Diamant - et uundværligt materiale inden for fusionsteknologi

Fusionskraftværker lover næsten ubegrænset klimavenlig energi, og forskere verden over samarbejder om at nå dette mål. Et lidt kendt aspekt af dette højt specialiserede forskningsfelt vedrører diamant, der faktisk er et uundværligt materiale til fusionsteknologi. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) udvikler diamantskiver til vinduesenheder til opvarmning af plasmaet i fusionsreaktorer. I samarbejde med et firma kaldet Diamond Materials, de har nu produceret en diamantskive på 180 mm i diameter.

Det sker i solens ild:brintatomer fusioneres til helium og i løbet af denne atomfusionsreaktion, gigantiske mængder energi frigives. I fusionskraftværker på jorden, denne "starfire" kan en dag bidrage til bæredygtig og sikker energiforsyning. I hele verden, fusionsforskere samarbejder om at tage de første reaktorer i drift. Hos KIT, såkaldte gyrotroner er udviklet til ITER forskningsreaktoren og mindre reaktorer, såsom Wendelstein 7X og ASDEX Upgrade. Gyrotroner er mikrobølgeoscillatorer, der genererer en temperatur på op til 150 millioner grader Celsius i reaktoren, ligner en meget stor mikrobølgeovn. Denne høje temperatur får tritiumbrændstoffet til at nå den plasmatilstand, der kræves til fusion. For at lede mikrobølgestråling fra gyrotronerne ind i plasmaet og for at opretholde et vakuum og holde det radioaktive tritium inde i reaktoren, et team omkring Dr. Dirk Strauss og professor Theo Scherer fra KIT's Institute for Applied Materials (IAM) designer passende vinduesenheder. For diske, kun ét materiale er egnet:"diamant er uundværlig, "siger Dirk Strauss." Intet andet kendt materiale overlever den ekstreme mikrobølgestråling og, på samme tid, har den nødvendige permeabilitet med lave tab. "

For at lede stråling med mere end en megawatt effekt ind i ITER -forskningsreaktoren, mange diamantvinduer er designet af IAM og produceret i samarbejde med branchepartnere. I mellemtiden, forskere arbejder også på vinduesenheder til ITER's efterfølger kaldet DEMO, hvor der produceres strøm fra 2050 og fremefter. Som en konsekvens af planlagt flerfrekvensdrift af mikrobølgeovnsvarmesystemet i DEMO, imidlertid, nye typer gyrotroner vil være påkrævet. De udvikles i øjeblikket af forskerholdet af professor John Jelonnek ved KIT's Institute for Pulsed Power and Microwave Technology. Disse nye gyrotroner skal bruge nye vinduesenheder med større diamantskiver. Den tilsvarende prototype er nu tilgængelig. "Vores disk har en diameter på 180 mm og er op til 2 mm tyk, "siger Theo Scherer." Dette gør den til den største syntetiske diamantstruktur, der nogensinde er produceret klar til brug. "Nu, IAM undersøger overfladestrukturen og højfrekvente egenskaber med hensyn til tab af vinduer i mikrobølgeovn.

Skiverne er lavet af syntetisk diamant ved kemisk dampaflejring (CVD), en særlig belægningsteknik. CVD -diamanterne vokser på en siliciumoverflade i en lille vakuumreaktor fyldt med en gasblanding. Ved hjælp af mikrobølgestråling, denne blanding forvandles til et plasma, ligner det, der sker i en fusionsreaktor, men med meget mindre energiforbrug. Plasmaet består af atomært brint, der forhindrer uønsket grafitdannelse og en lille mængde metan, der leverer kulstof til diamanten. ”Det er en tidskrævende og meget kompleks proces, "Siger Dirk Strauss." Diamantvinduet vokser et par mikrometer i timen. "Slutproduktet er derfor dyrt. Produktion af en diamantskive til DEMO-reaktoren koster et sekscifret beløb, Siger Strauss.

Imidlertid, mulighederne for at bruge diamantmateriale i fusionsteknologi er endnu ikke udtømt. Indtil nu, diamantskiver med en polykrystallinsk struktur er designet på IAM. Disse diske består af et antal små diamanter. "I øjeblikket, vi arbejder på udviklingen af ​​monokrystallinske diamantskiver, "Theo Scherer siger." Dette kan yderligere reducere mikrobølgetab under transmission. "