金刚石热沉片在核聚变前沿领域的关键应用价值

核聚变装置内部构筑了现阶段人工可实现的极端服役工况，以国际热核聚变实验堆 ITER 为典型案例，装置内部等离子体核心温度可达 1.5 亿摄氏度，数值为太阳核心温度的十倍。与此同时，通量密集的 14.1 MeV 高能中子持续轰击结构材料，诱发基材肿胀、脆化、放射性活化等失效问题；氢、氦等离子粒子持续辐照还会造成材料表层起泡、层状剥离等界面损伤，常规金属基材已趋近性能耐受极限。

金刚石集成多项适配极端工况的顶尖理化性能，综合优势显著：

其一，热传导性能具备压倒性优势。材料室温热导率可达 2000-2200 W/(m・K)，导热能力为纯铜的 5 倍，可快速均摊局部集中高热负荷，规避构件熔融损毁风险；在室温至 500℃区间内，其热导率衰减幅度远低于其余工程材料。金刚石高温稳定性突出，惰性保护气氛下可维持 1400℃以上稳定工作，且热膨胀系数数值极低，高温交变工况下内部热应力水平可控。

其二，力学性能与抗辐照耐受能力优异。金刚石为自然界硬度最高的固态材料，耐磨损耗性能突出；碳碳强共价键体系对中子辐照具备独特耐受机制：高剂量中子辐照虽会在晶格内部生成缺陷，但环境温度高于 500℃时，部分晶格损伤可通过高温退火实现自主修复。相关试验数据证实，经特定剂量中子辐照处理后，部分金刚石试样的抗等离子侵蚀性能优于钨基材料。

其三，光学透光特性与电学绝缘性能适配聚变诊断需求。金刚石透光区间覆盖 225 nm 深紫外至远红外全波段，光谱透过窗口极宽，可作为等离子体检测系统配套激光窗口、微波传输窗、光谱观测窗的优选基材。同时材料绝缘性能优良、载流子迁移速率高，是聚变中子探测设备（金刚石中子探测探头）的核心候选材料。

其四，低活化、低氚滞留满足聚变堆安全设计标准。金刚石基材仅由碳元素构成，受聚变中子辐照后生成的放射性同位素半衰期普遍较短，契合聚变装置低活化设计准则，便于后期设备固废处置与远程运维作业；其对氘氚聚变燃料的吸附滞留量远低于各类金属基材，可提升聚变燃料循环利用效率。

现阶段，金刚石材料已在多条核聚变前沿科研赛道实现工程化落地，承担不可替代的核心作用：

一、高功率毫米波传输光学窗口（产业化最成熟应用）

ITER 等主流磁约束聚变装置采用 170 GHz 兆瓦级毫米波系统完成等离子体升温与电流驱动调控，传统窗口基材易因热应力集中发生开裂失效。金刚石窗口可保障大功率加热毫米波低损耗、稳定馈入等离子体区域，是聚变堆长周期稳态运行的核心保障构件。

二、等离子体诊断观测窗口与光学反射镜

在用于测算等离子体核心温度场分布的汤姆逊散射诊断系统中，大功率激光束需穿透真空腔体，对应光学窗口需同时满足耐高温、抗等离子体污染、高透光率多重指标，金刚石窗口可完全匹配工况要求，保障诊断数据精准可靠。除此之外，面向等离子体侧的第一反射镜可采用抛光金刚石基材，依托优异抗侵蚀性能维持镜面长期光洁度，保障全周期诊断精度稳定。

三、高性能聚变中子探测器件

金刚石中子探测器具备响应速度快、耐辐照、耐高温、对 γ 射线干扰不敏感等优势，能够实时精准采集聚变中子通量、能谱与时域空间分布数据，是监测聚变反应效率、解析燃烧等离子体物理机制的核心探测载体。针对偏滤器靶板等局部超高热负荷区域，金刚石基复合材料或金刚石涂层为极具落地潜力的解决方案。依托高强度、超高导热与全光谱透光特性，金刚石可耐受超高激光能量通量，保障靶丸内爆几何对称性稳定。

从材料工程宏观视角分析，金刚石在核聚变领域的规模化应用，是人类依托极端性能特种材料驾驭聚变清洁能源的典型范例。该材料不单单是解决聚变装置热管理、辐照损伤、光学传输难题的工程载体，更有望催生全新聚变堆设计思路，例如依托金刚石光学窗口、高导热防护装甲，研发功率密度更高、整体结构更紧凑的新一代聚变实验装置。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石 (晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石 (热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂) 和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G 基站、大功率 LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。