液体锂作为分流材料，以减轻等离子体瞬变过程中附近组件的严重损坏

热核聚变反应堆(如ITER或下一代DEMO装置)的成功开发主要取决于各种组件和系统的最佳材料选择。材料选择应促进组件(特别是导流器)的长寿命，包括在等离子体瞬态事件期间耐受高热负荷，提供高效的热核反应和能量转换，保持组件中最低的氚浓度，促进材料兼容性问题，安全性和其他要求。目前，ITER是主要的国际项目，旨在展示托卡马克概念在未来能源生产中的能力。ITER装置比现有的任何托卡马克装置都要大得多，并且在等离子体不稳定期间，分流器组件的热通量要高得多。等离子体材料相互作用(PMI)过程中预期的表面热负荷是制约核聚变装置成功发展的主要因素之一。在ITER装置中，等离子体面组件(pfc)不仅在异常运行(如中断)时，而且在正常运行(即边缘局域模式(elm))时也会受到损坏和侵蚀。¹．在目前的ITER设计中，使用全钨转向器可能会对所有内部组件造成严重损害，这些组件最初对干扰等离子体是不可见的，包括挡板、反射板、圆顶，甚至铍第一壁。要修复所有这些部件，将需要在反应堆运行中长时间停机。在等离子体不稳定期间，ITER引流器的全钨设计将导致高密度高z二次钨等离子体的发展，对各种内部元件具有很高的辐射功率。

一种减少内部元件热负荷的方法是在钨分流器的击点(SP)周围部分覆盖或插入低z材料条。例如，SP处的小碳嵌套可以消除或显著降低二次等离子体(即碳生成等离子体)中的钨含量，减少芯等离子体钨污染，并且由于辐射功率大大降低，大大降低了导流器附近表面和第一壁的损伤²．一小条碳插入(仅占所有碳分流板设计选项的不到10%，这有其自身的额外问题)将防止所有这些内部组件的损坏，这些组件非常难以修复，并将防止在瞬态事件期间对核心等离子体产生大量高z污染的可能性，这些污染可能导致完全中断或影响当前ITER设计的成功运行。与高z钨相比，碳产生的等离子体主要将能量吸收到热部分。与钨相比，碳的原子结构简单。结果，钨离子通过电离消耗了大量的瞬态等离子体能量，而在碳中是通过增加离子速度来消耗的。使用碳的优点是热冷却过程缓慢。最终的能量沉积将在时间上延迟并局限于碳颗粒内，这些碳颗粒以极低的强度转移到较远的位置，不会造成重大损害。在钨的情况下，冷却过程是W离子的复合和强光子的发射。这个过程要快得多，并且由于辐射光子在所有方向上移动而不考虑磁场结构，最终能量沉积不局限于钨离子内。由于钨离子比碳离子重，在钨的情况下，碰撞和散射过程更加“有效”，即更多的入射氢离子及其能量改变方向并反射到壁面和内部组件，而不会深入穿透二次致密等离子体云。 As result, the final energy deposition is redistributed to interior component surfaces causing intense local hot spots.

然而，使用碳作为PFC也有几个缺点，包括更高的侵蚀，氚保留问题，室中的灰尘，严重的中子损伤等。以前提出过从碳和氟氯化碳中去除氚的方法，例如，在两次放电之间使用激光束加热等。事实上，瞬态事件本身，如elm和小碳带上的破坏，实际上会帮助去除氚，因为这些事件期间的高温。大部分的内部设计，如圆顶、挡板、反射板和大部分的导流板仍然是由钨制成的。薄碳嵌套是介于全钨转喷器和全碳板转喷器之间的一种折衷方案，目前不受青睐。这两种选择都有优点和缺点。在钨板上安装一个非常小且易于更换的低z碳嵌套，可以显着保护所有附近表面和第一壁免受严重损坏，并可以延长导流器组件的使用寿命²．

下一代DEMO核聚变电站计划是一个介于ITER和商业核聚变电站之间的装置^3.．该演示应证明稳定的长期运行，净发电量为几百兆瓦。与ITER相比，分流器和其他面向等离子体的表面将暴露在更高的能量流中。DEMO项目建议使用液态锂代替钨作为PFC，在无elm状态下运行，并避免或减轻中断。液态锂不仅可以解决pfc的腐蚀问题，而且可以作为有效的热传递体和氚增殖材料，提高核心等离子体的性能。液态锂的这些无可争辩的优点，使得在ITER项目的某个阶段可以将其作为建筑材料⁴．锂自冷毯是计划在ITER项目中测试的DEMO的主要概念⁵．

本工作的目的是准确、全面地模拟液态锂材料在类似iter的设计和条件下的优势，并与钨和碳进行比较，以评估DEMO性能。我们模拟了ITER组件在等离子体瞬态事件中的响应，从逸出的热核心等离子体粒子一直到二次分流等离子体的产生以及与周围各种pfc的相互作用。

集成模型组件

我们已经增强了用于锂计算的HEIGHTS全3D集成模拟包，包括详细的光子辐射输运(RT)，并重点研究了在elm和中断的瞬态事件中各种pfc表面的热负荷和损伤⁶．在我们之前的研究中，我们假设当前ITER设计的这些事件持续时间为1毫秒^7，8，9．数字1图解地显示了三维计算域和所使用的坐标系。自适应网格细化(AMR)用于精确描述精确的原始三维ITER设计几何形状，从亚微米到米长¹⁰．

四-三AMR有5层最小MHD细胞尺寸~ 5毫米。逸出的热等离子体核粒子从最后一个闭合通量面(LCFS)开始沿环面方向旋转，直到撞击到pfc表面。在瞬态事件开始时，最可能的冲击区域是安装锂托盘的导流板上的SP(图1)。1、绿色)。在我们的模拟的第一阶段，逃逸粒子的演化被用于计算实际能量沉积到托卡马克表面和在SOL中转移蒸汽/等离子体的演化和传播。我们建立了陀螺仪动力学蒙特卡罗模型来描述核心等离子体能量输运^6，11．在我们的模型框架内，粒子的旋转是在全3D中计算的(而不是在所谓的导向中心近似中)¹²)，以准确地考虑散射过程中的角度变化。我们将离子-核相互作用、离子-电子相互作用、电子-核相互作用、电子-电子相互作用、布雷姆斯特劳过程、康普顿过程、光吸收和俄歇复合这八种主要的物理过程纳入散射模型⁶．数字2显示了在SOL中逃逸氘离子的模拟轨迹样本(参见补充视频)S1用于模拟从核区逸出的电子和氢离子的动力学。陀螺动力学模型描述了稀薄的热核心等离子体，而MHD模型模拟了在导流器汽化后开始的密集二次等离子体的演化。次级等离子体(在本例中为Li)比稀有核心等离子体密度大几个数量级，因此MHD处理对于稠密等离子体是合理的¹³．我们的模拟预测了二次等离子体的密度高达~ 10¹⁷厘米⁻³与~ 10相比¹³厘米⁻³对于氢等离子体。陀螺动力学模型每隔几个MHD时间步动态地重新计算核心等离子体通量和能量沉积，并对托卡马克腔内的每个区域/部件进行计算。逸出的核心粒子能量(1)沉积到不断演化的致密次级等离子体中并加热，次级等离子体(2)移动冻结的磁力线，而(3)决定逸出的入射等离子体粒子的轨迹。更多关于这种自一致的全3D方案的细节可以在参考文献中找到。²．

尽管锂是一种低z材料，原子结构比钨简单得多，但我们并没有忽略锂二次等离子体中原子物理和光子辐射输运(RT)计算的任何细节。在0.05 ~ 10的范围内，考虑了约2800多个光谱群，进行了RT计算⁵eV(全光谱)。在高度的RT物理和模型的细节介绍在参考文献。^2，14．等离子体热传导和磁扩散模型¹⁵，本体材料热传导和汽化模型¹⁶完成HEIGHTS自洽集成模型。

仿真结果

在我们的数值研究中，我们假设在1毫秒的中断中释放全部基座能量Q_说= 126兆焦耳，而对于1ms巨型ELM，只有基座能量的10% (Q_榆树= 12.5 mj)²．取基座等离子体温度T_ped= 3.5 keV。基于瞬态事件总能量，我们以百分比表示了ITER ELM和中断的所有主要pfc的最终能量分配平衡(图2)。3.）.逸出的粒子能量沉积在Li等离子体中被标记为红色，外部的导流板被标记为绿色，内部的导流板被标记为蓝色，所有其他表面都被标记为黄色。并将锂电池的能量分布与钨电池和碳电池进行了比较²．

正如我们之前报道的那样²低z碳等离子体由于其原子结构，其光子辐射功率要低得多;与高z钨等离子体相反。沉积在碳等离子体中的部分ELM总能量(12.6 MJ)比沉积在钨等离子体中的8.6 MJ增加了10.2 MJ。此外，碳等离子体的光子能量仅为0.62 MJ，而钨等离子体的光子能量为6.47 MJ。光子辐射是非常难以缓解的，与热等离子体能量的传输相比，它的传递时间非常短，并且不受磁场结构的影响。目前的模拟表明，与碳相比，锂作为势分流材料的光子辐射功率进一步降低。

我们总结了ITER设计中W、C、Li转流器的能量分布结果见表1．如图所示，总能量沉积到Li次级等离子体中与碳等离子体情况相似，但在Li情况下，直接核心等离子体沉积到分流板中的能量要小得多(约低三倍)。这可以解释为易汽化的锂材料具有快速形成等离子体云和分流板屏蔽。正如我们上面所预测的那样，即使与低z碳等离子体相比，Li次级等离子体的辐射也要小得多。在ELM过程中，钨等离子体辐射能量的51.34%，碳等离子体辐射能量的4.92%，锂等离子体辐射能量的0.36%。在Li的情况下，预期的光子辐射沉积和表面损伤非常小。反射回导流板的辐射能量约占总冲击能量的0.01 ~ 0.05%。在Li情况下，核心等离子体能量主要转化为次级等离子体的热能。与辐射能量的快速传输相比，热能传输要慢得多，而辐射能量的传输速度是由光速决定的。我们的模拟表明，次级等离子体的极向速度约为每秒几百米。 As a result, the heat load on the divertor components is spread in time that allows for such heating mitigation.

表1反映时间内的总积分值。然而，托卡马克中的瞬态事件具有复杂的自一致性，在时间和空间上具有概率分布。我们在这里应该强调两个主要的损伤源:散射的核心等离子体粒子和通过SOL传播的动态演变的二次等离子体的光子辐射。时间积分辐射能量显示PFC表面损伤的风险最小。在导流器空间绘制的辐射场(图1)。4a)显示了Li情况下的光子辐射通量比W和C二次等离子体小两个数量级(参见参考文献的图6)。²,)。所有三种情况都在1.0 ms ELM期间的0.5 ms时间时刻绘制。

在之前的模拟中，我们遵循相同数量的组件表面，其中#1，#9是挡板;#2， #8是分流板;#3， #7是反射器;#4， #6是圆顶管;5号是Dome²．除了来自Li光子辐射的损伤外，逃逸的等离子体核心和来自演化的Li二次等离子体的散射粒子也会造成表面损伤。数字4B将粒子通量绘制为对数尺度的矢量，以清楚地显示破坏影响的位置和方向。在挡板表面上方1.0 ms断裂的0.5 ms处，颗粒通量非常高。

在我们之前的计算中，我们在5号穹顶表面发现了一个关键的损坏点，在破坏过程中，全钨转向器损坏了²．这个意想不到的地方也会在ELM活动期间融化。在SP处使用一个小的碳嵌套可以解决ELM的这个问题，但在中断期间，Dome点仍然会熔化。锂托盘或结构的使用彻底解决了Dome表面的过热问题(见图2)。5）.绿色曲线(Li情况)显示，在ELM过程中，Dome表面温度小于800 K，而在中断事件中，Dome表面温度小于3000 K。对于类似iter的设计，我们预测的第二个过热区域是#3 Reflector。Li二次等离子体云也大大降低了该表面的热负荷。数字6如图所示，在中断事件期间，锂电池的反射器表面温度(绿色曲线)大幅下降。

在破坏期间预计的意外侵蚀位置在外层9号挡板上。数字7为挡板表面在1.0 ms破坏后的侵蚀形状。如图所示，全钨转喷器(红色曲线)的最大侵蚀深度可达~ 1 μm。在1.0 ms破坏结束时，低z材料的使用减少了高达10倍的陨石坑深度侵蚀。我们预计，DEMO分流器组件的全锂涂层也将缓解这一问题。挡板表面上方Li等离子体密度不足(图2)。8）.(见补充视频S2模拟Li次级等离子体从SP位置沿导流器组件表面开始和膨胀的动力学)。#9折流板侵蚀是由于二次等离子体屏蔽不足，即沿折流板表面Li云形成和膨胀不足造成的。其他锂DEMO表面的存在将增强已开发的锂等离子体屏蔽，减轻侵蚀，并延长组件寿命。

来自磁约束聚变反应堆核心等离子体进入分流器空间的主要能量通量集中在隔离矩阵周围相对狭窄的区域，即闭合和开放磁场线区域之间的边界¹⁷．托卡马克反应堆的成功主要取决于装置各部件材料的最佳选择。在转向器空间中，由于热氢等离子体相互作用和在转向器材料中的沉积，产生了源自转向器表面材料的二次等离子体云。传统材料，如钨、铍或碳，最初似乎可以解决类似iter项目的等离子体-材料相互作用问题，尽管包括在数千次脉冲后更换分流器的过程。在现有的托卡马克中，每一种经过良好测试的材料都有一定的优点，也有严重的缺点。因此，高z等离子体杂质导致辐射冷却、热沉积高、侵蚀大、燃料滞留、粉尘堆积等问题出现。对于等离子体瞬态事件，如DEMO项目，需要更高的导流器热通量，需要新的材料和设计解决方案。减少高z核心等离子体冷却，减轻侵蚀，减少燃料滞留等的一个明显步骤是将导流板的材料改为低z可补充材料，如锂，目前在NSTX-U, DIII-D和EAST托卡马克中正在进行一些相应的研究^{18，19，20.}．

这项工作的目的是在综合集成模拟中研究类似ITER设计中等离子体瞬态事件中液态锂响应的优势，并为未来的DEMO项目性能使用原始的全精确3D ITER设计和参数。为此，我们增强了用于锂计算的HEIGHTS全3D集成模拟包，包括详细的光子辐射输运，并将目前的研究重点放在研究elm和中断的等离子体瞬态事件期间各种pfc表面的热负荷和损伤。

我们的模拟预测，当在导流板上使用锂时，可以显著减少热负荷和对导流板附近和内部组件的损坏。当在分流板上使用钨或碳时，反射器、圆顶和不锈钢管上可能出现明显的熔化和汽化斑点(碳比钨少)，甚至由于次级分流器等离子体的高辐射功率，第一壁的部分也可能熔化。锂光子在导流器及其附近表面的辐射沉积量比钨的减少了两个数量级，比碳的减少了一个数量级。该分析表明，在iter类表面和未来的DEMO中使用液态锂可以显著提高组件的使用寿命。

方法的详细信息，包括数据可用性和任何相关的加入代码和引用的声明，也可在https://doi.org/10.1038/s41598-021-81510-2和https://doi.org/10.1038/s41598-022-08837-2．我们升级了锂等离子体中的辐射输运(RT)计算，详细考虑了强谱和连续谱中的能量传递。为了模拟具有许多强谱线的RT，我们优化了初始不透明度表，并将整个等离子体光谱分成光学系数相对不变的光谱组。使用这种技术，钨等复杂元素的不透明度表降低了一个数量级，碳和锂等较轻元素的不透明度表降低了两个数量级。数字9给出了一个优化25 eV温度和10 eV温度下锂不透明度的例子¹⁷厘米³离子浓度。由于等离子体光谱严重依赖于温度，因此收集到的光谱组是为大范围的温度创建的。在光子能量~ 10 keV范围内，具有强谱线分离的光谱精细结构如图所示。9b。