Fusiecentrales beloven bijna onbeperkte klimaatvriendelijke energie en wetenschappers over de hele wereld werken samen om dit doel te bereiken. Een weinig bekend aspect van dit zeer gespecialiseerde onderzoeksgebied betreft diamant, dat in feite een onmisbaar materiaal is voor fusietechnologie. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ontwikkelen diamantschijven voor raamunits om het plasma in fusiereactoren te verwarmen. In samenwerking met een bedrijf genaamd Diamond Materials, ze hebben nu een diamantschijf gemaakt met een diameter van 180 mm.

Het gebeurt in het vuur van de zon:waterstofatomen worden gefuseerd tot helium en in de loop van deze kernfusiereactie, er komen gigantische hoeveelheden energie vrij. In fusiecentrales op aarde, deze "starfire" zou ooit kunnen bijdragen aan een duurzame en zekere energievoorziening. Wereldwijd, fusieonderzoekers werken samen om de eerste reactoren in bedrijf te nemen. bij KIT, voor de ITER-onderzoeksreactor en kleinere reactoren worden zogenaamde gyrotrons ontwikkeld, zoals Wendelstein 7X en ASDEX Upgrade. Gyrotrons zijn microgolfoscillatoren die een temperatuur tot 150 miljoen graden Celsius in de reactor genereren, vergelijkbaar met een zeer grote magnetron. Deze hoge temperatuur zorgt ervoor dat de tritiumbrandstof de plasmatoestand bereikt die nodig is voor fusie. Om microgolfstraling van de gyrotrons naar het plasma te leiden en om een ​​vacuüm te handhaven en het radioactieve tritium in de reactor te houden, een team rond Dr. Dirk Strauss en professor Theo Scherer van KIT's Institute for Applied Materials (IAM) ontwerpt passende raamelementen. Voor de schijven slechts één materiaal is geschikt:"diamant is onmisbaar, ", zegt Dirk Strauss. "Geen ander bekend materiaal overleeft de extreme microgolfstraling en, tegelijkertijd, heeft de vereiste doorlatendheid met lage verliezen."

Om straling van meer dan één megawatt vermogen in de ITER-onderzoeksreactor te leiden, talrijke diamantvensters zijn ontworpen door IAM en geproduceerd in samenwerking met industriële partners. In de tussentijd, wetenschappers werken ook aan raamunits voor ITER's opvolger genaamd DEMO, waarin vanaf 2050 stroom wordt geproduceerd. Als gevolg van de geplande multifrequentiewerking van het microgolfverwarmingssysteem in DEMO, echter, nieuwe soorten gyrotrons nodig zullen zijn. Ze worden momenteel ontwikkeld door het onderzoeksteam van professor John Jelonnek van KIT's Institute for Pulsed Power and Microwave Technology. Deze nieuwe gyrotrons hebben nieuwe raameenheden nodig met grotere diamantschijven. Het bijbehorende prototype is nu beschikbaar. "Onze schijf heeft een diameter van 180 mm en is tot 2 mm dik, ", zegt Theo Scherer. "Dit maakt het de grootste synthetische diamantstructuur die ooit klaar voor gebruik is geproduceerd." IAM onderzoekt de oppervlaktestructuur en hoogfrequente karakteristieken met betrekking tot microgolfverliezen van het raam.

De schijven zijn gemaakt van synthetisch diamant door chemische dampafzetting (CVD), een speciale coatingtechniek. De CVD-diamanten groeien op een siliciumoppervlak in een kleine vacuümreactor gevuld met een gasmengsel. Door middel van microgolfstraling, dit mengsel wordt omgezet in een plasma, vergelijkbaar met wat er gebeurt in een fusiereactor, maar met een veel lager energieverbruik. Het plasma bestaat uit atomaire waterstof die ongewenste grafietvorming voorkomt en een kleine hoeveelheid methaan die koolstof levert voor de diamant. "Het is een tijdrovend en zeer complex proces, Dirk Strauss zegt. "Het diamantvenster groeit een paar micrometer per uur." Het eindproduct is dienovereenkomstig duur. De productie van een diamantschijf voor de DEMO-reactor kost zes cijfers, zegt Strauss.

Echter, de mogelijkheden om diamantmateriaal in fusietechnologie te gebruiken zijn nog niet uitgeput. Tot dusver, Bij IAM zijn diamantschijven met een polykristallijne structuur ontworpen. Deze schijven bestaan ​​uit een aantal kleine diamantjes. "Momenteel, we werken aan de ontwikkeling van monokristallijne diamantschijven, "zegt Theo Scherer. "Dit kan microgolfverliezen tijdens transmissie verder verminderen."