Fusionskraftverk lovar nästan obegränsad klimatvänlig energi och forskare över hela världen samarbetar för att nå detta mål. En föga känd aspekt av detta högt specialiserade forskningsområde rör diamant som i själva verket är ett oumbärligt material för fusionsteknik. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) utvecklar diamantskivor för fönsterenheter för att värma plasman i fusionsreaktorer. I samarbete med ett företag som heter Diamond Materials, de har nu tagit fram en diamantskiva på 180 mm i diameter.

Det händer i solens eld:väteatomer smälts samman till helium och under loppet av denna kärnfusionsreaktion, gigantiska mängder energi frigörs. I fusionskraftverk på jorden, denna "starfire" kan en dag bidra till en hållbar och säker energiförsörjning. Över hela världen, fusionsforskare samarbetar för att ta de första reaktorerna i drift. På KIT, så kallade gyrotroner utvecklas för forskningsreaktorn ITER och mindre reaktorer, som Wendelstein 7X och ASDEX Upgrade. Gyrotroner är mikrovågsoscillatorer som genererar en temperatur på upp till 150 miljoner grader Celsius i reaktorn, liknar en mycket stor mikrovågsugn. Denna höga temperatur gör att tritiumbränslet når det plasmatillstånd som krävs för fusion. För att leda mikrovågsstrålning från gyrotronerna in i plasman och för att upprätthålla ett vakuum och hålla det radioaktiva tritiumet inne i reaktorn, ett team runt Dr. Dirk Strauss och professor Theo Scherer från KIT:s Institute for Applied Materials (IAM) designar lämpliga fönsterenheter. För diskarna, bara ett material är lämpligt:​​"diamant är oumbärligt, " säger Dirk Strauss. "Inget annat känt material överlever den extrema mikrovågsstrålningen och, på samma gång, har den erforderliga permeabiliteten med låga förluster."

För att styra strålning på mer än en megawatt effekt in i ITER-forskningsreaktorn, ett flertal diamantfönster har designats av IAM och producerats i samarbete med industripartners. Under tiden, forskare arbetar också med fönsterenheter för ITERs efterträdare som heter DEMO, där kraft kommer att produceras från 2050 och framåt. Som en konsekvens av planerad flerfrekvensdrift av mikrovågsvärmesystemet i DEMO, dock, nya typer av gyrotroner kommer att krävas. De utvecklas för närvarande av professor John Jelonneks forskargrupp vid KIT:s Institute for Pulsed Power and Microwave Technology. Dessa nya gyrotroner kommer att behöva nya fönsterenheter med större diamantskivor. Motsvarande prototyp finns nu tillgänglig. "Vår skiva har en diameter på 180 mm och är upp till 2 mm tjock, " säger Theo Scherer. "Detta gör den till den största syntetiska diamantstrukturen som någonsin tillverkats redo för användning." IAM undersöker ytstrukturen och högfrekvensegenskaperna med avseende på mikrovågsförluster i fönstret.

Skivorna är gjorda av syntetisk diamant genom kemisk ångavsättning (CVD), en speciell beläggningsteknik. CVD-diamanterna växer på en kiselyta i en liten vakuumreaktor fylld med en gasblandning. Med hjälp av mikrovågsstrålning, denna blandning förvandlas till plasma, liknande det som händer i en fusionsreaktor, men med mycket mindre energiförbrukning. Plasman består av atomärt väte som förhindrar oönskad grafitbildning och en liten mängd metan som tillför kol till diamanten. "Det är en tidskrävande och mycket komplex process, " säger Dirk Strauss. "Diamantfönstret växer några mikrometer per timme." Slutprodukten är därför dyr. Tillverkning av en diamantskiva till DEMO-reaktorn kostar ett sexsiffrigt belopp, säger Strauss.

Dock, alternativen att använda diamantmaterial i fusionsteknik är ännu inte uttömda. Än så länge, diamantskivor med polykristallin struktur har designats på IAM. Dessa skivor består av ett antal små diamanter. "Just nu, vi arbetar med utvecklingen av monokristallina diamantskivor, " Theo Scherer säger. "Detta kan ytterligare minska mikrovågsförlusterna under överföring."