等离子体与基于嵌入式多孔毛细结构锂靶的相互作用

Interaction between plasma and lithium target based on embedded capillary porous structure

摘要

多孔毛细结构对液态金属偏滤器中液态金属的稳定维持、抑制飞溅及有效传热方面具有关键作用。为改善传统金属筛网型多孔毛细结构在等离子体辐照与液态金属腐蚀作用下结构易被破坏以及结构对液态金属维持等问题，本文设计并制备了一种基于嵌入式多孔毛细结构的液态金属锂靶，依托直线等离子体装置开展Ar等离子体辐照实验，探究该结构的服役性能。实验结果表明，放电电流90 A、约束磁场0.1 T条件下，靶板未填充锂时多孔毛细结构的温度逐渐升至约720 ℃并趋于稳定；填充锂后，多孔毛细结构的温度在锂熔化阶段短暂回落，蒸气屏蔽效应稳定阶段温度维持在约670 ℃，相较未填充锂时降温约50 ℃。即便所填充的锂耗尽，由于锂的再沉积，靶板前方仍可观测到微弱的蒸气屏蔽效应。实验过程中产生的锂蒸气密度存在轴向分布，并且靠近靶板处的蒸气密度最大。锂和氩光谱相对强度变化的时间节点与靶板温度变化的节点一致，这可用于表征等离子体与锂蒸气的相互作用过程。在蒸气屏蔽稳定阶段，等离子体与锂蒸气的相互作用最为剧烈，光谱发射强度达到最大值。辐照后多孔毛细结构腐蚀分析结果表明，结构出现表面毛细凸台被破坏、芯吸通道堵塞的现象；芯吸到多孔毛细结构表面的液态锂无法在结构表面完全铺展，结构的毛细性能有所降低。本研究可为偏滤器中多孔毛细结构的设计、锂蒸气的扩散沉积提供实验依据与数据支撑。

Abstract

The capillary porous structure （CPS） plays a critical role in the stable retention of liquid metal， the suppression of splashing， and effective heat transfer in liquid metal divertors. In order to overcome the issues of structural destruction and reduced liquid metal retention capacity in conventional metal mesh-type CPS under plasma irradiation and liquid metal corrosion， this study designed a liquid lithium target based on an embedded CPS， fabricated via laser engraving. Its performance was experimentally investigated under argon plasma exposure in the linear plasma device at Sichuan University （SCU-PSI）. The results indicate that， under a discharge current of 90 A and a confining magnetic field of 0.1 T， the temperature of the CPS target without lithium gradually increased to approximately 720 °C and eventually stabilized. When lithium was filled， the CPS temperature exhibited a transient decrease during lithium melting， subsequently stabilizing at around 670 °C due to a steady vapor shielding effect—approximately 50 °C lower than without lithium. Even after lithium depletion， a weak vapor shielding effect persisted in front of the target due to lithium redeposition. During irradiation， the lithium vapor density exhibited an axial distribution， reaching its maximum near the target surface. The temporal evolution of Li and Ar spectral line intensities closely corresponded with the CPS temperature variations， which can be used to mark the interaction process between plasma and lithium vapor. During the stable vapor shielding stage， the emission intensity of the interaction spectra peaked， reflecting strong interactions between the plasma and lithium vapor. Corrosion analysis of the CPS after irradiation revealed partial destruction of surface capillary protrusions and blockage of wicking channels. The liquid lithium wicked onto the CPS surface failed to spread completely onto the structure surface， indicating degraded capillary performance. This study provides valuable experimental insights for optimizing capillary porous structures and understanding the diffusion–redeposition behavior of lithium vapor in liquid metal divertor applications.

Graphical abstract

关键词

多孔毛细结构 / 等离子体 / 等离子体辐照 / 液态锂靶 / 液态金属偏滤器 / 毛细作用力 / 蒸气屏蔽效应 / 结构腐蚀

Key words

capillary porous structure / plasma / plasma irradiation / liquid lithium target / liquid metal divertor / capillary force / vapor shielding effect / structural corrosion

作为托卡马克聚变装置中的面向等离子体部件，偏滤器至少需承受10~20 MW/m²的稳态热负荷^［1-2］。当发生等离子体破裂等瞬态事件时，偏滤器会在数毫秒内遭遇高达80 GW/m²的热负荷冲击^［3］，进而产生严重侵蚀损伤。金属钨因熔点高（3422 ℃）、导热性好、溅射率低等优势，成为非常优异的固体偏滤器材料^［4］。但在极端服役环境下，固体钨仍不可避免地会发生熔化、嬗变以及断裂等现象^［5-8］，影响偏滤器的稳定性及服役寿命；同时在高能等离子体粒子的轰击下可能会引入高原子序数（Z）杂质污染芯部等离子体，而芯部等离子体中钨粒子浓度应控制在10^-5量级以下^［9］。液态金属偏滤器凭借蒸气屏蔽效应、自修复能力以及抗中子损伤等优势，成为极具前景的替代方案^［10-11］。目前锂、锡是液态金属偏滤器领域研究最为广泛的两种金属介质^［12］。其中锡因原子序数高（Z=50），且存在材料相容性、润湿性不佳等问题，相关应用受到限制，因此锂成为当前主流研究对象。然而在强磁场环境下，液态金属会受磁流体动力学效应（MagnetoHydroDynamics， MHD）作用，易出现不稳定流动；若无外部约束，液态金属在等离子体作用下会产生严重的飞溅^［13］。Evtikin团队提出采用多孔毛细结构（Capillary Porous System， CPS）抑制MHD效应^［14］。液态金属材料表面张力较大，渗入毛细微结构后，多孔毛细结构产生的毛细作用力可以用来抑制液态金属的飞溅，并降低金属蒸发速率。即使液态金属发生飞溅，凭借自身的流动性和毛细作用，材料也能补充受损区域，实现自修复。由此可见，多孔毛细结构是保障液态金属偏滤器稳定运行的关键。因此，开展液态金属偏滤器多孔毛细结构的研究，对聚变装置中偏滤器的发展具有一定的参考意义。

传统的金属筛网型多孔毛细结构制备工艺简单，筛网目数容易控制，但在等离子体辐照、脉冲作用及液态金属的腐蚀下，这类结构易受到破坏^［15-16］。为改善毛细结构的性能，近年来研究人员陆续提出多种基于3D打印多孔毛细结构^［17-19］。这些结构具备良好的热处理能力以及芯吸能力，然而加工制备过程相对复杂。针对现有结构存在的不足，本文利用激光雕刻技术制备了一种嵌入式多孔毛细结构，并依托四川大学直线等离子体装置（SCU-PSI）开展实验验证。实验探究了嵌入式多孔毛细结构液态锂靶在氩等离子体辐照下的温度变化，并与无蒸气屏蔽时的结果进行对比。最后，分析了锂蒸气的分布及毛细结构的腐蚀情况，同时测试了结构受腐蚀后的毛细性能。

1 实验

1.1 实验平台与原理

本文开展的等离子体与液态锂靶板相互作用实验在四川大学直线等离子体装置（SCU-PSI）中进行。直线等离子体装置示意图如图1a所示，主要由以下几个部分组成：等离子体源、放电腔室、外部励磁线圈、真空控制系统、冷却系统以及诊断系统。实验采用单阴极等离子体源开展放电实验，结构如图1b所示。该装置主要由阴极涂钍钨针、级联铜板以及阳极喷口构成；级联铜板之间装有氮化硼绝缘片及耐高温密封圈，且每块铜板均通有冷却水，避免等离子体源出现过热。在气体注入口根据实验需求通入相应的工作气体，可在喷口处稳定产生氩、氢、氦等多种等离子体。考虑到在相同放电条件下，氩等离子体具有更高的热负荷，能够快速提升靶板温度，因此本实验选用氩气作为工作气体。在装置放电腔室内部设置两条平行固定滑轨，靶板通过螺栓固定在滑轨基座上。通过调节基座的滑轨安装位置，可灵活改变靶板与等离子体源的间距；本实验通过调节靶板位置，使靶板表面恰好处于观察窗口的可视范围内。当等离子体产生后，其约束磁场由环绕腔室外部的励磁线圈提供，通过调节励磁电流即可改变约束磁场强度。腔室的另一侧连接真空控制系统，该系统主要由真空泵组、真空管道、电控系统构成，可使真空腔室的真空度达到10^-2 Pa量级。为保障直线等离子体装置长时间稳定运行，整个装置通有冷却水，冷却水的进口温度为20 ℃，用于冷却电极、励磁线圈及其他关键部件。实验原理如图1c所示，等离子体垂直于靶板入射，在等离子体的作用下，坩埚中的固态锂熔化为液态锂池；液态锂在毛细作用力下被芯吸到多孔毛细结构表面并直面等离子体辐照。随着辐照持续进行，液态锂的温度不断升高并发生剧烈蒸发，在靶板前方形成致密的锂蒸气云。当等离子体穿过锂蒸气云时，等离子体粒子与锂蒸气粒子发生电离、复合、激发退激等复杂的相互作用，从而使得到达靶板表面的入射能量降低。实验过程中，采用热电偶采集多孔毛细结构的温度数据，同时利用测量范围为320~880 nm的多通道光谱仪，监测靶板前方等离子体与锂蒸气相互作用过程中的光谱变化。

1.2 靶板制备

实验中使用的嵌入式多孔毛细结构是由304不锈钢经激光雕刻制成的，结构示意图如图2所示。毛细结构表面具有纵横交错的毛细凸台和芯吸沟槽，内部具有均匀分布的芯吸通道。相较于传统的金属筛网型多孔毛细结构，该结构可提供足够的毛细作用力，能够将坩埚中的液态锂芯吸到结构表面。实验选用商用纯锂片作为锂原料，纯度99.99%。锂属于活泼性金属材料，其保存及制备过程均在充满氩气的手套箱中进行。靶板制备前，依次使用丙酮、无水乙醇与去离子水对多孔毛细结构以及待填充锂的钼坩埚进行超声清洗，时长约30 min，随后将两者放入烘干箱内进行低温烘干，并转移至手套箱内。在手套箱中使用专用的镊子将锂片置入加热台上的钼坩埚内，设置加热台温度为350 ℃。随着锂的熔化，逐渐向坩埚内持续添加锂片，直至填满整个坩埚。整个实验过程中，加入坩埚的锂总质量约为1.2 g。随后关闭加热台，使得充满锂的坩埚在手套箱内自然冷却至室温。冷却后的坩埚与固定组件、多孔毛细结构组成锂靶，通过绝缘陶瓷安装至直线等离子体装置的靶板基座上，并确保靶板表面垂直于等离子体束流。随后立即对腔室抽真空，直至达到等离子体放电的真空条件。

2 实验结果

为保障单阴极源能够产生稳定的等离子体，同时抑制高参数等离子体作用下液态锂的快速消耗，实验中对等离子体源施加的放电电流为90 A，并调节约束磁场为0.1 T。在此实验条件下，使用往复式朗缪尔双探针测量等离子体束流中心的等离子体参数，其电子密度n_e约1.10\times10¹⁹ m^-3，电子温度T_e约1.12 eV，粒子通量Г_e约8.2\times10²² m^-2\bullets^-1，热负荷q约9.6\times10⁴ kW/m^2［20］。由于等离子体参数沿径向呈高斯分布^［21-22］，在当前实验条件下的等离子体束流宽度约5 cm，而实验中使用的多孔毛细结构宽度为1.5 cm，可以认为入射到多孔毛细结构表面的等离子束流密度相对均匀。

2.1 温度及光谱分析

当等离子穿过锂蒸气云时，入射等离子体粒子会与锂蒸气云中的粒子发生复杂的相互作用，使得等离子体的部分能量转化为光子辐射的形式。图3展示了锂蒸气产生前（此时为等离子体光谱）和锂蒸气产生后（等离子体与锂蒸气相互作用）的光谱。可以看到，当锂蒸气产生后，Li Ⅰ670.78 nm的谱线强度最强，其次为Li Ⅰ 610.36 nm，最后还有一个相对微弱的Li Ⅰ 460.28 nm。其中Li Ⅰ 670.78 nm实际上是由分裂能级跃迁产生两条极其接近的谱线（670.77和670.79 nm）合并而来的，同时由于这条谱线最强，因此被用来标记等离子体与锂蒸气发生相互作用时的状态过程。而在锂蒸气产生前，由于实验等离子体为低温等离子体，并且锂的激发能级低于氩的能级，导致氩光谱的相对强度低于锂光谱的相对强度。

图4a展示了坩埚中填充锂与未填充锂时毛细结构的温度变化，图4b、c则分别为锂和氩光谱相对强度最强的3条谱线谱随时间的变化。结合温度和光谱，可以把等离子体与液态锂靶板的相互作用过程分为3个阶段，如图4中粉色虚线所示。在阶段Ⅰ的0~60 s内，受等离子体作用，多孔毛细结构温度从室温快速升至约465 ℃，此时坩埚中的固态锂逐渐被熔化至液态。在60~115 s内，结构的温度逐渐降至约445 ℃，液态锂在毛细作用下被芯吸到多孔毛细结构内部，并在结构表面铺展。由于锂熔化后的温度相对较低，液态锂与毛细结构之间存在换热，使得结构温度有所降低。随后在等离子体的持续作用下，结构的温度持续上升至约680 ℃。在阶段Ⅱ内，结构表面的液态锂剧烈蒸发，在靶板前方形成稳定的蒸气云团，并且可以观察到显著的锂光谱和氩光谱。在蒸气屏蔽的作用下，多孔毛细结构的温度趋于稳定约670 ℃，相比于未填充锂的靶板，温度降低约50 ℃。在阶段Ⅲ内，多孔毛细结构的温度升至约717 ℃，并且锂和氩的光谱相对强度有所降低。在此阶段，坩埚中的锂几乎耗尽，然而由于锂的再沉积，毛细结构表面和前方仍然存在少量的锂，导致微弱的蒸气屏蔽效应。

2.2 液态锂的蒸发与沉积

等离子体对液态锂的侵蚀方式主要有溅射和蒸发。虽然锂是低Z材料，但在液态金属偏滤器中，若液态锂的蒸发或溅射过强，大量锂粒子进入主等离子体，就会引发辐射冷却、等离子体污染等问题。为了研究液态锂在嵌入式多孔毛细结构下的蒸发扩散，以及高能等离子体束对液态锂的溅射，在稳态等离子体产生期间，通过高热负荷电源向等离子体源施加幅值500 V、脉宽约20 ms的脉冲信号，以产生瞬态等离子体，脉冲能量约50 MW/m²，并在靶板正下方放置直径10 cm的硅片作为液态锂的沉积基板，其摆放位置如图1a所示。硅片紧贴腔室内壁，温度远低于锂蒸气与溅射锂液滴，因此，扩散、飞溅到硅片上的锂蒸气和锂液滴会发生凝固，相应沉积结果如图5a所示（非原位）。可以看到，以靶板为中心，硅片表面镀膜呈径向分布；靠近靶板的A区域（图5a）分布着密集的微小锂颗粒。此外，硅片表面还分布有部分较大尺寸的锂颗粒，这些颗粒由瞬态等离子体对液态锂的溅射形成。采用ImageJ软件对硅片上的颗粒直径开展统计分析（50个数据点），结果如图5b所示。统计表明，大部分锂颗粒的直径约为0.4 mm，且主要分布在靶板前方2 cm区域内。随后对硅片上沉积的锂颗粒进行轮廓仪扫描分析，结果如图6所示。图6a~c分别对应图5a中的A、B、C三点，图6d为原始硅片的轮廓仪视图。图6a锂颗粒的直径为百微米级，高度数十微米，主要由锂蒸气聚集而成；图6c中微米级颗粒则来源于锂蒸气沉积。图6b中锂的沉积为片状结构，这里的沉积情况相对复杂，推测与锂蒸气密度突变有关。因此，在使用嵌入式多孔毛细结构时，蒸气密度呈轴向分布，并且靶板附近的锂蒸气密度最大。在瞬态等离子体的作用下，嵌入式多孔毛细结构对液态锂的约束能力不足，使得液态锂发生飞溅。

2.3 液态锂对结构的腐蚀

液态锂作为面向等离子体材料，在处理等离子体热流方面具有显著优势。然而锂会对材料产生溶解腐蚀与渗透，同时引入杂质，加之等离子体辐射带来的损伤，多孔毛细结构在这种严苛的环境下易出现耐久性衰减、服役性能下降等问题。图7展示了服役前后的多孔毛细结构扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）图像。图7a为毛细结构的原始图像，未开展辐照实验的结构表面凸台平整光滑（图7b），凸台周围为激光雕刻而成的毛细沟槽；图7c为实验后的表面凸台图像，可见表面凸台受到的腐蚀较为严重。氩离子对铁原子的溅射阈值能量约20 eV，而本实验氩等离子体动能仅3~5 eV，因此可排除物理溅射的损伤贡献，损伤主要源于等离子体的热效应、物理刻蚀、气体吸附以及液态锂的腐蚀作用等。腐蚀后的多孔毛细结构表面粗糙度增加，这会改变液态锂对多孔毛细结构的润湿角，削弱毛细作用力，不利于液态锂在结构表面的芯吸与铺展。

多孔毛细结构的原材料是304不锈钢，液态锂可使不锈钢中的某些金属元素（如Fe、Cr、Ni）溶解，并与之形成锂金属间化合物（如Li _x Fe、Li _x Cr）^［23］，进而改变材料的组织结构，降低多孔毛细结构的力学性能。实验过程中靶板存在温度梯度，在高温区溶解的金属元素会在低温区重新析出并沉积，导致多孔毛细结构材料不均匀，并引发冷端堵塞问题，削弱多孔毛细结构对液态锂的芯吸能力。借助光学显微镜观测实验前后样品的表面形貌（图8a、b）可见，辐照后的结构表面凸台受到明显的破坏，致使毛细沟槽的直径增大；而沟槽直径越大，毛细作用力越小，毛细结构对液态锂的约束能力越弱。另外，金属沉积会堵塞部分内部芯吸通道（图8b黑色线框内区域），降低液态锂的芯吸通量，不利于液态锂及时补充到多孔毛细结构表面。

为探究腐蚀后多孔毛细结构的毛细作用性能，通过直线装置的观察窗口记录其再服役过程。图8c为辐照过程中锂蒸气形成时的图像，此时在多孔毛细结构表面开始聚集少量的锂液滴，对应图中黑色虚线框区域；图8d为锂蒸气剧烈蒸发阶段，多孔毛细结构表面悬挂着大尺寸锂液滴。分析认为，在毛细通道的作用下，液态锂从坩埚中被芯吸到结构表面，但腐蚀造成表面毛细结构损毁，液态锂无法在表面迅速、均匀铺展。而多孔毛细结构依然能够提供一定的毛细作用力，使得锂液滴即使在重力以及等离子体作用下仍能悬挂在结构表面。综上，经腐蚀后的多孔毛细结构虽表现出一定的毛细性能，但毛细通道堵塞、毛细作用减弱的现象不容忽视，后续研究应选择耐腐蚀和抗辐照的材料作为多孔毛细结构材料。

3 结论

本文依托四川大学直线等离子体装置，开展了基于嵌入式多孔毛细结构液态金属锂靶的Ar等离子体辐照实验，研究了蒸气屏蔽效应形成前后多孔毛细结构的温度演化、靶板前方的光谱特征、液态锂的蒸发沉积规律，以及液态锂对多孔毛细结构的腐蚀损伤机制。在等离子体源放电电流90 A、约束磁场0.1 T实验条件下：坩埚中未填充锂时，多孔毛细结构的温度逐渐升至约720 ℃并趋于稳定；填充锂后，蒸气屏蔽稳定阶段多孔毛细结构的温度约670 ℃，比未填充锂时降低约50 ℃；而随着锂的耗尽，由于锂的再沉积和蒸气屏蔽效应，结构的温度仍略低于未填充锂时结构的温度。实验通过锂特征谱线（670.78、610.36、460.28 nm）与氩特征谱线（811.7、763.7、738.6 nm）在整个辐照过程中的时间演化规律，成功分析了不同阶段等离子体与锂蒸气的相互作用过程，确定了锂蒸气主要分布在靶板前方，并且在靶板附近的蒸气密度最大。液态锂对靶板的腐蚀结果表明，液态锂会破坏多孔毛细结构的表面毛细凸台以及液态锂芯吸通道，使得结构的毛细性能下降。因此，选用锂作为液态金属偏滤器材料时，还需考虑液态锂的腐蚀作用。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFE03130000)