隨著人們生活水平的提高，大眾的環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，對清潔能源的需求也日益凸顯。目前我國可再生能源年開發(fā)利用量僅占能源消費(fèi)總量的約26%，仍有巨大的開發(fā)空間。核能是人類最具希望的新能源之一，發(fā)達(dá)國家的核能利用率已超過40%，而我國只占不到3%。

       人們開發(fā)核能的途徑有兩條：一是重元素的裂變，如鈾的裂變；二是輕元素的聚變，如氘、氚、鋰等。重元素的裂變技術(shù)，己得到實(shí)際性的應(yīng)用，但重元素具有放射性，日本福島核電站的教訓(xùn)讓人們談核色變。相比之下，輕元素的聚變技術(shù)無污染，原料來源豐富，蘊(yùn)含著巨大潛力。

       氘和氚都是氫的同位素。它們的原子核可以在一定的條件下，互相碰撞聚合成較重的原子核-氦核，同時(shí)釋放出巨大的核能（E=MC2）。據(jù)計(jì)算，每升海水中含有 0.03克氘。這0.03克氘聚變時(shí)釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的熱量。海水的總體積為13.7億立方公里，共含有幾億億公斤氘。這些氘聚變所釋放的能量，可以保證人類上百億年的能源消耗。

       然而氘-氚的核聚變反應(yīng)，需要在上千萬度乃至上億度的高溫下進(jìn)行。這樣的反應(yīng)，已經(jīng)在氫彈（鋰聚變）上得以實(shí)現(xiàn)。然而這一過程是不受控制的，產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應(yīng)來給太陽系帶來光和熱的，其中心溫度達(dá)到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應(yīng)，而地球上無法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補(bǔ)，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能靠強(qiáng)大的磁場來約束。此外，這么高的溫度，核反應(yīng)的點(diǎn)火也成為問題，一般采用能夠輸出兆瓦級功率的微波回旋管或激光束實(shí)現(xiàn)。

核聚變反應(yīng)堆

       目前世界上能夠完成可控核聚變的裝置之一是”托卡馬克核聚變堆“，也稱超導(dǎo)托卡馬克可控?zé)岷司圩兌?，俗稱“人造太陽“，其內(nèi)部溫度可高達(dá)5億度，是太陽內(nèi)部溫度的30多倍，由前蘇聯(lián)科學(xué)家于上世紀(jì)50年代發(fā)明。2006年，我過新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

核聚變堆點(diǎn)火時(shí)需要產(chǎn)生與傳輸高達(dá)數(shù)十兆瓦的微波能量，由于產(chǎn)生和傳輸?shù)墓β屎芨?，傳統(tǒng)的損耗高，熱導(dǎo)率低的藍(lán)寶石、BeO等微波窗口材料已不能滿足聚變堆對微波窗口的性能要求。高品質(zhì)金剛石膜材料因其微波介電損耗低（是藍(lán)寶石的十分之一），熱導(dǎo)率高（是藍(lán)寶石的50倍），自然成為了極佳的聚變堆微波窗口材料。目前國際上聚變堆技術(shù)已廣泛采用了由高品質(zhì)金剛石膜制造的高功率微波窗口。

國外制造的金剛石膜微波窗口

       聚變堆用高功率微波窗口要求金剛石膜直徑達(dá)到3-6英寸，厚度超過1.8mm，同時(shí)要求其具有高的熱導(dǎo)率以及低的介電損耗。這些特點(diǎn)對金剛石膜的制備技術(shù)提出了很高的要求，目前只有采用915MHz高功率微波CVD技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

令人遺憾的是，雖然早在2001年元素六就報(bào)道了其商業(yè)化的直徑119mm的高功率毫米波傳輸窗口，但直到今天我國仍然不具備這一能力。據(jù)悉，2012年，為適應(yīng)聚變堆技術(shù)的高速發(fā)展，我國的EAST計(jì)劃向國外定購了四片金剛石膜微波窗口，合同總金額達(dá)448萬元。

       造成這一現(xiàn)狀的原因是我國高功率微波CVD金剛石膜制備技術(shù)的落后。國內(nèi)近年來雖然在2.45GHz微波CVD技術(shù)方面取得了較大進(jìn)展，但在915 MHz高功率微波CVD技術(shù)研究方面卻一直處于空白。直至近幾年，河北省激光研究所、河北普萊斯曼金剛石科技有限公司聯(lián)合北京科技大學(xué)唐偉忠教授終于成功研制了915MHz/75kW高功率微波CVD裝置，并在國內(nèi)首次制備了直徑127mm，厚度接近1mm的高品質(zhì)金剛石膜微波窗口材料，其熱導(dǎo)率超過20W/cm·K，介電損耗小于tgδ＜10-4。雖然這一指標(biāo)能夠滿足部分國內(nèi)金剛石膜用戶需求，但距離核聚變反應(yīng)堆兆瓦級微波窗口的應(yīng)用要求還有較大差距。希望在不久的將來我們能夠?qū)崿F(xiàn)這一產(chǎn)品的國產(chǎn)化，助力國家核聚變反應(yīng)堆（人造太陽）計(jì)劃的快速發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)我國清潔高效核能的大規(guī)模應(yīng)用，讓祖國的天更藍(lán)，水更清，人民生活更美好。

國產(chǎn)大面積金剛石膜窗口