Lithium-coated high-Z substrates are planned for use in the NSTX-U divertor and are a candidate plasma facing component (PFC) for reactors, but it remains necessary to characterize the gross Li erosion rate under high plasma fluxes (>1023 m−2 s−1), typical for the divertor region. In this work, a realistic model for the compositional evolution of a Li/D layer is developed that incorporates first principles molecular dynamics (MD) simulations of D diffusion in liquid Li. Predictions of Li erosion from a mixed Li/D material are also developed that include formation of lithium deuteride (LiD). The erosion rate of Li from LiD is predicted to be significantly lower than from pure Li. This prediction is tested in the Magnum-PSI linear plasma device at ion fluxes of 1023–1024 m−2 s−1 and Li surface temperatures ⩽800 °C. Li/LiD coatings ranging in thickness from 0.2 to 500 μm are studied. The dynamic D/Li concentrations are inferred via diffusion simulations. The pure Li erosion rate remains greater than Langmuir Law evaporation, as expected. For mixed-material Li/LiD surfaces, the erosion rates are reduced, in good agreement with modelling in almost all cases. These results imply that the temperature limit for a Li-coated PFC may be significantly higher than previously imagined.
リチウム被覆高Z基板は、NSTX-Uダイバータでの使用が計画されており、炉のプラズマ対向部品(PFC)の候補であるが、ダイバータ領域に典型的な高プラズマフラックス(>10^23 m−2 s−1)下での総Liエロージョン率を特性評価することが依然として必要である。この研究では、液体Li中のD拡散の第一原理分子動力学(MD)シミュレーションを組み込んだ、Li/D層の組成進化の現実的なモデルが開発される。混合Li/D材料からのLiエロージョンの予測も開発され、これには重水素化リチウム(LiD)の形成が含まれる。LiDからのLiのエロージョン率は、純Liからのそれよりも大幅に低いと予測される。この予測は、Magnum-PSI線形プラズマ装置において、イオンフラックス10^23–10^24 m−2 s−1およびLi表面温度⩽800 °Cで試験される。厚さ0.2～500 μmの範囲のLi/LiDコーティングが研究される。動的なD/Li濃度は、拡散シミュレーションによって推定される。純Liのエロージョン率は、予想通り、ラングミュア則による蒸発よりも大きいままである。混合材料Li/LiD表面の場合、エロージョン率は低減され、ほとんどすべてのケースでモデリングとよく一致する。これらの結果は、Li被覆PFCの温度限界が、これまで考えられていたよりも大幅に高くなる可能性があることを示唆している。