Las plantas de energía de fusión prometen una energía respetuosa con el clima casi ilimitada y los científicos de todo el mundo cooperan para alcanzar este objetivo. Un aspecto poco conocido de este campo de investigación altamente especializado se refiere al diamante, que de hecho es un material indispensable para la tecnología de fusión. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) desarrollan discos de diamante para unidades de ventana para calentar el plasma en reactores de fusión. En cooperación con una empresa llamada Diamond Materials, ahora han producido un disco de diamante de 180 mm de diámetro.

Sucede en el fuego del sol:los átomos de hidrógeno se fusionan con helio y en el curso de esta reacción de fusión nuclear, se liberan cantidades gigantescas de energía. En las plantas de energía de fusión en la Tierra, este "fuego estelar" podría algún día contribuir a un suministro de energía sostenible y seguro. En todo el mundo, los investigadores de la fusión cooperan para poner en funcionamiento los primeros reactores. En KIT, se desarrollan los llamados gyrotrones para el reactor de investigación ITER y reactores más pequeños, como Wendelstein 7X y ASDEX Upgrade. Los gyrotrones son osciladores de microondas que generan una temperatura de hasta 150 millones de grados Celsius en el reactor. similar a un microondas muy grande. Esta alta temperatura hace que el combustible de tritio alcance el estado de plasma necesario para la fusión. Para guiar la radiación de microondas desde los gyrotrones al plasma y para mantener un vacío y mantener el tritio radiactivo dentro del reactor, un equipo alrededor del Dr. Dirk Strauss y el profesor Theo Scherer del Instituto de Materiales Aplicados (IAM) de KIT diseña unidades de ventana apropiadas. Para los discos, sólo un material es adecuado:"el diamante es indispensable, ", dice Dirk Strauss." Ningún otro material conocido sobrevive a la radiación de microondas extrema y, al mismo tiempo, tiene la permeabilidad requerida con bajas pérdidas ".

Para dirigir la radiación de más de un megavatio de potencia al interior del reactor de investigación ITER, IAM ha diseñado y producido numerosas ventanas de diamantes en cooperación con socios de la industria. Mientras tanto, Los científicos también están trabajando en unidades de ventana para el sucesor de ITER llamado DEMO, en el que se producirá energía a partir de 2050 en adelante. Como consecuencia de la operación multifrecuencia planificada del sistema de calentamiento por microondas en DEMO, sin embargo, Se necesitarán nuevos tipos de gyrotrons. Actualmente están siendo desarrollados por el equipo de investigación del profesor John Jelonnek en el Instituto de Energía Pulsada y Tecnología de Microondas de KIT. Estos nuevos gyrotrones necesitarán nuevas unidades de ventana con discos de diamantes más grandes. El prototipo correspondiente ya está disponible. "Nuestro disco tiene un diámetro de 180 mm y un grosor de hasta 2 mm, ", dice Theo Scherer." Esto la convierte en la estructura de diamante sintético más grande jamás producida lista para usar ". Ahora, IAM está examinando la estructura de la superficie y las características de alta frecuencia con respecto a las pérdidas de microondas de la ventana.

Los discos están hechos de diamante sintético por deposición química de vapor (CVD), una técnica de recubrimiento especial. Los diamantes CVD crecen sobre una superficie de silicio en un pequeño reactor de vacío lleno de una mezcla de gases. Mediante irradiación de microondas, esta mezcla se convierte en plasma, similar a lo que sucede en un reactor de fusión, pero con un consumo de energía mucho menor. El plasma consta de hidrógeno atómico que evita la formación de grafito no deseado y una pequeña cantidad de metano que suministra carbono al diamante. "Es un proceso muy complejo y que requiere mucho tiempo, ", Dice Dirk Strauss." La ventana del diamante crece unos pocos micrómetros por hora. "El producto final es, en consecuencia, caro. La producción de un disco de diamante para el reactor DEMO cuesta una cantidad de seis dígitos, Dice Strauss.

Sin embargo, las opciones de utilizar material de diamante en la tecnología de fusión aún no se han agotado. Hasta aquí, En el IAM se han diseñado discos de diamante con estructura policristalina. Estos discos constan de varios diamantes pequeños. "En este momento, estamos trabajando en el desarrollo de discos de diamantes monocristalinos, "Dice Theo Scherer." Esto podría reducir aún más las pérdidas de microondas durante la transmisión ".