A fusion reactor divertor must withstand heat flux densities <10 MW m−2. Additionally, it may have to withstand millisecond pulses on the order of 0.5 to 30 MJ m−2 due to (mitigated) edge-localized modes (ELM) occurring with 30 to 60 Hz. We investigate if these requirements can be met by capillary porous system (CPS) liquid lithium divertors (LLD). 3D-printed tungsten CPS targets were exposed in the linear plasma device Magnum-PSI, to deuterium plasma discharges lasting 15 s, generating 1.5 to 16 MW m−2, and Te ∼ 1.5 eV. Additionally, ELM-like pulses were superimposed on top of the steady state for 3 s with a frequency of 2 and 100 Hz, power flux densities of 0.3 to 1 GW m−2, and Te up to ∼14 eV. All Li targets survived without damage. The surface temperature (Ts) was locked at ∼850 °C, which was attributed to power dissipation via vapor shielding. Meanwhile, unfilled reference targets melted during the severest pulsed loading. A blue grayish layer of presumably LiD formed when Ts < 500 °C, but disappeared when the locking temperature was reached. This implies that LiD formation can be avoided, but that it may require a surface temperature at which Li evaporation excessively contaminates the core plasma in a tokamak. During pulsed loading the plasma facing surface remained wetted in all conditions. Bolometry indicated that, only during pulses, there was a large increase in radiative power dissipation compared to targets without Li. A high speed camera with a Li-I filter showed that strong Li evaporation continued up to 5 ms after a pulse. Overall, the liquid-lithium-filled 3D-printed tungsten targets were found to be highly robust, and 3D-printing can be considered as a promising manufacturing technique for LLDs. Further research is needed particularly on the formation of LiD and the associated tritium retention, as well as the impact of enhanced evaporation during and after ELMs on the core plasma.
核融合炉のダイバータは、熱流束密度が10 MW m⁻²未満に耐えなければならない。さらに、30〜60 Hzで発生する（緩和された）周辺局在モード（ELM）による、0.5〜30 MJ m⁻²程度のミリ秒パルスにも耐える必要がある場合がある。我々は、これらの要求が毛細管多孔質システム（CPS）液体リチウムダイバータ（LLD）によって満たされ得るかを調査した。3DプリントされたタングステンCPSターゲットを線形プラズマ装置Magnum-PSIにおいて、15秒間持続し、1.5〜16 MW m⁻²の熱流束密度とTe ∼ 1.5 eVを生成する重水素プラズマ放電に曝露した。さらに、定常状態の上にELM様パルスを、3秒間、2 Hzおよび100 Hzの周波数、0.3〜1 GW m⁻²の熱流束密度、Teが最大∼14 eVで重畳した。すべてのLiターゲットは損傷なく生存した。表面温度（Ts）は∼850 °Cに固定され、これは蒸気シールディングによる出力散逸に起因するものであった。一方、充填されていない参照ターゲットは、最も厳しいパルス負荷中に溶融した。Ts < 500 °Cのとき、おそらくLiDと思われる青灰色の層が形成されたが、固定温度に達すると消失した。これは、LiDの形成は回避可能であるが、そのためには、トカマクにおいてLi蒸発がコアプラズマを過度に汚染するような表面温度が必要となる可能性があることを示唆している。パルス負荷中、プラズマ対向面はすべての条件下で濡れた状態を維持した。ボロメトリにより、パルス中のみ、Liを含まないターゲットと比較して放射出力散逸が大幅に増加することが示された。Li-Iフィルターを用いた高速度カメラにより、パルス後最大5 msまで強いLi蒸発が継続することが示された。全体として、液体リチウムを充填した3Dプリントタングステンターゲットは極めて堅牢であることが判明し、3DプリンティングはLLDの有望な製造技術と考えられる。特にLiDの形成とそれに伴うトリチウム保持、ならびにELM中およびELM後の増強された蒸発がコアプラズマに及ぼす影響に関して、さらなる研究が必要である。