As magnetically confined fusion devices improve, the conditions at the walls become increasingly intense. Plasma facing components (PFCs) must withstand these extreme heat and particle loads without damage or degradation. Liquid lithium PFCs are known to be quite resilient, and the presence of lithium also serves to improve plasma properties. The liquid metal infused trench (LiMIT) concept is an open surface liquid lithium PFC design that has been tested extensively at the University of Illinois and in fusion devices around the world. LiMIT utilizes thermoelectric magnetohydrodynamics (TEMHD) to passively drive liquid lithium flow. This work demonstrates an extension of the LiMIT trench geometry to three dimensions. Additively manufactured large pore metallic foams maintain TEMHD drive while drastically improving heat flux handling and resistance to lithium dryout, a phenomenon where locally high TEMHD forces depresses the lithium level and exposes underlying solid structure. COMSOL multiphysics modeling of the system yields insight into the forces at play in dryout development, and shows the 3D structures can eliminate dryout. Low heat proof-of-concept experimental testing of the system matches computational results, and high heat flux electron beam tests more than double the proven operational range of a LiMIT-style PFC, to 6.8 MW m−2, with no indications of dryout or impending damage.
磁気閉じ込め核融合装置が改良されるにつれて、壁面での条件はますます過酷になる。プラズマ対向機器（PFCs）は、損傷や劣化を起こすことなく、これらの極端な熱負荷と粒子負荷に耐えなければならない。液体リチウムPFCは非常に頑健であることが知られており、また、リチウムの存在はプラズマ特性の向上にも寄与する。液体金属注入トレンチ（LiMIT）コンセプトは、開放表面型液体リチウムPFC設計であり、イリノイ大学および世界中の核融合装置で広範囲に試験されてきた。LiMITは、熱電磁流体力学（TEMHD）を利用して液体リチウムの流れを受動的に駆動する。本研究は、LiMITトレンチ形状の三次元への拡張を実証するものである。付加製造された大孔径金属フォームは、TEMHD駆動を維持しつつ、熱流束処理能力とリチウムドライアウト耐性を大幅に向上させる。ドライアウトとは、局所的に高いTEMHD力がリチウム液面を押し下げ、下にある固体構造を露出させる現象である。システムのCOMSOLマルチフィジックスモデリングは、ドライアウト発生に関与する力についての洞察をもたらし、3D構造がドライアウトを排除できることを示す。システムの低熱での概念実証実験は計算結果と一致し、高熱流束電子ビーム試験により、LiMIT型PFCの実証済み動作範囲は6.8 MW m−2まで2倍以上に拡大され、ドライアウトや差し迫った損傷の兆候は見られなかった。