圖片所示為，用于核聚變反應(yīng)堆和回旋管中的多晶CVD金剛石圓盤。圖片來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

        因?yàn)楹穗娔軌蚪o人們提供一種環(huán)境友好型能源，所以世界各地的科學(xué)家都在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而努力。而在這高精尖的研究領(lǐng)域中卻涉及到一個(gè)人們鮮為人知的材料，那就是金剛石，它實(shí)際上是一種在核聚變技術(shù)中不可或缺的材料。近日，卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員開發(fā)出了一種金剛石圓盤，用于在核聚變反應(yīng)中將原料加熱成等離子態(tài)。通過(guò)與一家名為Diamond Materials的公司合作，他們已經(jīng)有能力生產(chǎn)出一個(gè)直徑為180毫米的金剛石圓盤。

        在核聚變反應(yīng)過(guò)程中，氫原子與氦原子發(fā)生聚變，會(huì)釋放出巨大的能量。如果將其應(yīng)用在核電站中，那么有朝一日其將有助于人類可持續(xù)和安全的能源供應(yīng)。在卡爾斯魯厄理工學(xué)院，研究人員為ITER反應(yīng)堆開發(fā)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(yīng)堆中可產(chǎn)生高達(dá)1.5億攝氏度的高溫，類似于一個(gè)巨大的微波爐。這種高溫可以使氚燃料達(dá)到熔化所需的等離子體態(tài)。為了將來(lái)自回旋管的微波輻射引導(dǎo)到等離子體中，且在真空下將放射性氚保持在反應(yīng)堆內(nèi)，DITK Strauss博士和卡爾斯魯厄理工應(yīng)用材料研究所（IAM）的Theo Scherer教授，合作設(shè)計(jì)出了一個(gè)適合的窗戶單元。而在此極端的環(huán)境下，也只有一種材料能夠擔(dān)此重任，那便是金剛石， Dirk Strauss博士表示。因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他材料能夠在如此極端的微波輻射下存在，即使可以穩(wěn)定存在，也未必具有像金剛石一樣優(yōu)異的滲透性和低損耗性。

        為了將超過(guò)一兆瓦的電力輻射引入到ITER反應(yīng)堆中，卡爾斯魯厄理工應(yīng)用材料研究所與工業(yè)伙伴合作設(shè)計(jì)了許多金剛石圓盤。與此同時(shí)，科學(xué)家們還在為ITER的第二代產(chǎn)品DEMO研發(fā)窗口單元，預(yù)計(jì)將于2050年開始投入使用。然而，由于需要在DEMO反應(yīng)堆中進(jìn)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(fù)責(zé)這一工作的是卡爾斯魯厄理工學(xué)院脈沖功率和微波技術(shù)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(yīng)的原型已經(jīng)被制作了出來(lái)。“我們的金剛石圓盤直徑為180毫米，厚度可達(dá)2毫米，”Theo Scherer教授說(shuō)，“這使得它成為了有史以來(lái)最大的人造金剛石結(jié)構(gòu)。”

        該金剛石圓盤通過(guò)一種特殊的涂層技術(shù)——化學(xué)氣相沉積（CVD）法制成。即金剛石在一個(gè)氣體環(huán)境中，會(huì)沉積到真空反應(yīng)器中的硅表面上進(jìn)行生長(zhǎng)。通過(guò)微波輻射，金剛石會(huì)變成等離子態(tài)，類似于在反應(yīng)堆中發(fā)生聚變反應(yīng)，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(gè)相當(dāng)耗時(shí)且非常復(fù)雜的過(guò)程，”Dirk Strauss教授說(shuō)，“因?yàn)榻饎偸瘓A盤每小時(shí)僅增長(zhǎng)幾微米的厚度，因此最終產(chǎn)品也變得相當(dāng)昂貴。”

        然而，在核反應(yīng)技術(shù)中應(yīng)用金剛石材料的技術(shù)尚未窮盡。到目前為止，已經(jīng)在IAM反應(yīng)堆中設(shè)計(jì)出了具有多晶結(jié)構(gòu)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(fā)中，”Theo Scherer說(shuō)，“這也許將進(jìn)一步減少微波傳輸過(guò)程中的損耗。”