"Водяные" электронные ускорители

На соискание Государственной премии СССР

Институт ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР выдвинул на соискание Государственной премии СССР за 1981 год цикл работ "Разработка научно-технических основ и создание мощных импульсных, электронных ускорителей с водяной изоляцией". Это работы, связанные с освоением нового метода водяной изоляции в накопителях электрической энергии и созданием на их базе сверхмощных сильноточных электронных ускорителей с напряжением мегавольтного диапазона.


На снимках: вверху - мощный импульсный ускоритель электронов с водяной изоляцией;
внизу - детали сильноточного мегавольтного водяного разрядника.
Фото Н. АНАНЬЕВА.


 

До 60-х годов ученые и инженеры, разрабатывающие высоковольтные устройства, предпочитали использовать в качестве изоляции трансформаторное масло или газ при высоком давлении. При пробоях эти диэлектрические среды восстанавливают свои свойства и сравнительно легко очищаются от продуктов разложения. Но, основываясь на этой традиционной технике, оказалось очень трудным создать сверхмощные импульсные высоковольтные генераторы, потребность в которых возникла в связи с развитием исследований по управляемому термоядерному синтезу, по возбуждению газовых лазеров, по получению мощных вспышек жесткого рентгеновского излучения и других.

В 1963 году в Институте ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР по инициативе академика Г.И. Будкера были начаты исследования возможности использования в высоковольтных накопителях электрической энергии очищенной воды. Такая вода обладает высокой диэлектрической проницаемостью - почти в 40 раз большей, чем у трансформаторного масла, и это позволяло надеяться, что можно будет запасать гораздо больше электрической энергии.

Хорошо известно всем, что вода, хоть и плохо, но проводит электрический ток и в обычной практике ни считается изолятором. Ее невозможно использовать при относительно медленном накапливании электрической энергии. Выход был найден в применении импульсного режима работы. Возникли, также и дополнительные проблемы, связанные с необходимостью создания системы постоянной очистки воды, чтобы непрерывно поддерживать электрическую проводимость воды на низком уровне. Для этого требовался большой круг физических исследований по измерению импульсной электрической прочности воды в зазорах и в присутствии, твердотельных изоляторов (разделительные диафрагмы, подпорки и т. п.). Перечисленные проблемы, а также отсутствие опыта использования воды в высоковольтных накопителях с большой плотностью энергии ставили проблему в разряд малореальных.

Потребовалось мнго труда и усилий, пока выяснилось, что при коротких импульсах длительностью равной и менее одной миллионной доли секунды электрическая прочность воды увеличивается, что вода не изменяет своих свойств при электрических пробоях и что имеется возможность доступными средствами снижать электропроводность воды. Постепенно идея водяной изоляции приобрела реальные черты. В 1965 - 1966 годах был создан генератор на основе электрической линии с водяной изоляцией, мощность которого на два порядка превышала мощность существовавших в то время импульсных генераторов на трансформаторном масле и газе под давлением. Конструкция этого генератора была запатентована сотрудниками ИЯФ СО АН СССР в США, Англии, Франции, ФРГ, Италии и Японии.

Опыт, полученный в первых исследованиях, позволил создатъ в СССР в 19c9 году первый в мире импульсный ускоритель электронов с водяной изоляцией на энергию 3 млн. электронвольт, обладавший рекордной в то время мощностью 4Ч1011 Вт = 400 млн, кВт (мощность самой крупной современной гидроэлектростанции - Красноярской ГЭС - равна 6 млн. кВт). Необходимо сразу отметить, что электронный ускоритель развивает большую мощность в течение очень короткого промежутка времени и общее количество выделенной за это время энергии имеет умеренное значение.

В начале 70-х годов академик Е.К. Завойский высказал идею импульсного термоядерного реактора, основанного на быстром нагреве до термоядерных температур маленькой крупинки смеси дейтерия и трития с помощью сверхмощного электронного пучка. Начались интенсивные исследования по увеличению мощности, компактности и эффективности импульсных ускорителей электронов. Были освоены новые конструктивные схемы элементов ускорителей, испытаны новые изоляционные материалы, разработаны новые методы расчета с использованием современных ЭВМ. Оказалось, что ускорители на основе импульсных мегавольтных генераторов с использованием водяной изоляции позволяют получать большие мощности, чем при использовании других изоляционных сред. Немаловажным оказалось и то, что ускорители получились компактными и пригодными для применения в практике обычных физических лабораторий. Основополагающий вклад в эту работу внесли ученые Института ядерной физики СО АН СССР, Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, научно - исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Ефремова и Института сильноточной электроники СО АН СССР. В частности, в ИЯФ и ИСЭ СО АН СССР выполнены приоритетные исследования по методам оптимизации высоковольтных конструкций и коммутации больших импульсных мощностей. Отметим, что быстрое подключение электрической линии с водяной изоляцией к нагрузке является одной из центральных проблем в этой области: необходимо коммутировать токи мегаамперного диапазона при мегавольтных напряжениях за время порядка миллиардных долей секунды.

К настоящему времени в Советском Союзе создан целый ряд электронных ускорителей, импульсная мощность которых достигает 1012 Вт. Появление мощных электронных ускорителей позволило провести пионерские исследования по моделированию импульсной термоядерной реакции в мишени малого размера и нагреву плазмы в длинных магнитных ловушках. Создана экспериментальная и техническая база, позволяющая строить установки с мощностью до 1014 Вт, необходимой дли создания макета импульсного термоядерного реактора.

Помимо исследований в области управляемого термоядерного синтеза мощные импульсные электронные ускорители с водяной изоляцией находят применение во многих других подчас неожиданных областях техники и технологии. В настоящее время на их основе созданы мощные СВЧ-генераторы. Такие ускорители применяются для "накачки" оптических сред в мощных квантовых генераторах. Короткие и мощные вспышки тормозного рентгеновского излучения, получаемые на подобных ускорителях, применяют при изучении радиационной стойкости материалов, используемых в существующих атомных и будущих термоядерных реакторах. Импульсные ускорители начинают вторгаться в. медицину. Нет сомнений, что область применения этих устройств будет расширяться.

Представленные работы, выполненные за период длиной более, чем в пятнадцать лет, внесли значительный вклад в развитие науки, и техники, определили несомненный приоритет СССР в данной области исследований и заслуженно выдвинуты на соискание Государственной премии СССР.

Ю. НЕСТЕРИХИН,
директор Института автоматики и электрометрии СО АН СССР,
член-корреспондент АН СССР.
г. НОВОСИБИРСК.

"НАУКА В СИБИРИ" 1 октября 1981 г.