Self-replenishing liquid metal coatings are considered as a perspective divertor design able to withstand challenging particle and power loads of a fusion tokamak-reactor. Numerical modeling of the scrape-of-layer (SOL) plasma with advanced 2D codes, such as SOLPS, is necessary for developing of the 'liquid-metal' divertor. In this work we report on upgraded version of SOLPS 4.3 code liquid metal erosion module implemented earlier in our group and present results of simulations of T-15MD tokamak with Li-covered divertor plates. The erosion model includes all main processes Li erosion, i.e. physical sputtering, thermal sputtering, evaporation, and prompt redeposition. Unlike some other available implementations, Li atoms are considered in kinetic approximation in our version. A detailed analysis of Li erosion and flow in T-15MD configuration for various powers (6–12 MW) and H content in the SOL is presented. It is shown that the most of eroded Li particles are redeposited on the divertor targets, however, in some regimes absolute Li flow from the divertor is still large and might lead to significant main plasma dilution with Li. Vapor shielding effect is pronounced on both divertor targets in the most reasonable regimes providing low peak heat flux values at the target plates, less than 10 MW m−2. The target erosion rate and surface temperatures are within limits of the most target designs. Moreover, in strongly shielded cases the target temperature can be even lower than the Li melting temperature meaning that external heating is required to keep Li flowing. Sensitivity analysis shows that our results are most sensitive to the target heat conduction parameters, i.e. the target thickness, outer surface temperature. It means that controlling the target cooling rate can be a useful tool for controlling the liquid Li divertor regime. Variation of the Li erosion rate parameters has little effect on the divertor performance.
自己補充型液体金属コーティングは、核融合トカマク炉の過酷な粒子および電力負荷に耐えることができる有望なダイバータ設計と考えられている。SOLPSなどの高度な2次元コードを用いたスクレイプオフ層（SOL）プラズマの数値モデリングは、「液体金属」ダイバータの開発に必要である。本研究では、我々のグループで以前に実装されたSOLPS 4.3コードの液体金属エロージョンモジュールの改良版を報告し、Liで覆われたダイバータ板を備えたT-15MDトカマクのシミュレーション結果を提示する。エロージョンモデルは、Liエロージョンのすべての主要なプロセス、すなわち物理スパッタリング、熱スパッタリング、蒸発、および即時再堆積を含む。他の利用可能な実装とは異なり、我々のバージョンではLi原子は運動論的近似で考慮される。様々なパワー（6〜12 MW）およびSOL中のH含有量に対するT-15MD配置におけるLiエロージョンと流れの詳細な解析が提示される。エロージョンされたLi粒子のほとんどはダイバータターゲットに再堆積することが示されるが、いくつかのレジームでは、ダイバータからの絶対Li流束は依然として大きく、Liによる主要プラズマの有意な希釈につながる可能性がある。蒸気シールド効果は、最も合理的なレジームにおいて両方のダイバータターゲットで顕著であり、ターゲット板上の低いピーク熱流束値（10 MW m−2未満）を提供する。ターゲットのエロージョン速度と表面温度は、ほとんどのターゲット設計の限界内にある。さらに、強くシールドされた場合には、ターゲット温度はLiの融点よりも低くなる可能性があり、Liを流動的に保つために外部加熱が必要であることを意味する。感度解析は、我々の結果がターゲットの熱伝導パラメータ、すなわちターゲットの厚さ、外表面温度に最も敏感であることを示している。これは、ターゲットの冷却速度の制御が液体Liダイバータのレジームを制御するための有用なツールとなり得ることを意味する。Liエロージョン速度パラメータの変動は、ダイバータ性能にほとんど影響を与えない。