Onmisbaar materiaal voor fusietechnologie

Wereldwijd werken wetenschappers samen om klimaatvriendelijk en bijna onbegrensd energie uit kernfusie te halen. Tot nu toe is er echter maar weinig aandacht voor een materiaal dat onmisbaar is voor fusietechnologie: diamant.

Wereldwijd werken onderzoekers samen om de eerste reactoren te bouwen. Aan het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) worden bijvoorbeeld de zogeheten gyrotrons ontwikkeld voor de internationale onderzoeksreactor ITER en voor kleinere reactoren zoals de Wendelstein 7X en Asdex Upgrade. Gyrotrons zijn microgolfoscillatoren waarmee in de reactor een temperatuur tot 150 miljoen graden wordt bereikt. Daardoor bereikt de brandstof, tritium, de voor de fusie noodzakelijke plasmatoestand.

Venstersystemen

Om de microgolfstraling in het plasma te geleiden en tegelijkertijd een vacuüm en het radioactieve tritium in het inwendige van de reactor te houden, bouwt het team aan het KIT bovendien reactorvenstersystemen. Als materiaal voor de vensters komt slechts één materiaal in aanmerking: diamant. Geen ander bekend materiaal kan de extreme microgolfstraling uithouden en heeft tegelijkertijd de noodzakelijke doorlaatbaarheid en geringe verliezen.

Om straling met een vermogen van meer dan een megawatt in de onderzoeksreactor ITER te leiden, werden aan het instituut al de nodige diamantvensters ontworpen en in samenwerking met industriële partners geproduceerd. Intussen werken onderzoekers ook aan venstersystemen voor de ITER-opvolger DEMO, waarmee vanaf ongeveer 2050 daadwerkelijk stroom kan worden geproduceerd.

Voor deze installatie worden, door een gepland bedrijf met meerdere frequenties van de microgolfverhitting, nieuwe soorten gyrotrons noodzakelijk. Voor de nieuwe apparaten zijn nieuwe venstersystemen met grotere diamantschijven nodig. Er is nu een passend prototype beschikbaar: een schijf met een diameter van 180 mm en een dikte van 2 mm. Daarmee is het de grootste synthetische diamantstructuur tot nu toe die ook bruikbaar is. Momenteel worden in Karlsruhe de oppervlaktestructuur en de hoogfrequente karakteristieken met betrekking tot verlies van microgolven in het venster getest.

CVD-diamant

De schijven uit synthetisch diamant worden gemaakt door chemical vapor deposition (CVD). De diamanten groeien in een kleine, met een gasmengsel gevulde vacuümreactor op een silicium oppervlak. Net als bij een fusiereactor, maar met minder energie, wordt met microgolfstralen een plasma opgewekt. Dit bestaat uit atomair waterstof, dat ongewenste grafietvorming verhindert, en kleine hoeveelheden methaan dat het koolstof voor de diamant levert. Het is een langdurig en complex proces: het diamantvenster groeit met slechts enkele micrometers per uur. De prijs is navenant; elke diamantschijf voor de Demo-reactor kost zes cijfers voor de komma.

Met de nieuwe diamantschijf zijn de mogelijkheden van diamant voor de fusietechnologie nog niet uitgeput. Tot nu toe worden de diamantschijven bij het KIT met een polykristallijne structuur geconcipieerd. Ze bestaan uit een veelheid aan minuscule diamanten. Momenteel werken de wetenschappers aan de ontwikkeling van een éénkristals diamantschijf. Die zou kunnen bijdragen aan een verdere vermindering van het verlies van de microgolven tijdens de transmissie.

Foto: Tanja Meißner, KIT