RU2674997C1 - Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations - Google Patents

Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations Download PDF

Info

Publication number
RU2674997C1
RU2674997C1 RU2018106002A RU2018106002A RU2674997C1 RU 2674997 C1 RU2674997 C1 RU 2674997C1 RU 2018106002 A RU2018106002 A RU 2018106002A RU 2018106002 A RU2018106002 A RU 2018106002A RU 2674997 C1 RU2674997 C1 RU 2674997C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dust
layers
boron
carbon
plasma
Prior art date
Application number
RU2018106002A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Александрович Айрапетов
Леон Богданович Беграмбеков
Александр Николаевич Войтюк
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2018106002A priority Critical patent/RU2674997C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2674997C1 publication Critical patent/RU2674997C1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11—Details
    • G21B1/13—First wall; Blanket; Divertor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations. Boron-carbon coatings erode when interacting with the plasma during installation. Erosion products are deposited on plasma-contacting surfaces and form re-precipitated boron-carbon layers and fine boron-carbon dust. Invention can be used for regular removal of fine dust and re-precipitated boron-carbon layers, which is necessary for the successful operation of installations. Invention provides conditions for the passage of a heterogeneous reaction of the material of the layer or dust with alcohol vapor to form a volatile ether and the removal of gaseous reaction products and unreacted reagents by means of pumping.EFFECT: technical result is the gasification of boron-containing layers and the possibility of removing gaseous reaction products by pumping.5 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области вакуумно-плазменных и термоядерных технологий и может быть использовано в установках, в которых применяются боро-углеродные покрытия для улучшения вакуумных условий и защиты материалов плазменных камер от эрозии плазменным облучением.The invention relates to the field of vacuum-plasma and thermonuclear technologies and can be used in installations that use boron-carbon coatings to improve vacuum conditions and protect plasma chamber materials from erosion by plasma radiation.

При взаимодействии с плазмой в процессе работы установки боро-углеродные покрытия эродируют. Продукты эрозии осаждаются на контактирующих с плазмой поверхностях и образуют мелкодисперсную боро-углеродную пыль. Изобретение может быть использовано для регулярного удаления мелкодисперсной пыли, и переосажденных бор-углеродных слоев, что необходимо для успешной работы установок.When interacting with plasma during installation operation, boron-carbon coatings erode. Erosion products are deposited on surfaces in contact with the plasma and form finely dispersed boron-carbon dust. The invention can be used to regularly remove fine dust, and reprecipitated boron-carbon layers, which is necessary for the successful operation of the installations.

Известен способ удаления осажденных слоев в токамаке [1] путем зажигания в токамаке разряда на водороде или гелии и приводящий к распылению материала удаляемых слоев посредством ионного облучения. Недостатком этого способа является низкая скорость удаления слоев содержащих бор и переосаждение продуктов распыления.A known method of removing deposited layers in a tokamak [1] by ignition in a tokamak discharge of hydrogen or helium and leading to the atomization of the material of the removed layers by ion irradiation. The disadvantage of this method is the low rate of removal of layers containing boron and reprecipitation of spray products.

Наиболее близким к изобретению является способ [2], в котором удаление переосажденных слоев и пыли происходит за счет окисления материала в кислороде или оксиде азота при повышенной температуре. Метод заключается в том, что в камеру подается газообразный реагент (кислород или оксид азота), образующий с материалом слоев и пыли газообразные продукты реакции, которые удаляются посредством откачки вместе с непрореагировавшим реагентом. Данный способ характеризуется низкой эффективностью при удалении боросодержащих пленок, так как при этом практически не образуются летучие боросодержащие вещества.Closest to the invention is a method [2], in which the removal of reprecipitated layers and dust occurs due to the oxidation of the material in oxygen or nitric oxide at elevated temperatures. The method consists in supplying a gaseous reagent (oxygen or nitric oxide) to the chamber, which forms gaseous reaction products with the material of the layers and dust, which are removed by pumping together with the unreacted reagent. This method is characterized by low efficiency in removing boron-containing films, since volatile boron-containing substances are practically not formed.

Недостатком вышеуказанных способов является низкая эффективность применения этих способов для удаления боросодержащих слоев и пыли.The disadvantage of the above methods is the low efficiency of the application of these methods to remove boron-containing layers and dust.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности удаления боросодержащих слоев и пыли.The technical result of the invention is to increase the efficiency of removal of boron-containing layers and dust.

Технический результат достигается тем, что газификации слоев и пыли, находящихся в вакуумной камере и подлежащих удалению, проводится путем введения в вакуумную камеру газообразного реагента с одновременным нагревом слоев и пыли до образования газообразных продуктов реакции слоев и пыли с газообразным реагентом и последующей откачке продуктов реакции и непрореагировавшего газообразного реагента, при этом для газификации углеродосодержащих слоев и пыли, в которых присутствуют боросодержащие компоненты, в качестве газообразного реагента используют пары спирта, а нагрев ведут до образования эфира борной кислоты.The technical result is achieved by the fact that the gasification of the layers and dust in the vacuum chamber and to be removed is carried out by introducing a gaseous reactant into the vacuum chamber while heating the layers and dust to form gaseous reaction products of the layers and dust with the gaseous reactant and then pumping the reaction products and unreacted gaseous reagent, while for the gasification of carbon-containing layers and dust, in which boron-containing components are present, as a gaseous reaction enta use alcohol vapors, and heating is carried out until boric acid ester is formed.

Известно, что при осаждении боросодержащих слоев в вакуумных камерах плазменных установок, образующиеся слои захватывают кислород и, как результат, содержат оксид бора и борною кислоту [3]. Известна реакция оксида бора и борной кислоты со спиртами с образованием летучих эфиров. Для удаления боросодержащих слоев и пыли предлагается обеспечить условия, необходимые для прохождения данной реакции в вакуумной камере установки. Для этого в вакуумную камеру, в которой находятся боросодержащие слои и пыль, подлежащие удалению, без развакуумирования напускаются пары спирта до давления не выше давления насыщенных паров. Вакуумная камера прогревается до температуры образования эфира борной кислоты. Пары спирта, поступающие в камеру реагируют с оксидом бора и с борной кислотой боросодержащих слоев и пыли с образованием эфира. Образующийся эфир удаляется из камеры посредством откачки. Важным фактором прохождения данной реакции является удаление из области реакции воды, образующейся в ходе реакции. В предложенном способе удаление воды происходит за счет ее испарения при повышенной температуре в вакууме. Таким образом, продукты реакции удаляются из камеры посредством откачки.It is known that during the deposition of boron-containing layers in the vacuum chambers of plasma systems, the resulting layers capture oxygen and, as a result, contain boron oxide and boric acid [3]. Known reaction of boron oxide and boric acid with alcohols with the formation of volatile ethers. To remove boron-containing layers and dust, it is proposed to provide the conditions necessary for the passage of this reaction in the vacuum chamber of the installation. For this, alcohol vapors are poured into a vacuum chamber in which boron-containing layers and dust are to be removed without evacuation to a pressure not higher than the saturated vapor pressure. The vacuum chamber warms up to the formation temperature of boric acid ester. Alcohol vapors entering the chamber react with boron oxide and boric acid with boron-containing layers and dust to form ether. The resulting ether is removed from the chamber by pumping. An important factor in the passage of this reaction is the removal of water formed during the reaction from the reaction region. In the proposed method, the removal of water occurs due to its evaporation at elevated temperature in vacuum. Thus, the reaction products are removed from the chamber by pumping.

В частном случае, в качестве спирта могут применяться этиловый или метиловый спирт. В результате реакции будут образовываться метиловый и этиловый эфир борной кислоты, соответсвенно.In the particular case, ethyl alcohol or methyl alcohol can be used as the alcohol. As a result of the reaction, methyl and ethyl esters of boric acid will be formed, respectively.

В другом частном случае, для обеспечения удаления боросодержащих слоев и пыли с низким содержанием кислорода может проводиться их предварительное оксидирование. В результате оксидирования слоев и пыли будут образовываться летучие соединения углерода, а бор будет участовать в реакции окисление с образованием оксида бора и борной кислоты. Удаление оксидов бора и борной кислоты реализуется по описанному выше способу -путем проведения реакции с парами спирта.In another particular case, to ensure the removal of boron-containing layers and dust with a low oxygen content, they can be pre-oxidized. As a result of the oxidation of layers and dust, volatile carbon compounds will form, and boron will participate in the oxidation reaction with the formation of boron oxide and boric acid. Removal of boron and boric acid oxides is carried out according to the method described above — by reaction with alcohol vapors.

Кроме того, оксидирование может проводится путем выдержки слоев и пыли в кислороде или в окиси азота при температуре 200-400 С.Такой диапазон температур достижим в большинстве установок и позволяет проводить оксидирование слоев и пыли.In addition, oxidation can be carried out by extracting layers and dust in oxygen or nitrogen oxide at a temperature of 200-400 C. Such a temperature range is achievable in most installations and allows the oxidation of layers and dust.

Примеры конкретной реализации способа.Examples of specific implementation of the method.

Пример 1. Способ реализуется следующим образом. Вакуумная камера, содержащая пыль или слои, подлежащие удалению, откачивается до давления меньше 10-5 Торр, прогревается до температуры 140-150 С и заполняется парами этилового спирта до давления 45 Торр (что соответствует давлению насыщенных паров этилового спирта при температуре 20 С). При температуре 140-150 С происходит реакция спирта с оксидом бора и с борной кислотой с образованием летучего эфира борной кислоты и воды, которые откачиваются с помощью системы откачки. После удаления слоев и пыли пары спирта откачиваются системой откачкой установки. Основным условием данной реакции, помимо повышенной температуры, является удаление воды из области реакции для предотвращения обратной реакции. В случае применения данной реакции в условиях вакуума, это условия реализуется тем, что вода удаляется посредством испарения при повышенной температуре в вакууме.Example 1. The method is implemented as follows. A vacuum chamber containing dust or layers to be removed is pumped to a pressure of less than 10 -5 Torr, warmed up to a temperature of 140-150 C and filled with ethanol vapor to a pressure of 45 Torr (which corresponds to the saturated vapor pressure of ethyl alcohol at a temperature of 20 C). At a temperature of 140-150 C, the alcohol reacts with boron oxide and boric acid to form a volatile ester of boric acid and water, which are pumped out using a pumping system. After removing layers and dust, alcohol vapors are pumped out by the system by pumping the unit. The main condition of this reaction, in addition to elevated temperature, is the removal of water from the reaction region to prevent a reverse reaction. In the case of applying this reaction under vacuum, this condition is realized by the fact that the water is removed by evaporation at an elevated temperature in vacuum.

Пример 2. Во втором случае, если степень оксидирования слоев и пыли незначительная для проведения реакции со спиртом, может проводится предварительное оксидирование слоев и пыли. Для этого вакуумная камера заполняется кислородом до давления 150 Торр, прогревается до температуры 300 С в течении нескольких часов, после чего кислород с газообразными продукты реакции удаляются посредством откачки. На этом этапе происходит оксидирование бора, содержащегося в пыли и слоях, и окисление углерода (с образованием летучих оксидов). После этого камера заполняется парами этилового спирта до давления 45 Торр (что соответствует давлению насыщенных паров этилового спирта при температуре 20 С). При температуре 140-150 С происходит реакция спирта с оксидом бора и с борной кислотой с образованием летучего эфира борной кислоты и воды, которые откачиваются с помощью системы откачки. После удаления слоев и пыли пары спирта откачиваются системой откачкой установки.Example 2. In the second case, if the degree of oxidation of the layers and dust is insignificant for carrying out the reaction with alcohol, preliminary oxidation of the layers and dust can be carried out. To do this, the vacuum chamber is filled with oxygen to a pressure of 150 Torr, warmed up to a temperature of 300 C for several hours, after which oxygen and gaseous reaction products are removed by pumping. At this stage, the oxidation of boron contained in dust and layers and the oxidation of carbon (with the formation of volatile oxides) occur. After that, the chamber is filled with ethyl alcohol vapor to a pressure of 45 Torr (which corresponds to the saturated vapor pressure of ethyl alcohol at a temperature of 20 ° C). At a temperature of 140-150 C, the alcohol reacts with boron oxide and boric acid to form a volatile ester of boric acid and water, which are pumped out using a pumping system. After removing layers and dust, alcohol vapors are pumped out by the system by pumping the unit.

Таким образом, предложенный способ позволяет удалять боро-углеродные слои и пыль посредством обеспечения их реакции с парами спирта с образованием летучих продуктов реакции и их последующим удалением из вакуумной камеры путем откачки.Thus, the proposed method allows you to remove boron-carbon layers and dust by ensuring their reaction with alcohol vapor with the formation of volatile reaction products and their subsequent removal from the vacuum chamber by pumping.

Источники информации:Information sources:

1) Method for cleaning first wall of magnetic confinement fusion device by using high-frequency field. Патент CN 102500589B.1) Method for cleaning first wall of magnetic confinement fusion device by using high-frequency field. CN patent 102500589B.

2) D. Alegre, T.J. Finlay, J.W. Davis, A.A. Haasz, F.L. Tabares, Oxidative removal of tokamak codeposits using NO2 and O2 Journal of Nuclear Materials, 438 (2013), pp. S1104-S1108.2) D. Alegre, T.J. Finlay, J.W. Davis, A.A. Haasz, F.L. Tabares, Oxidative removal of tokamak codeposits using NO2 and O2 Journal of Nuclear Materials, 438 (2013), pp. S1104-S1108.

3) А.И. Мещеряков, В.M. Шарапов, И.А. Гришина, А.А. Летунов, В.П. Логвиненко, P.X. Залавутдинов, Взаимодействие плазмы с защитным бороуглеродным покрытием вакуумной камеры стелларатора Л-2М, Успехи прикладной физики. Физика плазмы и плазменные методы, 2016, т4, вып3, с. 248.3) A.I. Meshcheryakov, V.M. Sharapov, I.A. Grishina, A.A. Letunov, V.P. Logvinenko, P.X. Zalavutdinov, Interaction of plasma with a protective boron-carbon coating of the L-2M stellarator vacuum chamber, Advances in Applied Physics. Plasma Physics and Plasma Methods, 2016, vol. 4, vol. 3, p. 248.

Claims (5)

1. Способ удаления углеродсодержащих слоев и пыли из вакуумных камер плазменных установок, заключающийся в газификации слоев и пыли, находящихся в вакуумной камере и подлежащих удалению, путем введения в вакуумную камеру газообразного реагента с одновременным нагревом слоев и пыли до образования газообразных продуктов реакции слоев и пыли с газообразным реагентом и последующей откачкой продуктов реакции и непрореагировавшего газообразного реагента, отличающийся тем, что для газификации углеродсодержащих слоев и пыли, в которых присутствуют боросодержащие компоненты, в качестве газообразного реагента используют пары спирта, а нагрев ведут до образования эфира борной кислоты.1. The method of removing carbon-containing layers and dust from the vacuum chambers of plasma systems, which consists in the gasification of the layers and dust in the vacuum chamber and to be removed by introducing a gaseous reactant into the vacuum chamber while heating the layers and dust to form gaseous reaction products of the layers and dust with a gaseous reagent and subsequent pumping of the reaction products and unreacted gaseous reagent, characterized in that for the gasification of carbon-containing layers and dust, in which boron components exist, as the reactant gas used alcohol pair, and heating is continued until the formation of the boric acid ester. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного реагента используется этиловый спирт.2. The method according to p. 1, characterized in that ethanol is used as the gaseous reagent. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного реагента используется метиловый спирт.3. The method according to p. 1, characterized in that methyl alcohol is used as the gaseous reagent. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед введением паров спирта в качестве газообразного реагента проводят предварительное оксидирование слоев и пыли.4. The method according to p. 1, characterized in that before the introduction of alcohol vapor as a gaseous reagent, preliminary oxidation of the layers and dust is carried out. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что предварительное оксидирование проводят путем выдержки слоев и пыли в кислороде или NO2 при температуре 200-400 °С.5. The method according to p. 4, characterized in that the preliminary oxidation is carried out by holding layers and dust in oxygen or NO 2 at a temperature of 200-400 ° C.
RU2018106002A 2018-02-16 2018-02-16 Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations RU2674997C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106002A RU2674997C1 (en) 2018-02-16 2018-02-16 Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106002A RU2674997C1 (en) 2018-02-16 2018-02-16 Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2674997C1 true RU2674997C1 (en) 2018-12-14

Family

ID=64753459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018106002A RU2674997C1 (en) 2018-02-16 2018-02-16 Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2674997C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU115661U1 (en) * 2011-12-02 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) PHOTOCATALYTIC AIR CLEANER
CN102500589B (en) * 2011-11-20 2013-12-18 中国科学院合肥物质科学研究院 Method for cleaning first wall of magnetic confinement fusion device by using high-frequency field
RU2546333C1 (en) * 2013-10-31 2015-04-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102500589B (en) * 2011-11-20 2013-12-18 中国科学院合肥物质科学研究院 Method for cleaning first wall of magnetic confinement fusion device by using high-frequency field
RU115661U1 (en) * 2011-12-02 2012-05-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) PHOTOCATALYTIC AIR CLEANER
RU2546333C1 (en) * 2013-10-31 2015-04-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Anti-erosion protection of nuclear synthesis reactor first wall with magnetic retention

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. Alegre, T.J. Finlay, J.W. Davis, A.A. Haasz, F.L. Tabares, Oxidative removal of tokamak codeposits using NO 2 and O 2 Journal of Nuclear Materials, 438 (2013), pp. S1104-S1108. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oren et al. Trapping and removal of oxygen in tokamaks
EP1536035A2 (en) Method for cleaning deposition chambers for high dielectric constant materials
Saidoh et al. Initial boronization of JT-60U tokamak using decaborane
Buzhinskij et al. Review of in situ boronization in contemporary tokamaks
FR2727322A1 (en) PROCESS FOR SUBLIMATING SOLID MATERIAL AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD
KR20010080108A (en) Method for reducing the amount of perfluorocompound gas contained in exhaust emissions from plasma processing
RU2674997C1 (en) Method for removing carbon-containing layers and dust from vacuum chambers of plasma installations
Malyshev et al. Electron-stimulated desorption from polished and vacuum fired 316LN stainless steel coated with Ti-Zr-Hf-V
US10797299B2 (en) Electrode plate and surface treatment method thereof
CN103037989A (en) Deposition chamber cleaning using in situ activation of molecular fluorine
EP0719746B1 (en) Densification of porous articles by plasma enhanced chemical vapor infiltration
Popov et al. Plasma chemical vapor deposition of thin carbon nitride films utilizing transport reactions
JPS61135126A (en) Equipment of plasma treatment
JPS61238962A (en) Method and apparatus for forming film
Pendyala et al. Relative yield of low energy positrons from various solid moderators
JP2012167981A (en) Method for reducing exposure in nuclear power plant, fuel assembly, and nuclear power plant
Holland A review of plasma process studies
Bernardelli et al. Modification of stearic acid in Ar and Ar-O2 pulsed DC discharge
TW202113911A (en) Component for use in plasma chamber and manufacturing method thereof
Pratt et al. Ultrahigh vacuum and low-temperature cleaning of oxide surfaces using a low-concentration ozone beam
Hseuh et al. Reactive gas cleaning of accelerator vacuum systems
Hur et al. Reduction of byproduct particle size using low-pressure plasmas generated by a cylindrical-shaped electrode
Hirooka et al. Deuterium pumping and erosion behavior of selected graphite materials under high flux plasma bombardment in PISCES-A—effects of surface pores and machined grooves
Dylla Summary of the IUVSTA workshop on wall conditioning in large UHV devices
Taylor et al. Impurity control of tokamaks with in situ metal deposition

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200217