图片所示为，用于核聚变反应堆和回旋管中的多晶CVD金刚石圆盘。图片来源：卡尔斯鲁厄理工学院

    因为核电能够给人们提供一种环境友好型能源，所以世界各地的科学家都在为实现这一目标而努力。而在这高精尖的研究领域中却涉及到一个人们鲜为人知的材料，那就是金刚石，它实际上是一种在核聚变技术中不可或缺的材料。近日，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员开发出了一种金刚石圆盘，用于在核聚变反应中将原料加热成等离子态。通过与一家名为Diamond Materials的公司合作，他们已经有能力生产出一个直径为180毫米的金刚石圆盘。

    在核聚变反应过程中，氢原子与氦原子发生聚变，会释放出巨大的能量。如果将其应用在核电站中，那么有朝一日其将有助于人类可持续和安全的能源供应。在卡尔斯鲁厄理工学院，研究人员为ITER反应堆开发了所谓的回旋管，如Wendelstein 7X和ASDEX Upgrade。回旋管是一种微波振荡器，在反应堆中可产生高达1.5亿摄氏度的高温，类似于一个巨大的微波炉。这种高温可以使氚燃料达到熔化所需的等离子体态。为了将来自回旋管的微波辐射引导到等离子体中，且在真空下将放射性氚保持在反应堆内，DITK Strauss博士和卡尔斯鲁厄理工应用材料研究所（IAM）的Theo Scherer教授，合作设计出了一个适合的窗户单元。而在此极端的环境下，也只有一种材料能够担此重任，那便是金刚石， Dirk Strauss博士表示。因为目前还没有发现其他材料能够在如此极端的微波辐射下存在，即使可以稳定存在，也未必具有像金刚石一样优异的渗透性和低损耗性。

    为了将超过一兆瓦的电力辐射引入到ITER反应堆中，卡尔斯鲁厄理工应用材料研究所与工业伙伴合作设计了许多金刚石圆盘。与此同时，科学家们还在为ITER的第二代产品DEMO研发窗口单元，预计将于2050年开始投入使用。然而，由于需要在DEMO反应堆中进行微波多频加热，所以也迫切需要一种新型的回旋管。目前负责这一工作的是卡尔斯鲁厄理工学院脉冲功率和微波技术研究所的John Jelonnek教授。而这些新的回旋管将需要具有更大金刚石圆盘的窗口单元，庆幸的是，相应的原型已经被制作了出来。“我们的金刚石圆盘直径为180毫米，厚度可达2毫米，”Theo Scherer教授说，“这使得它成为了有史以来最大的人造金刚石结构。”

    该金刚石圆盘通过一种特殊的涂层技术——化学气相沉积（CVD）法制成。即金刚石在一个气体环境中，会沉积到真空反应器中的硅表面上进行生长。通过微波辐射，金刚石会变成等离子态，类似于在反应堆中发生聚变反应，但消耗的能量要小得多。等离子体中含有许多氢原子，可以有效抑制石墨的形成。“这是一个相当耗时且非常复杂的过程，”Dirk Strauss教授说，“因为金刚石圆盘每小时仅增长几微米的厚度，因此最终产品也变得相当昂贵。”

    然而，在核反应技术中应用金刚石材料的技术尚未穷尽。到目前为止，已经在IAM反应堆中设计出了具有多晶结构的金刚石圆盘。“目前，我们也正致力于单晶金刚石圆盘的研发中，”Theo Scherer说，“这也许将进一步减少微波传输过程中的损耗。”

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责任编辑：殷鹏飞

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