DE4300223A1

DE4300223A1 - Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von Plasmabehältern

Info

Publication number: DE4300223A1
Application number: DE4300223A
Authority: DE
Inventors: Mark Anton Prof Dr Prelas; Heinrich Prof Dr Dr Hora
Original assignee: HORA HEINRICH PROF DR DR 85586 POING
Current assignee: HORA HEINRICH PROF DR DR 85586 POING
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1994-07-14

Description

Die stärkste Belastung von festen Wänden von Gefäßen oder speziellen Teilen davon gegenüber den damit eingeschlossenen Gasen ist dann gegeben, wenn die Gase sich im Zustand eines Hochtemperaturplasmas befinden. Es ist dann nicht nur die einfache Verdampfung des Gefäßmaterials, was eine Schädigung der Wand bewirkt, sondern die besonders aggressive Belastung durch die einwirkenden Ionen des Plasmas, wenn hier von der üblichen Druckbelastung abgesehen wird. Während Edelgasatome die neutralsten Teilchen sind und sich in einer chemisch am meisten indifferenten Weise zu Materialwänden verhalten und höchstens einfache Verdampfung erzeugen, sind z. B. einfach geladene Edelgasionen chemisch aggressiver als die im Periodensystem benachbarten Halogene, wie Fluor, Chlor usw. Zweifach geladenes Argon ist viel aggressiver als z. B. atomarer Sauerstoff, d. h. schon aus dem Sauerstoffmolekularverband aufgespaltene Atome.

Es ist daher kein Wunder, daß selbst so geringe Dichten von Plasma in einem Kernfusionsgefäß wie dem Tokamak, welche Dichten mit einem Hochvakuum vergleichbar sind, bei der Wechselwirkung mit der Gefäßwand trotz bestmöglicher magnetischer Abschirmung eine ungeheuere Erosion bewirken. Für die hervorstehenden Wandteile wie den sogenannten Divertoren erzeugt dieses Hochvakuum Erosionsgeschwindigkeiten von über 10 Metern pro Jahr Dauerbetrieb des Gefäßes, wenn dieses aus Kohlenstoff oder Eisen oder ähnlichen Materialien besteht. Die Erosionsgeschwindigkeit kann nur durch Auswahl bestimmter Materialien wie z. B. Wolfram herabgesetzt werden, wo die Erosion 5 cm pro Jahr beträgt unter Einsatz von "Plasma-Sweeping".

Aber auch die Erosion von Wolfram in einem Tokamak-Fusionsreaktor ist zu hoch. Für einen Betrieb von 10 Jahren mußte man eine 50 cm dicke Gefäßwand einsetzten bevor die supraleitenden Magnete und die neutronenabsorbierenden Lithiumaustauscher angeordnet werden könnten. Die außergewöhnlich komplizierte Apparatur eines Tokamakgefäßes ist derartig beschaffen, daß ein Öffnen des Hochvakuumgefäßes für das Plasma sehr langwierig und aufwendig ist, wenn man das erodierte Material ersetzten wollte, abgesehen von den Problemen der radioaktiven Verseuchung des Wandmaterials, das eine Erneuerung von Wolfram oder ähnlichem Material im Inneren des Fusionsreaktors erschwert.

Ähnliche, aber nicht so verheerende Erosionsprobleme treten bei allen anderen Apparaturen mit Hochtempraturplasmen auf, wie z. B. bei magnetohydrodynamischen (MHD) Generatoren oder bei Apparaturen mit plasma-chemischen Verfahren.

Demgegenüber kann man erfindungsgemäß die Wand des Plasmagefäßes mit einer Schicht von Diamanteinkristallen oder -kristallitstrukturen belegen. Diese Schichten können nach einem CVD (chemischem Vakuum-Abscheidungs-) Verfahren hergestellt werden. Obwohl CVD schon einige Zeit bekannt ist, ist es erstmalig gelungen, auf amorphen Unterlagen einkristalline Strukturen herzustellen, wie solche notwendig sind für die Widerstandsfestigkeit gegenüber der Plasmaerosion.

Die Diamantschichten (oder ähnliche Schichten aus Aluminiumnitrid oder analogen Materialien mit vorwiegend polarer chemischer Bindung) können vergleichsweise dünn sein, z. B. bis zu einigen Millimetern, da die Erosionswirkung wegen der sehr festen chemischen polaren Bindung vergleichsweise sehr gering ist und durch die besonders hohe thermische Leitfähigkeit der geringste Temperaturstau und daher der geringste Verdampfungseffekt für diese an und für sich schon extrem schwach verdampfenden Materialien sichergestellt ist. Das Verfahren der chemischen Abscheidung erlaubt in kurzzeitigen Unterbrechungen des Plasmabetriebes für die Nutzung (Fusion, MHD, chemische Verarbeitung) die Erneuerung oder Ausheilung der schützenden Diamantschicht in der Art eines Plasmaverfahrens ohne daß das Gefäß geöffnet werden muß. Man muß nur durch die ohnehin vorhandenen Vakuum- oder Betriebsgas-Zuführungen die für CVD benötigten Gase wie Methanverbindungen einführen und durch Herstellung der geeigneten Wandtemperaturen und/oder Gasentladungsvorgänge oder Einwirkung von Teilchenbeschuß die Bedingungen für den genannten CVD-Vorgang vorgeben.

Claims

1. Vorrichtung zur Verringerung der Erosion an den Innenwänden von Gefäßen und deren Teilen mit Betrieb von Hochtemperaturplasmen, gekennzeichnet dadurch, daß die Wände mit Schichten von Diamanteinkristallen oder polykristallinen Strukturen aus der Gasphase überzogen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gefäß zum Einschluß eines Kernfusionsplasmas verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gefäß zum Betrieb eines MHD-Generators verwendet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gefäß zum Betrieb eines plasmachemischen Verfahrens verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantschicht durch ein chemisches Vakuumabscheidungsverfahren mit der Herstellung von Einkristallen oder -kristalliten auf amorpher Unterlage erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantschicht auf eine schon teilweise erodierte oder beschädigte Diamantschicht aufgebracht wird.