Les centrales à fusion promettent une énergie presque illimitée respectueuse du climat et les scientifiques du monde entier coopèrent pour atteindre cet objectif. Un aspect peu connu de ce domaine de recherche hautement spécialisé concerne le diamant qui est en fait un matériau indispensable pour la technologie de fusion. Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) développent des disques de diamant pour les unités de fenêtre afin de chauffer le plasma dans les réacteurs de fusion. En coopération avec une société appelée Diamond Materials, ils ont maintenant produit un disque de diamant de 180 mm de diamètre.

Cela se passe dans le feu du soleil :des atomes d'hydrogène sont fusionnés à l'hélium et au cours de cette réaction de fusion nucléaire, des quantités gigantesques d'énergie sont libérées. Dans les centrales à fusion sur Terre, ce « starfire » pourrait un jour contribuer à un approvisionnement énergétique durable et sûr. À l'échelle mondiale, les chercheurs en fusion coopèrent pour mettre en service les premiers réacteurs. Chez KIT, des gyrotrons sont développés pour le réacteur de recherche ITER et les réacteurs plus petits, tels que Wendelstein 7X et ASDEX Upgrade. Les gyrotrons sont des oscillateurs micro-ondes générant une température allant jusqu'à 150 millions de degrés Celsius dans le réacteur, semblable à un très gros micro-ondes. Cette température élevée fait que le combustible au tritium atteint l'état de plasma requis pour la fusion. Pour guider le rayonnement micro-ondes des gyrotrons dans le plasma et afin de maintenir un vide et de maintenir le tritium radioactif à l'intérieur du réacteur, une équipe autour du Dr Dirk Strauss et du professeur Theo Scherer de l'Institute for Applied Materials (IAM) du KIT conçoit des unités de fenêtre appropriées. Pour les disques, une seule matière convient :" le diamant est indispensable, " dit Dirk Strauss. " Aucun autre matériau connu ne survit au rayonnement micro-onde extrême et, à la fois, a la perméabilité requise avec de faibles pertes."

Pour guider le rayonnement de plus d'un mégawatt de puissance dans le réacteur de recherche ITER, de nombreuses fenêtres en diamant ont été conçues par IAM et produites en coopération avec des partenaires industriels. Pendant ce temps, les scientifiques travaillent également sur des unités de fenêtre pour le successeur d'ITER appelé DEMO, dans laquelle l'électricité sera produite à partir de 2050. En conséquence du fonctionnement multifréquence prévu du système de chauffage par micro-ondes dans DEMO, cependant, de nouveaux types de gyrotrons seront nécessaires. Ils sont actuellement développés par l'équipe de recherche du professeur John Jelonnek à l'Institute for Pulsed Power and Microwave Technology du KIT. Ces nouveaux gyrotrons auront besoin de nouvelles unités de fenêtre avec des disques de diamant plus gros. Le prototype correspondant est désormais disponible. "Notre disque a un diamètre de 180 mm et une épaisseur jusqu'à 2 mm, " dit Theo Scherer. " Cela en fait la plus grande structure de diamant synthétique jamais produite prête à l'emploi. " Maintenant, IAM examine la structure de surface et les caractéristiques haute fréquence en ce qui concerne les pertes micro-ondes de la fenêtre.

Les disques sont en diamant synthétique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), une technique de revêtement spéciale. Les diamants CVD poussent sur une surface de silicium dans un petit réacteur sous vide rempli d'un mélange gazeux. Au moyen d'une irradiation par micro-ondes, ce mélange est transformé en plasma, semblable à ce qui se passe dans un réacteur à fusion, mais avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Le plasma se compose d'hydrogène atomique qui empêche la formation indésirable de graphite et d'une petite quantité de méthane qui fournit du carbone pour le diamant. "C'est un processus long et très complexe, " Dirk Strauss dit. " La fenêtre de diamant grandit de quelques micromètres par heure. " Le produit final est donc cher. La production d'un disque de diamant pour le réacteur DEMO coûte un montant à six chiffres, dit Strauss.

Cependant, les options d'utilisation du diamant dans la technologie de fusion ne sont pas encore épuisées. Jusque là, des disques de diamant à structure polycristalline ont été conçus chez IAM. Ces disques se composent d'un certain nombre de petits diamants. "À l'heure actuelle, nous travaillons au développement de disques de diamant monocristallin, ", dit Theo Scherer. "Cela pourrait réduire davantage les pertes de micro-ondes pendant la transmission."