In this work, we study the effect of installing a liquid metal divertor (LMD) using a capillary-porous structure in the EU DEMO tokamak within the same envelope of the baseline solid divertor. We used the SOLPS-ITER code to model the scrape-off layer (SOL) plasma and neutrals, coupled to a target thermal model to enable the self-consistent calculation of the LM target erosion rate, and adopting a fluid neutral model for the sake of simplicity. First calculations considering only D and Li (or Sn) showed a significant reduction of the steady state target heat load with respect to simulations considering only D, thanks to vapor shielding. Nevertheless, the computed peak target heat flux (∼31 MW m−2 and ∼44 MW m−2 for Li and Sn, respectively) was still larger than/borderline to the power handling limit of the LMD concepts considered. Moreover, the impurity concentration in the pedestal—a proxy for the core plasma dilution/contamination—was computed to be above/close to tolerability limits suggested by previous COREDIV calculations. These results indicate that the operational window of an LMD for the EU DEMO, without any additional impurity seeding, might be too narrow, if it exists, and that Sn looks more promising than Li. A second set of calculations was then performed simulating Ar seeding in the SOL, to further reduce the target heat load, and consequently the metal erosion rate. It was found that the mitigation of the plasma heat load due to Ar radiation in the SOL effectively replaces the radiation associated to vapor shielding in front of the target, thus allowing to operate the LMD in a regime of low target erosion. The resulting operational window was found to be significantly wider, both in terms of tolerable peak target heat flux and of acceptable core plasma contamination.
本研究では、EU DEMOトカマクにおいて、ベースラインの固体ダイバータと同じ包絡線内に、毛細管多孔質構造を用いた液体金属ダイバータ（LMD）を設置した場合の効果を調査する。SOLPS-ITERコードを用いてスクレイプオフ層（SOL）のプラズマと中性粒子をモデル化し、ターゲット熱モデルと結合させることで、液体金属ターゲットの侵食率を自己無撞着に計算し、簡素化のため流体中性粒子モデルを採用した。DとLi（またはSn）のみを考慮した最初の計算では、蒸気遮蔽により、Dのみを考慮したシミュレーションと比較して、定常状態のターゲット熱負荷が大幅に低減することが示された。それにもかかわらず、計算されたピークターゲット熱流束（LiおよびSnについてそれぞれ約31 MW m⁻²および約44 MW m⁻²）は、考慮したLMD概念の出力処理限界よりも大きいか、あるいはその境界値であった。さらに、ペデスタル中の不純物濃度（コアプラズマの希釈・汚染の指標）は、これまでのCOREDIV計算で示唆された許容限界を上回るか、あるいはその近傍であると計算された。これらの結果は、追加の不純物シーディングなしでのEU DEMO用LMDの運転ウィンドウは、存在するとしても狭すぎる可能性があり、SnがLiよりも有望であることを示している。その後、ターゲット熱負荷をさらに低減し、それに伴う金属侵食率を低減するために、SOLへのArシーディングをシミュレーションする第二の計算セットを実施した。SOLにおけるAr放射によるプラズマ熱負荷の緩和が、ターゲット前方の蒸気遮蔽に伴う放射を効果的に置き換え、低ターゲット侵食率の領域でのLMD運転を可能にすることが見出された。結果として得られた運転ウィンドウは、許容可能なピークターゲット熱流束と許容可能なコアプラズマ汚染の両方の観点から、大幅に広いことが判明した。