Liquid metal divertors aim to provide a more robust alternative to conventional tungsten divertors. However, they still require a solid substrate to confine the liquid metal. This work proposes a novel design philosophy for liquid metal divertor targets, which allows for a two orders of magnitude reduction of thermal stresses compared to the state-of-the-art monoblock designs. The main principle is based on a 3D-printed tungsten structure, which has low connectedness in the direction perpendicular to the thermal gradient, and as a result also short length scales. This allows for thermal expansion. Voids in the structure are filled with liquid lithium which can conduct heat and reduce the surface temperature via vapor shielding, further suppressing thermal stresses. To demonstrate the effectiveness of this design strategy, an existing liquid metal concept is re-designed, fabricated, and tested on the linear plasma device Magnum-PSI. The thermo-mechanical finite element method analysis of the improved design matches the temperature response during the experiments, and indicates that thermal stresses are two orders of magnitude lower than in the conventional monoblock designs. The relaxation of the strength requirement allows for much larger failure margins and consequently for many new design possibilities.
液体金属ダイバータは、従来のタングステンダイバータに代わるより堅牢な代替手段を提供することを目的としている。しかしながら、液体金属を閉じ込めるためには依然として固体基板が必要である。本研究では、液体金属ダイバータターゲットに対する新規の設計思想を提案するものであり、これにより最先端のモノブロック設計と比較して熱応力を2桁低減することが可能となる。その主要原理は、熱勾配に垂直な方向の連結性が低く、その結果として長さスケールも短い3Dプリントタングステン構造に基づいている。これにより熱膨張が可能となる。構造内のボイドは液体リチウムで充填され、これが熱を伝導し、蒸気遮蔽によって表面温度を低減させ、熱応力をさらに抑制する。この設計戦略の有効性を実証するため、既存の液体金属コンセプトを再設計し、直線プラズマ装置Magnum-PSIにおいて製作および試験を実施した。改良設計の熱機械有限要素解析は、実験中の温度応答と一致し、従来のモノブロック設計と比較して熱応力が2桁低いことを示している。強度要件の緩和により、はるかに大きな破損マージンが可能となり、その結果として多数の新たな設計の可能性がもたらされる。