре антенны [20], на Alcator C-Mod три антенны [18], на EAST две антенны [22].

Основные первоначальные работы по системе ИЦРН

– детальная проработка и выбор системы согласования импеданса;

– проработка согласующих элементов, включая шлейфы, ферритовые тюнеры, тромбоны и т.п.;

– разработка диагностического оборудования, в том числе направленных ответвителей и т.п.;

– проработка и выбор геометрической конфигурации многопетельной антенны;

– разработка и изготовление прототипа многопетельной антенны с экраном Фарадея, вакуумной передающей линии, узла проходного керамического изолятора;

– для определения оптимальной фазировки петель в антенне, а также для оценки сопротивления связи с плазмой необходимо провести расчеты с использованием полноволнового или лучевого кода;

– проведение электрических, электромеханических, тепловых расчетов узлов системы ИЦРН с использованием расчетных пакетов ANSYS или COMSOL Multiphysics;

– разработка и изготовление стенда для проведения испытаний прототипа антенны, вакуумной передающей линии, элементов передающих линий, согласующих элементов.

На стенде ИЦРН-токамака ТRТ должны быть проведены следующие исследования:

– испытания на электрическую прочность узлов антенны, вакуумной передающей линии, согласующих элементов, в том числе проходных керамических и опорных изоляторов;

– исследования нагрева петель антенны, керамических изоляторов и контактных узлов электрического контура;

– исследования возможности возникновения мультипакции (резонансного вакуумного разряда) в области пучности тока в петлях антенны.