A promising approach to handle the intense plasma heat flux in the divertor region of a tokamak is the Vapor Box Divertor (VBD). Here plasma-lithium interaction creates a dense lithium vapor cloud which interacts with the incoming plasma, effectively shielding the tungsten surface beneath, therefore preventing overheating and sputtering of the tungsten and increasing the component’s lifetime. Two key steps must be addressed to validate this concept: investigating plasma-Li interactions and the transport mechanism of the latter in the presence of plasma. To explore this, a Vapor Box Module (VBM) has been designed for use with the linear plasma generator Magnum-PSI. The VBM consists of a series of three cylindrical boxes, with Li being evaporated at a controlled temperature in the central box (CB). Divertor-like plasma enters the VBM from an upstream aperture, interacts with the Li vapor cloud and exits through a downstream aperture ultimately impacting a target equipped with a calorimetry system. Optical diagnostics Thomson scattering, Filtered fast camera Imaging and optical emission spectroscopy provided information on plasma parameters in terms of electron density , temperature and plasma composition before and after this interaction. A significant reduction in plasma power was observed upon the establishment of lithium vaporization determined via cooling water calorimetry and embedded thermocouples at the downstream target. This resulted in a drop of the target temperature from ∼800 ∘C to ∼350 ∘C (57%) at the highest applied power (11.1 MW ) and CB temperature (∼700 ∘C). Lithium condensation at the side boxes of the VBM in combination with strong plasma momentum transfer effectively prevented upstream migration of lithium, while enhancing Li transport toward the target. The achievement of the two main goals of reducing plasma power and confining the Li in the VBM, are consistent with earlier published preliminary SOLPS-ITER simulations. This study shows that the presence of lithium in a VBD-like configuration can result in a strong reduction of power to the target surface, while at the same time the lithium vapor is effectively confined by the VBM, aided by the incoming plasma, preventing its escape from the VBM geometry. This represents a valuable step toward validating the feasibility of the VBD configuration in future fusion reactors.
トカマクのダイバータ領域における強いプラズマ熱流束を処理するための有望な手法は、ベイパーボックスダイバータ(VBD)である。ここでは、プラズマ-リチウム相互作用が高密度のリチウム蒸気雲を生成し、それが流入プラズマと相互作用して、その下のタングステン表面を効果的に遮蔽し、したがってタングステンの過熱とスパッタリングを防ぎ、コンポーネントの寿命を延ばす。この概念を検証するために対処すべき2つの重要なステップがある: プラズマ-Li相互作用の調査と、プラズマ存在下での後者の輸送機構の調査である。これを調査するために、線形プラズマ発生装置Magnum-PSIで使用するためのベイパーボックスモジュール(VBM)が設計された。VBMは一連の3つの円筒状ボックスから構成され、中央ボックス(CB)内で制御された温度でLiが蒸発する。ダイバータ状プラズマは上流側開口部からVBMに入り、Li蒸気雲と相互作用し、下流側開口部を通って出て、最終的に熱量測定システムを備えたターゲットに衝突する。光学診断であるトムソン散乱、フィルタ付き高速カメライメージング、発光分光法により、この相互作用の前後におけるプラズマパラメータ、すなわち電子密度、温度、プラズマ組成に関する情報が得られた。リチウム蒸発の確立に伴い、下流ターゲットにおける冷却水熱量測定と埋込型熱電対によって決定されたプラズマ電力の大幅な低減が観測された。この結果、最大印加電力(11.1 MW)およびCB温度(∼700∘C)において、ターゲット温度は∼800∘Cから∼350∘Cへ(57%)低下した。VBMの側方ボックスでのリチウム凝縮は、強いプラズマ運動量輸送と組み合わさって、リチウムの上流への移動を効果的に防ぐ一方、ターゲット方向へのLi輸送を促進した。プラズマ電力の低減とVBM内へのLi閉じ込めという2つの主要目標の達成は、以前に発表された予備的なSOLPS-ITERシミュレーションと一致している。この研究は、VBD類似構成におけるリチウムの存在が、ターゲット表面への電力を大幅に低減できる一方で、同時にリチウム蒸気が流入プラズマに助けられてVBMによって効果的に閉じ込められ、VBM形状からの漏出が防止されることを示している。これは、将来の核融合炉におけるVBD構成の実現可能性を検証するための貴重な一歩である。