在聚变反映堆堆芯女儿初熟，等离子体发生着剧烈的放电反映，对第一壁材料的最高热负荷达到100MW/m2 [1]，现时的固体材料只可承受8MW/m2[2]的能量负载，即使材料科学得到充分的发展，瞻望固体靶板材料也只可承受约20MW/m2[3]傍边的热负荷，无法知足将来聚变堆面向等离子部件(plasma facing component，PFC)所需求的弘大能量负荷.面向等离子体部件是指聚变堆中径直与等离子体构兵的一个环形真空腔，它包括偏滤器和截至器，偏滤用具来转换第一壁的热负荷，截至用具来屈膝高温等离子体撞击真空腔[4].现时第一壁材料的盘问热门集结在液态金属上，液态金属能承受更高通量的中子辐照和名义热负荷(50MW/m2)[5]，导热性强、液相温度限制大[6]、易于补充等特质[7]皆是液态金属的上风地方，同期通过使用轮回、过滤结构，不错终了热量的吊销和吸附粒子的轮回更新，匡助灵验地排尽聚变堆等离子体中的弘大热量，当受到高强度负荷时不错很快收复平素状态，权贵蔓延第一壁的使用寿命[8].遴选液态金属行为面向等离子体部件材料具有许多优点，但同期也存在着一些现时未能惩处的困难，举例在强磁场要求下液态金属注入存在的力知识题，以及在等离子体不自如的要求下液态金属的非平素腐蚀和溅射等风光[9].

在等离子体-液态金属的交壤面上，液态金属会与来流等离子体或蒸汽团发生相互作用[10]，约莫有3种具有代表性的情况.第1种是由等离子体投入液态金属引起的，举例溅射风光，即堆芯等离子体轰击液态金属后将生成物离子带入堆芯中，现时本质室顶用高速轻质离子轰击液态金属来模拟雷同聚变堆要求下的情形[11]，不同种类的轰击离子和不同的液态金属皆会对摆脱名义的溅射风光产生影响，盘问轻离子轰击下液态金属名义的畅通情形关于准确运筹帷幄偏滤器的结构有很大匡助；第2种是液态金属径直投入堆芯等离子体中，举例飞溅风光[7]，在聚变堆超强环形磁场的作用下，等离子体放电产生的电流作用在液态金属上，会引起液态金属摆脱名义的飞溅，本文运筹帷幄了一个本质来探究飞溅风光的形成机理；第3种是照旧投入等离子体里面的金属液滴取得能量后复返并撞击液态金属，即金属液滴撞击液膜.溅射、飞溅、液滴撞击液膜3种情况皆会耻辱等离子体[12]、严重镌汰面向等离子体部件的使用寿命[13]且胁迫通盘聚变堆的安全性[6].因此需要扼制这些不自如风光的产生，通过久了了解这些不自如风光的秉性和产守望理，对聚变堆中这些不自如风光形成一个全面的矍铄.前东谈主照旧对溅射和液滴撞击液膜风光进行了久了盘问，本文对这些盘问效果进行整合与分析，进而探究磁场和电场共同作用下液态金属飞溅风光的形成机理，提倡新的本质构思，通过缔造液态金属摆脱名义飞溅本质系统，取得了初步可视化的本质终局，久了分析该历程会对将来聚变堆中液态金属在面向等离子体部件中的得胜应用提供有意的参考.

轻质离子轰击液态金属能否产生溅射，要看入射离子的能量能否克服金属液体摆脱名义原子间的聚拢能.摆脱名义聚拢能像一个势垒相通，入射原子必须克服它的能量能力够发生溅射[14].频繁用溅射产额来评估溅射风光的剧烈进程，溅射产额是指一个入射离子所能溅射出的靶原子数量，是一个无量纲数[15].在轰击离子能量疏导的要求下，摆脱名义聚拢能小溅射产额大，相背，摆脱名义聚拢能大溅射产额小[14].

面向等离子体部件材料即第一壁液态金属，必须粗略承受量级达到几个以致是几十个兆瓦/米2的弘大热负荷，因为堆芯等离子体随时皆可能出现非平素的情景，而且液态金属也必须要去稳健将来聚变堆所要达到的这些要求.这些材料必须具有不错限度的溅射情形和挥发率，以减小投入堆芯等离子体的耻辱物，还需要具有考究的导热秉性、化学及核秉性[16].遴选液态金属时要讨论导热性能、蒸汽压以及处于液相的温度限制等要求.表 1登第4种有代表性的金属，比肩出它们的物性参数.

锂的原子数小，导热性能强，粗略很好地继承入射的离子，不错在等离子体中以高浓度存在[17].锂名义不错历害地继承入射的氘、氚离子，从而导致一种所谓的高温低密度“低再轮回机制”，这对减少其他杂质投入堆芯等离子体诟谇常灵验的.在堆芯等离子体的高负荷下，大多数材料会发生挥发风光，并从偏滤器名义投入堆芯，这会激发放射损成仇堆芯中的燃料被稀释，这两种亏空皆会随液态金属原子数的加多而增大.因此原子数小粗略减少投入堆芯等离子体的耻辱物[1].当锂离子一朝投入聚变堆堆芯等离子体中，它将与中子、质子和氘反映革新成不错被烧掉的杂质[18].纯液态锂有很高的挥发率，需要很好地限度面向等离子体部件的温度，截至温度在450℃以下运行，不利于看守聚变反映处于一个高温度状态[19].

液态锡是为数未几的几个将来很有可能在聚变堆中被用作面向等离子体部件的金属之一.锡最大的优点是当温度处于232~1000℃ 时比其他金属，举例锂、镓、锡锂等，有更低的蒸汽压.低蒸汽压粗略使运行温度的限制更大，在运筹帷幄上具有更大的活泼性和更高的能量改变效用.锡挥发的最高温度截至达1500℃.锡最大的不及是原子数太大，训斥了其杂质允许存在的进程，而且与锂比较，锡的导热性也不高[20].

图 1给出同种轻离子轰击不同液态金属的溅射产额图.从图中不错看出，在同种轻离子轰击的情况下，液态金属锡的溅射产额最小，但跟着轰击离子能量的增大，液态金属锡和锂的溅射产额皆会先增大然后趋于不变，证实当轰击离子的能量达到一定数值后，对液态金属溅射产额的影响减小.而锡锂合金的溅射产额比较纯液态金属单质来说要大许多，因此锡锂合金(0.8Sn-0.2Li)对聚变堆中的第一壁液态金属来说并不是最佳的遴选[21].

镓的导热性能随温度的增大而增强.但当温度处于镓的熔点或沸点时，溅射不会发生很大的变化[14].镓的熔点为30℃，沸点不错跨越2400℃，在聚变反映堆中，镓可欺诈的温度限制达900℃，比锂高2~3倍[9].对镓来说，它的挥发率和溅射产额皆不高，但它的原子数太大，导致投入堆芯等离子体的耻辱物会增多[21].

金属钨最大的优点是具有较高的熔点和热导率，较低的腐蚀率、产氚率以及溅射产额[22]，但钨的延展性不好，会产生许多微小的颗粒迷漫在聚变堆中，而这些小颗粒抓续的时期要比等离子体的寿命长[23].在聚变堆中存在大量的氦离子，而钨关于这些离子的放射的承受智商较差[24].

图 2给出不同离子轰击液态锂和锡锂合金的溅射产额，3种不同的轰击粒子差别对200℃的液态锂以45°角进行轰击.从本质终局不错看出，氘离子和氦离子轰击液态锂的最大溅射终局均发生在500eV隔邻，锂离子轰击液态锂的最大溅射产额在700eV隔邻；氘离子轰击锡锂合金的最大溅射产额发生在400eV隔邻，由于本质中莫得测出能量限制在400eV以下的氦离子入射的情形，在仅有的本质终局中，氦离子轰击液态锡锂合金的最大溅射产额也出现时400eV隔邻.锂离子轰击液态金属锡锂合金的最大溅射产额在700eV隔邻.这组终局与这3种离子轰击纯锂所产生的终局的大体趋势是一致的，皆是锂离子轰击产生的溅射产额最大.当锡锂合金(0.8Sn-0.2Li)的温度处于熔点或略高于熔点时，锂的溅射产额要比纯锂大.摆脱名义层包含80%的锡会形成一个反射壁面，使各个方朝上轰击离子与摆脱名义撞击后向四周反射，增大锂的溅射[17].

锂离子轰击液态金属锂的最大溅射产额是氦的2倍，氘的4倍.这是因为与氘和氦比较，轰击离子锂妥协脱名义上的锂原子之间存在更大的能量传递.锂离子轰击产生更大的溅射产额是由于锂的质料大[17].锂在粗劣量离子轰击下溅射产额的变化与温度的变化有很大忖度.当用700eV离子束轰击时，温度从200℃高潮到420℃，锂的完全溅射产额的量级会增大1～2倍[20].

由于存在等离子体轰击下金属液滴会发生溅射这种风光，不成能完全排斥等离子体中的金属粒子，因此需要思观念减少这种影响.遴选液态金属时，可将多样金属聚拢成合金，这么可幸免单个金属某些方面的不及，得到稳健聚变堆中高温高负荷要求的金属类型.陈志[18]盘问氘填塞状态下液态锂名义的溅射问题，发现溅射出来的液态锂原子大部分皆是离子状态，很快会被磁力线带到偏滤器靶板，因而大部分不会投入堆芯里面.在堆芯里面最多的离子包括氘离子、氚离子、氦离子、中子等，现时分子能源学也粗略盘问离子轰击液态金属历程，而且照旧取得了权贵的阐述[25].以上分析标明，经受液态锂作念为聚变堆截至器材料的可行性，同期仍然需要堤防发展液态金属净化时期和离子轰击液面发生溅射可能引起的聚变反映受阻等情况.

在聚变堆中，液态金属投入堆芯等离子体后会从周围的等离子体中取得能量，其温度升高后再次复返落在液态金属摆脱名义上的风光，与金属液滴径直撞击液膜相称雷同，因此用金属液滴撞击液膜来模拟聚变堆中的情形.金属液滴撞击液膜产生飞溅受到多种成分的影响，包括开动液淌下落速率、液体的物感性质(密度、黏性、名义张力等)，本质频繁会使用高速录像机纪录通盘历程.

把柄能源学秉性，下落的液滴不论撞击到液体薄膜、液池如故固态下层名义，皆有可能发生飞溅风光，液膜名义以致会出现冠状飞溅.在二维平面上，单个金属液滴匀速下落到液态薄膜上，二者为同种液体，见图 3.当开动液淌下落速率较小时，溅起的液膜很薄，角落比较明晰.增怒放动液滴的下落速率，会溅起雷同王冠状的金属液体，并陪同有二次液滴的产生，即溅起的液态薄膜的角落是不自如的，频繁将这种情形称为飞溅，即有单个金属液滴脱离原始液膜的风光.将液膜厚度界说为h，下落液滴直径界说为D，无量纲厚度$H=\frac{h}{D}$，当H ＜1时才会发生飞溅风光.

金属液滴的下落速率由开动下落高度决定，金属液滴撞击液膜名义后，撞击点周围的金属液体呈圆形向四周膨大，随后溅起表情似王冠状的金属液体，冠状液体落下后，又会在构兵点的位置溅起雷同细长圆柱状的液柱，最终落下.这是由于受到名义张力的作用，周围的液体向中间集结.下落速率越大，金属液体形成王冠状样式和细长状液柱的高度皆会加多，把柄能量守恒定律，金属液滴碰撞液膜前的动能越大，溅射液滴的势能越大，飞溅高度越高.同期，增大金属液滴的下落速率会加长通盘飞溅历程的时期[26].

密度较大的液体频繁具有较大动能因而对液体飞溅起促进作用.流体黏性对飞溅的形成起扼制作用，黏度越大扼制作用越理解.惯性力和黏性力之比为雷诺数是表征液态金属飞溅的艰苦参数，Re=ρvD/μ，雷诺数越小黏性力的影响越大.名义张力对飞溅的产生起扼制作用，名义张力总计越大扼制作用越强[27].韦伯数是惯性力和名义张力之比 We=ρv2D/σ.唯有当We>200时，才会发生飞溅风光.奥内佐格数将惯性力、黏性力和名义张力组合在通盘，涌现这些力的相对大小，$Oh=W{{e}^{\frac{1}{2}}}/\operatorname{Re}$.低黏度时，飞溅高度较大，偏转角度小，未出现二次液滴飞溅风光.当黏度增大时，飞溅高度训斥，与水平方针所呈的偏转角度增大.液态金属名义张力总计越小，名义张力越小，金属液滴撞击液膜形成冠状样式后，越容易在冠状尾部出现断裂风光，形成二次液滴；何况冠状样式高度大，厚度小，鬈曲进程大[28].那么，关于面向等离子体部件材料来说，不错遴选密度较小，且黏性总计和名义张力总计较大的液态金属，这么就不错减小液滴撞击液膜后溅起的二次液滴再次投入堆芯耻辱等离子体的可能性.

本文运筹帷幄的飞溅本质与金属液滴撞击液膜产生的飞溅风光在旨趣上有所不同，是指液态金属在磁场和电场的共同作用下，由于受到电磁力的作用径直跳起而产生的飞溅.在聚变堆超强环形磁场的环境中，面向等离子体部件的液态金属在强磁场的作用下，等离子体放电会产生上万安培的电流[29]，同期作用在液态金属上会产生指向等离子体里面的电磁力，因而发生液态金属摆脱名义的飞溅风光.飞溅的液滴会酿成堆芯等离子被耻辱，同期会封闭等离子体的反映，严重胁迫聚变堆的安全性和自如性，因此久了了解飞溅风光的秉性和机理具有相称艰苦的真谛.

为模拟这一历程进而探究液态金属的飞溅风光，运筹帷幄了液态金属摆脱名义飞溅本质系统，如图 4所示.登第立方体表情的透明有机玻璃方腔(宽度和高度均为6cm，长度为20cm)为本质安设，在方腔底部两头镶嵌两枚铜电极并密封好(电极长6cm，宽1cm)，向腔体内注入极少的液态金属形成一个薄层.本质中液态金属遴选镓铟锡合金(0.68Ga-0.22In-0.1Sn)，是由于镓铟锡合金的熔点为10.8℃，在室温下处于液态且无毒性.将安设放入水平磁场中，给电极通入电流，使得电磁力方针朝上，当电磁力大到足以克服液态金属所受到的重力、名义张力等力时，会产生朝上的飞溅风光，欺诈高速录像机在磁场外进行拍摄，本质系统参数如表 2所示.

当向有机玻璃方腔里面注入液态金属GaInSn时，GaInSn会在注入点隔邻集结在通盘，不易向周围铺张开，需要轻轻荡漾本质安设使得GaInSn粗略均匀地铺展在有机玻璃名义.

图 5给出液态金属摆脱名义飞溅高速录像拍摄的截图，强磁场参数为1.7T，电流密度为46kA/m2.该图像完好纪录了在本质室中终了的雷同聚变堆等离子体放电产生电流和强磁场作用下液态金属摆脱名义飞溅风光.

图 5是一个完好的飞溅历程.从图中不错看出，液态金属摆脱名义率先在局部发生集结，随时期推移，集结的液态金属逐渐长高，呈现出液态金属“山岭”的状态，何况该液柱链接长大，直至液态金属发生摆脱名义飞溅风光，飞溅的液滴脱离液态金属“山岭”，受到重力作用又落下，伴有二次液滴的形成.在这一风光发生历程中，更多的液态金属在摆脱名义发生集结并呈现出更多的液态金属“山岭”，飞溅风光将进一步发生在不同的位置.

通盘本质历程液态金属GaInSn受到的电磁力主要包括2个部分，一个是外加磁场电场形成的，记为F洛;另一个是感应电流和外加磁场形成的，F′洛.感应电流和感应磁场形成的力忽略不计.估算得到F洛≈4F′洛.当液柱高潮时，液态金属里面所形成的感应电流方针与外加电流相背，此时F′洛的方针朝下，与F洛相背，辛勤液柱的高潮；而当液膜底部更多的GaInSn皆朝上形成液柱时，照旧形成的液柱高度便会下落，与其他液柱夹杂在通盘形成更优容的液柱，那么此时开动液柱受到的F′洛方针朝上，与F洛一致，扼制液柱的下落.本质终局名义，3mm厚度时外加电磁力的大小约为通盘液态金属重力的1.6倍.

如图 6(a)所示，液滴飞溅时会向不同方针畅通，图中1、2号液滴竖直朝上畅通，3号液滴向正前上方畅通，4号液滴向后上方畅通.这么畅通的原因用竖直切面图 6(b)来证实，箭头方针代表电流线的方针，顺着液柱的综合递次分散，那么不同位置的液态金属由于受到的电流方针不同而形成不同方针的电磁力，是以液滴脱离液柱会向不同方针翻腾，图中左侧液体受到的磁场力垂直于电流方针指向左上，因此液体向左侧翻腾，即图 6(a)中向后上方畅通的4号液滴；同理，右侧的液体中某些小液滴脱离主液柱向右上方针翻腾，即图 6(a)中上前上方畅通的3号液滴；位于液柱最上方的液体受到的电磁力竖直朝上，因此发生竖直朝上的飞溅，即图 6(a)中1、2号液滴.

从本质终局来看，飞溅风光的产生与外加磁场、外加电场、金属液膜的厚度、液态金属自身的性质忖度，后续本质将链接探究飞溅与这几方面成分的具体忖度.该本质风光的取得标明聚变堆中液态金属摆脱名义受到等离子体产生的数万安培的电流和在强磁场作用下，激发液态金属发生的摆脱名义飞溅风光平等离子体安全自如运行产生很大的影响，需要久了盘问分析该历程的变化要领和演变机理.

聚变堆中，堆芯等离子体与液态金属摆脱名义的相互作用包括以下3种具有代表性的情况：第1种是由等离子体投入液态金属引起的溅射风光；第2种是液态金属径直投入等离子体的飞溅风光；第3种是照旧投入等离子体里面的金属液滴复返后再与液膜发生碰撞的风光.第1种和第3种情况前东谈主照旧作念了久了的盘问，通过对溅射和液滴撞击液膜两种风光的归纳回首，得出在遴选面向等离子体部件材料时的一些建议，包括：遴选液态金属时不错将多样金属聚拢成合金，以幸免单个金属某些方面的不及，得到稳健聚变堆中高温高负荷要求的金属类型；以及密度较小，且黏性总计和名义张力总计较大的液态金属，不错灵验减小液滴撞击液膜后溅起的二次液滴再次投入堆芯耻辱等离子体的可能性.本文在久了整合前东谈主盘问终局的基础上，提倡全新的本质构思，来模拟聚变堆超强环形磁场和等离子体放电产生的上万安培电流共同作用下液态金属的飞溅风光.初步运筹帷幄完成了液态金属摆脱名义飞溅本质系统女儿初熟，在强磁场和大电流密度作用下，通过高速录像机不雅察到液态金属的摆脱名义飞溅风光，初步得到该飞溅风光与外加磁场、外加电场、液态金属自身的性质等成分忖度.该终局的取得标明聚变堆中的飞溅风光平等离子体安全自如运行产生很大影响，需要久了盘问分析该历程的变化要领和演变机理，同期为下一步液态金属飞溅本质的开展和数值模拟提供灵验依据.