DE4118186A1 - Verfahren zur minderung von verunreinigungskonzentrationen in fusionsanlagen und fusionsanlage zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Minderung von Verunreinigungskonzentrationen in Fu­ sionsanlagen durch Getterung von aus einem magne­ tisch abgeschlossenen Fusionsplasma, insbesondere wasserstoffhaltigen Bor-Kohlenstoffschichten.

In DE-OS 38 14 389.5 ist ein Verfahren zur Restgas­ minderung in Hochvakuumanlagen angegeben, bei dem aus einer Gasmischung von Boran und Kohlenwasser­ stoff durch Plasmaentladung abgeschiedene Bor-Koh­ lenstoffschichten als Getter verwendet werden, die insbesondere auf der maximal 400° C warmen Wand aus einer Gasmischung abgeschieden werden.

Die gebildeten Bor-Kohlenstoffschichten sind als Innenwandbeschichtungen für Apparaturen brauchbar, deren Wände hohen Strahlenbelastungen ausgesetzt sind. Die Schichtdicken liegen im Bereich von 1 bis 10⁴ nm. Der Borgehalt der amorphen Abscheidungen sollte wenigstens 1% ausmachen, zweckmäßigerweise werden höhere Borkonzentrationen von mehr als 5%, insbesondere über 10% vorgesehen. Die Schichten sind wasserstoffhaltig und mindern insbesondere die schwer zu beseitigenden Wasserdampf- und Sauerstoff­ reste im Vakuum.

Eine reversible Getterwirkung kann durch wiederholte Regenerierung der Schichten mittels einer hochfre­ quenz-unterstützten Glimmentladung in Edelgas oder Wasserstoff erreicht werden.

Unter Bedingungen, wie sie in Plasmakammern (insbe­ sondere für Kernfusionsuntersuchungen) auftreten, werden solche Bor-Kohlenstoffschichten zwar lang­ samer abgearbeitet als einfache Kohlenstoffschich­ ten, Haltbarkeit und Wirkung derselben sind jedoch auch begrenzt. Es besteht daher der Zwang zu einer wiederkehrenden erneuten Borierung.

Nach der DE-OS 40 02 269 ist daher auch ein Verfah­ ren entwickelt worden, bei dem als Bor-Kohlenstoff­ quelle für die Abscheidung ein oder mehrere katho­ disch geschaltete bor-dotierte Graphitelemente ver­ wendet oder mitverwendet werden.

Die in Plasmakammern angebrachten, kathodisch ge­ schalteten borhaltigen Graphitelemente haben sich als Quelle für die Erzeugung von Bor-Kohlenstoffbe­ schichtungen auf Teilen oder der gesamten Innenwand von Plasmakammern als geeignet erwiesen: die chemi­ sche/physikalische Erosion solcher Elemente im Plas­ ma (vorzugsweise Wasserstoffplasma) führt zur Ab­ tragung von Kohlenstoff und Bor, die sich entspre­ chend der Borierung aus boranhaltigem Gas auf den betroffenen Kammerwänden niederschlagen.

Auf diese Weise wird zwar fortlaufend Bor- und Koh­ lenstoff in die Hochvakuumkammer nachgeliefert. Von Nachteil ist dabei jedoch, daß eine aktiv kontrollier­ te Nachlieferung, insbesondere in Abhängigkeit von Größen, die für die Plasmaentladung oder für die abgeschiedenen Schichten kennzeichnend sind, nicht möglich ist. Von Nachteil ist ferner, daß sich die kathodisch geschalteten Graphitelemente verbrauchen und daher - bei Stillstand der Anlage - ausgewech­ selt werden müssen. Ein Auswechseln der Elemente bei laufender Plasmaentladung wäre - wenn überhaupt möglich - nur mit hohem technischen Aufwand zu be­ werkstelligen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Minderung der Verunreinigungskonzentrationen in Fusionsanlagen zu schaffen, das eine aktiv kon­ trollierte Dosierung des Plasmas mit Bor und Koh­ lenstoff oder Bor alleine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gasförmige, wasserstoffhaltige Bor-Kohlen­ stoffverbindung oder ein Boran, insbesondere Diboran (B₂H₆), in die laufende Plasmaentladung eingespeist wird. Das Gelingen dieser Maßnahme, bei der das Gas in ein Plasma mit einer Elektronendichte von wenig­ stens n_e = 10¹² · cm^-3 eingegeben wird, war keines­ falls zu erwarten, da es sich hierbei praktisch um ein Einspeisen einer Verunreinigung in das Plasma handelt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das einge­ speiste Gas direkt seine erwünschte Wirkung (bei­ spielsweise das Absenken des O₂-Spiegels) entfaltet, ohne daß negative Nebenwirkungen, die das Plasma beeinträchtigen, auftreten.

Zwar kann das Einspeisen in das Plasma mit konstan­ ter Dosis erfolgen, wie dies bei der bekannten Me­ thode der Fall ist, bei der die Abgabe von Bor und Kohlenstoff mittels eines kathodisch geschalteten Graphitelements vorgenommen wird. Von erheblichem Vorteil demgegenüber ist jedoch eine Verfahrenswei­ se, bei der die Bor-Kohlenstoffverbindung oder das Boran in Abhängigkeit von die Plasmaentladung kenn­ zeichnenden Größen, wie Plasmadichte, dosiert ein­ gespeist wird. Die Dosis kann dabei den Erforder­ nissen des Plasmas angepaßt und dieses auf diese Weise stabilisiert werden. Steuergrößen, die eine durch feedback kontrollierte Dosierung ermöglichen, können aber auch die abgeschiedenen Schichten kenn­ zeichnende Größen, wie Schichtdicke bzw. Meßwerte über die Materialerosion sein.

Wie sich gezeigt hat, sind zur Einspeisung unter­ schiedlicher wasserstoffhaltige Bor-Kohlenstoffver­ bindungen geeignet. In erster Linie bieten sich je­ doch B(C₂H₅)₃, vornehmlich aber B(CH₃)₃ an. Je nach den erforderlichen Anteilen von Bor- und Kohlenstoff kann selbstverständlich auch ein Gemisch von wasser­ stoffhaltigen Bor-Kohlenstoffverbindungen zur Anwen­ dung kommen. Zweckmäßig ist auch der Einsatz der wasserstoffhaltigen Bor-Wasserstoffverbindungen als Zusatz zu einem Trägergas, wie beispielsweise Helium oder Wasserstoff.

Eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariante besteht darin, daß eine deuterierte Bor-Kohlenstoffverbin­ dung oder in deuteriertes Boran eingespeist wird. Dies ergibt die Möglichkeit, daß H/(H+D) Verhältnis im Plasma in gezielter Weise zu beeinflussen. Hier­ zu kann es zweckmäßig sein, daß die Bor-Kohlenstoff­ verbindung oder das Boran in einem zur Aufnahme durch das Plasma vorgesehenen Isotopengemisch ein­ gespeist wird.

Das Einspeisen der wasserstoffhaltigen Bor-Kohlen­ stoffverbindung oder des Borans kann in das Plasma in einer Weise geschehen, daß der Borierungseffekt in der herkömmlichen Weise eintritt. Als zweckmäßig hat sich jedoch gezeigt, daß die Bor-Kohlenstoff­ verbindung an oder in der Nähe von Orten mit erhöh­ ter Erosion von Bor-und Kohlenstoff eingespeist wird. Sie entfaltet dann direkt an diesen besonders beanspruchten Stellen in der Hochvakuumanlage ihre Wirkung.

Erfindungsgemäß ist zur Durchführung des Verfahrens eine Fusionsanlage zur Durchführung einer magne­ tisch stabilisierten Plasmaentladung geeignet, die Gaseinlässe zum Einspeisen von gasförmiger, wasser­ stoffhaltiger Bor-Kohlenstoffverbindung oder Boran aufweist.

Ausführungsbeispiel:

Es wurde B(CH₃)₃ in laufende Deuterium-Entladungen in der Fusionsanlage TEXTOR des Forschungszentrums Jülich eingespeist. Die jeweilige Pulsdauer be­ trug 4.0 Sekunden, während denen der Einlaß des B(CH₃)₃ in Abhängigkeit von der Plasmadichte (n_e­ feedback) gehalten wurde. Die Einlaßrate betrug dabei maximal 2 mbarl/s.

Es wurden folgende Versuchsresultate erzielt:

• - Die Elektronendichte im Plasma wurde während der jeweiligen gesamten Pulsdauer auf 2,5 · 10¹³ cm^-3 gehalten,
• - die gewünschte Getterwirkung, d. h. die durch den Borierungseffekt zur erwartende Abnahme des Sauer­ stoffs trat ein, wobei über 10 Entladungen Z_eff (Maß für die Verunreinigungskonzentration) von 1,7 auf 1,1 abnahm,
• - die insgesamt über 10 Entladungen eingespeisten Bor und Kohlenstoffatome (1,2 · 10²² B+C) verblie­ ben, wie massenspektrometrische Messungen zeigten, im Plasma bzw. wurden an den Wänden deponiert,
• - durch das Einspeisen des Wasserstoffs (im B(CH₃)₃) in das Deuterium-Plasma wurde während 10 Entla­ dungen das H/(H+D)-Verhältnis von 0.05 zu 0.6 verändert.

Das Einspeisen der Bor-Kohlenstoffverbindung er­ folgte alternativ auf Wandniveau, d. h. 9 cm vom Rand des Fusionsplasmas entfernt oder direkt am Plasmarand. Beide Einspeisungsvarianten zeigten die gleiche Wirkung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Minderung von Verunreinigungskon­ zentrationen in Fusionsanlagen durch Getterung von aus einem magnetisch eingeschlossenen Fusions­ plasma abgeschiedenen, insbesondere wasserstoff­ haltigen Bor-Kohlenstoffschichten, dadurch gekennzeichnet, daß eine gasförmige, wasserstoffhaltige Bor-Koh­ lenstoffverbindung oder ein Boran, insbesondere Diboran (B₂H₆), in die laufende Plasmaentladung eingespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Kohlenstoffverbindung oder das Boran in Abhängigkeit von die Plasmaentladung kennzeich­ nenden Größen, wie Plasmadichte, dosiert einge­ speist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Kohlenstoffverbindung oder das Boran in Abhängigkeit von die abgeschiedenen Schichten kennzeichnenden Größen, wie Schichtdicke, dosiert eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bor-Kohlenstoffverbindung Bortrimethyl eingespeist wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine deuterierte Bor-Kohlenstoffverbindung oder deuteriertes Boran eingespeist wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Kohlenstoffverbindung oder das Boran in einem zur Aufnahme durch das Plasma vorgesehe­ nen Isotopengemisch eingespeist wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bor-Kohlenstoffverbindung oder das Boran an oder in der Nähe von Orten mit erhöhter Ero­ sion von Bor und Kohlenstoff eingespeist wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wasserstoffhaltige Bor-Kohlenstoffverbin­ dung oder das Boran als Zusatz zu einem Träger­ gas eingespeist wird.

9. Fusionsanlage zur Durchführung einer magnetisch stabilisierten Plasmaentladung, gekennzeichnet durch Gaseinlässe zum Einspeisen von gasförmiger, was­ serstoffhaltiger Bor-Kohlenstoffverbindung oder Boran.