Le centrali elettriche a fusione promettono energia quasi illimitata rispettosa del clima e gli scienziati di tutto il mondo collaborano per raggiungere questo obiettivo. Un aspetto poco conosciuto di questo campo di ricerca altamente specializzato riguarda il diamante che di fatto è un materiale indispensabile per la tecnologia della fusione. I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) sviluppano dischi diamantati per unità finestra per riscaldare il plasma nei reattori a fusione. In collaborazione con una società chiamata Diamond Materials, ora hanno prodotto un disco diamantato di 180 mm di diametro.

Succede nel fuoco del sole:gli atomi di idrogeno si fondono in elio e nel corso di questa reazione di fusione nucleare, vengono rilasciate enormi quantità di energia. Nelle centrali a fusione sulla Terra, questo "fuoco stellare" potrebbe un giorno contribuire a un approvvigionamento energetico sicuro e sostenibile. In tutto il mondo, i ricercatori della fusione collaborano per mettere in funzione i primi reattori. A KIT, vengono sviluppati i cosiddetti girotroni per il reattore di ricerca ITER e per i reattori più piccoli, come Wendelstein 7X e aggiornamento ASDEX. I girotroni sono oscillatori a microonde che generano una temperatura fino a 150 milioni di gradi Celsius nel reattore, simile a un microonde molto grande. Questa alta temperatura fa sì che il combustibile trizio raggiunga lo stato di plasma richiesto per la fusione. Per guidare la radiazione a microonde dai girotroni nel plasma e per mantenere il vuoto e mantenere il trizio radioattivo all'interno del reattore, un team composto dal dott. Dirk Strauss e dal professor Theo Scherer dell'Istituto per i materiali applicati (IAM) del KIT progetta unità di finestre appropriate. Per i dischi, un solo materiale è adatto:"il diamante è indispensabile, " dice Dirk Strauss. "Nessun altro materiale conosciuto sopravvive alla radiazione estrema a microonde e, allo stesso tempo, ha la necessaria permeabilità con basse perdite."

Per guidare la radiazione di più di un megawatt di potenza nel reattore di ricerca ITER, numerose finestre diamantate sono state progettate da IAM e prodotte in collaborazione con partner del settore. Nel frattempo, gli scienziati stanno anche lavorando su unità finestra per il successore di ITER chiamato DEMO, in cui verrà prodotta energia dal 2050 in poi. Come conseguenza del funzionamento multifrequenza pianificato del sistema di riscaldamento a microonde in DEMO, però, saranno necessari nuovi tipi di girotroni. Sono attualmente in fase di sviluppo da parte del team di ricerca del professor John Jelonnek presso l'Istituto per l'energia pulsata e la tecnologia a microonde del KIT. Questi nuovi girotroni avranno bisogno di nuove unità finestra con dischi diamantati più grandi. Il prototipo corrispondente è ora disponibile. "Il nostro disco ha un diametro di 180 mm ed è spesso fino a 2 mm, ", afferma Theo Scherer. "Questo lo rende la più grande struttura di diamante sintetico mai prodotta pronta per l'uso". IAM sta esaminando la struttura superficiale e le caratteristiche ad alta frequenza rispetto alle perdite di microonde della finestra.

I dischi sono realizzati in diamante sintetico mediante deposizione chimica in fase vapore (CVD), una speciale tecnica di rivestimento. I diamanti CVD crescono su una superficie di silicio in un piccolo reattore sotto vuoto riempito con una miscela di gas. Mediante l'irradiazione a microonde, questa miscela viene trasformata in un plasma, simile a ciò che accade in un reattore a fusione, ma con un consumo energetico molto inferiore. Il plasma è costituito da idrogeno atomico che impedisce la formazione indesiderata di grafite e da una piccola quantità di metano che fornisce carbonio al diamante. "È un processo lungo e molto complesso, " Dirk Strauss dice. "La finestra di diamante cresce di pochi micrometri all'ora." Il prodotto finale è di conseguenza costoso. La produzione di un disco diamantato per il reattore DEMO costa una quantità di sei cifre, dice Strauss.

Però, le opzioni di utilizzo del materiale diamantato nella tecnologia di fusione non sono ancora esaurite. Finora, Presso IAM sono stati progettati dischi diamantati con struttura policristallina. Questi dischi sono costituiti da una serie di piccoli diamanti. "Al momento, stiamo lavorando allo sviluppo di dischi diamantati monocristallini, " Dice Theo Scherer. "Questo potrebbe ridurre ulteriormente le perdite di microonde durante la trasmissione".