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170 GHz ITER Gyrotron / koaxiales 2MW Gyrotron

170 GHz ITER Gyrotron / koaxiales 2MW Gyrotron
Ansprechpartner:

Dr. Tomasz Rzesnicki

Im Auftrag von F4E ist das IHM im Rahmen des Europäischen Gyrotron Konsortiums (EGYC) an der Entwicklung von Seriengyrotrons für das ECRH-System bei ITER beteiligt. Das IHM trägt hier inzwischen durch den wissenschaftlichen Entwurf fast aller elektronenoptischer Komponenten
(Elektronenkanone) und Millimeterwellenkomponenten (Strahltunnel, Resonator, Quasi-optischer Modenwandler) der Gyrotrons bei, außerdem mit Kurzpulstest in einem eigenen modularen Gyrotron (Kurzpuls-Pre-Prototyp). Der Langpulstest der von TED technisch entworfenen und hergestellten Gyrotrons (industrieller Prototyp) wird im eigens dazu eingerichteten Teststand am CRPP Lausanne durchgeführt. Die anderen Partner des Konsortiums tragen vor allem durch theoretische Unterstützung (HELLAS) und Entwicklung der HF-Last (IFP-CNR) bei.
Der Europäische Beitrag zum ECRH-System von ITER besteht aus Millimeterwellen-Generatoren für insgesamt 8 MW Ausgangsleistung bei 170 GHz. ITER spezifiziert dazu maximal acht Gyrotrons mit jeweils minimal 1 MW Ausgangsleistung. In der EU wird dies mit der Entwicklung eines 2 MW Gyrotrons mit koaxialem Resonator angestrebt, weil konventionelle Gyrotrons bei 170 GHz solche Ausgansgleistungen nicht erreichen können. Als Rückfall-Lösung wird auch der Entwurf eines konventionellen 1 MW-Gyrotrons verfolgt.

Meilensteine der koaxialen 2MW-Gyrotron-Entwicklung für ITER:

  • 2007-2008: Lieferung und erste Tests des industriellen Prototypen am CRPP. Das Gyrotron erreichte seine Designziele nicht und konnte nur in Pulsen von wenigen Millisekunden betrieben werden. Als Ursache wurde in erster Linie ein ungenügender Entwurf der Elektronenkanone festgestellt.
  • 2009: 2.2 MW Weltrekord-Ausgangsleistung mit dem Kurzpuls-Pre-Prototypen. Gleichzeitig konnte durch Einsatz eines verbesserten quasi-optischen Modenwandlersystems mit neuartigem Launcher, für dessen Entwurf das Programm TWL_DO entwickelt wurde, ein mit 96% hervorragend modenreiner HF-Ausgangsstrahl nachgewiesen werden. Durch erstmaligen Einsatz eines korrugierten Strahltunnels konnten auch parasitäre Schwingungen im Strahltunnel vollständig unterdrückt werden.
  • 2011: Lieferung und Test des reparierten und modifizierten industriellen Prototyps. Der Prototyp wurde mit einer neuen, nach verbesserten Entwurfskriterien völlig neu entworfenen Elektronenkanone ausgestattet, wie auch mit einem neuen quasi-optischen Modenwandlersystem identisch dem zwei Jahre zuvor erprobten und einem ebenfalls korrugierten Strahltunnel. Die Reparatur erwies sich von technischer Seite als problematisch, was zu großen Lieferverzögerungen führte und möglicherweise auch den frühzeitigen Totalausfall der Röhre durch Brechen eines internen HF-Absorbers mit verursachte. Die mit wenigen Wochen Vorbereitung und nur vier Tagen außerordentlich kurze Testphase reichte dennoch aus, um den Erfolg der Modifikationen zu bestätigen. Insbesondere die neue Elektronenkanone zeigte in jeder Hinsicht optimales Verhalten. Diese Verbesserungen gipfelten schließlich im erstmaligen Erreichen einer Ausgangsleistung von 2 MW bei 45% Wirkungsgrad mit dem industriellen Prototypen, bei Pulslängen von 1ms. Infolge des Totalschadens bereits  am fünften Tag der Messkampagne konnte leider keiner dieser Werte noch weiter gesteigert werden.
  • Infolge des steigenden Zeitdrucks in der Entwicklung für ITER wird nun der Umstieg auf die konventionelle Rückfall-Lösung auf der Basis der Erfahrungen mit vergleichbaren Gyrotrons  für W7-X erwogen.