化學氣相沉積的金剛石圓盤是科學家控制核聚變反應不可或缺的材料

因為核電能夠給人們提供一種環境友好型能源，所以世界各地的科學家都在為實現這一目標而努力。而在這高精尖的研究領域中卻涉及到一個人們鮮為人知的材料，那就是金剛石，它實際上是一種在核聚變技術中不可或缺的材料。近日，卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的研究人員開發出了一種金剛石圓盤，用于在核聚變反應中將原料加熱成等離子態中的窗戶單元。通過與一家名為Diamond Materials的公司合作，他們已經有能力生產出一個直徑為180毫米的金剛石圓盤。

在核聚變反應過程中，氫原子與氦原子發生聚變，會釋放出巨大的能量。如果將其應用在核電站中，那么有朝一日其將有助于人類可持續和安全的能源供應。在卡爾斯魯厄理工學院，研究人員為ITER反應堆開發了所謂的回旋管，如Wendelstein 7X和ASDEX Upgrade。回旋管是一種微波振蕩器，在反應堆中可產生高達1.5億攝氏度的高溫，類似于一個巨大的微波爐。這種高溫可以使氚燃料達到熔化所需的等離子體態。為了將來自回旋管的微波輻射引導到等離子體中，且在真空下將放射性氚保持在反應堆內，DITK Strauss博士和卡爾斯魯厄理工學院應用材料研究所(IAM)的Theo Scherer教授，合作設計出了一個適合的窗戶單元。而在此極端的環境下，也只有一種材料能夠擔此重任，那便是金剛石， Dirk Strauss博士表示。因為目前還沒有發現其他材料能夠在如此極端的微波輻射下存在，即使可以穩定存在，也未必具有像金剛石一樣優異的滲透性和低損耗性。

為了將超過一兆瓦的電力輻射引入到ITER反應堆中，卡爾斯魯厄理工學院應用材料研究所與工業伙伴合作設計了許多金剛石圓盤。與此同時，科學家們還在為ITER的第二代產品DEMO研發窗口單元，預計將于2050年開始投入使用。然而，由于需要在DEMO反應堆中進行微波多頻加熱，所以也迫切需要一種新型的回旋管。目前負責這一工作的是卡爾斯魯厄理工學院脈沖功率和微波技術研究所的John Jelonnek教授。而這些新的回旋管將需要具有更大金剛石圓盤的窗口單元。慶幸的是，相應的原型已經被制作了出來。“我們的金剛石圓盤直徑為180毫米，厚度可達2毫米，”Theo Scherer教授說，“這使得它成為了有史以來最大的人造金剛石結構。”

該金剛石圓盤通過一種特殊的涂層技術——化學氣相沉積(CVD)法制成。即金剛石在一個氣體環境中，會沉積到真空反應器中的硅表面上進行生長。通過微波輻射，金剛石會變成等離子態，類似于在反應堆中發生聚變反應，但消耗的能量要小得多。等離子體中含有許多氫原子，可以有效抑制石墨的形成。“這是一個相當耗時且非常復雜的過程，”Dirk Strauss教授說，“因為金剛石圓盤每小時僅增長幾微米的厚度，因此最終產品也變得相當昂貴。”

然而，在核反應技術中應用金剛石材料的技術尚未窮盡。到目前為止，已經在IAM反應堆中設計出了具有多晶結構的金剛石圓盤。“目前，我們也正致力于單晶金剛石圓盤的研發中，”Theo Scherer說，“這也許將進一步減少微波傳輸過程中的損耗。” (騰訊新聞)