DE4300223A1 - Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von Plasmabehältern - Google Patents
Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von PlasmabehälternInfo
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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 (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4300223A DE4300223A1 (de) | 1993-01-07 | 1993-01-07 | Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von Plasmabehältern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4300223A DE4300223A1 (de) | 1993-01-07 | 1993-01-07 | Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von Plasmabehältern |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4300223A1 true DE4300223A1 (de) | 1994-07-14 |
Family
ID=6477821
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4300223A Withdrawn DE4300223A1 (de) | 1993-01-07 | 1993-01-07 | Erosionsfeste Überzüge an Innenwänden von Plasmabehältern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4300223A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001013404A1 (en) * | 1999-08-16 | 2001-02-22 | Applied Materials, Inc. | Diamond coated parts in a plasma reactor |
WO2002054454A2 (en) * | 2000-12-29 | 2002-07-11 | Lam Research Corporation | Diamond coatings on reactor wall and method of manufacturing thereof |
-
1993
- 1993-01-07 DE DE4300223A patent/DE4300223A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001013404A1 (en) * | 1999-08-16 | 2001-02-22 | Applied Materials, Inc. | Diamond coated parts in a plasma reactor |
US6508911B1 (en) | 1999-08-16 | 2003-01-21 | Applied Materials Inc. | Diamond coated parts in a plasma reactor |
WO2002054454A2 (en) * | 2000-12-29 | 2002-07-11 | Lam Research Corporation | Diamond coatings on reactor wall and method of manufacturing thereof |
WO2002054454A3 (en) * | 2000-12-29 | 2002-09-12 | Lam Res Corp | Diamond coatings on reactor wall and method of manufacturing thereof |
US6537429B2 (en) | 2000-12-29 | 2003-03-25 | Lam Research Corporation | Diamond coatings on reactor wall and method of manufacturing thereof |
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