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液态金属第一壁：一个漂亮方案，撞上了一颗气泡

2026-09-13

物理深度研究 · 惯性聚变与先进概念 · 液态金属第一壁 / 偏滤器 / 堆级集成 2026-09-13

一块锡的九次放电

2024 年，德国加兴。ASDEX Upgrade 托卡马克准备停机大修两年。停机前最后一个实验日，九次放电，全部留给一个荷兰博士生。

他叫 Jos Scholte，埃因霍温理工（TU/e）和 DIFFER 联合培养。他带进装置里的东西不大：一块 3D 打印的钨海绵，孔洞里灌满液态锡，装在偏滤器靶板的位置上。

锡的熔点只有 232 度，比钨低一千多度。它的意思是：底下的钨网永远不会熔，因为它上面永远有一层液态的锡在挡住等离子体。被打掉多少，从背后补多少。一滴水泼掉，再流一滴过来。表面不需要维修，因为它本来就没有"结构"可以被破坏。

九次放电跑完，Scholte 拍到了他想看到的东西：海绵确实在降温，锡确实在流动。也拍到了他不想看到的东西：一滴锡飞出去了。从一个扇区，飞到隔壁扇区，留下一条半厘米长的痕。

Scholte 后来在博士论文里说得很直白："把冷却用的金属液滴射穿芯部等离子体，显然不是你想要的。"

这九次放电喂饱了他整个博士论文。他去查文献、去开学术会议，发现同行对"锡为什么会喷液滴"给出了五种互相矛盾的解释。他一个一个排除——沸腾、电磁力、不稳定性、化学反应——最后只剩下一个：锡被氢泡过头了。

像一瓶被摇过的香槟。

2025 年 6 月 3 日，他答辩。结论写在论文摘要里，一句话："液滴喷射无法避免，用锡做液态金属面向等离子体材料的路线需要修订。"

这就是这篇文章要讲的事。因为在 Scholte 拍到那条半厘米痕迹的两年前，还有一批人在往反方向使劲——他们算出了原子尺度上表面该是什么成分，推导出了表面在什么条件下会失稳，还有一家公司真的在聚变腔壁上把液态金属转了起来，转了三千次放电。

四条线，三个好消息，一个坏消息。坏消息那个是真的坏。

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为什么有人想往墙上倒液态金属

先说这个想法好在哪。不然你不会明白为什么这么多人舍不得放手。

聚变堆的墙很难做。托卡马克里，等离子体边缘那一层往外甩粒子和热量，偏滤器靶板要吃掉每平方米十几兆瓦的稳态热流，外加边缘局域模（ELM）带来的瞬态冲击——毫秒量级，功率密度能到每平方米吉瓦。钨是目前的标准答案，但钨有几个绕不开的问题：表面会熔、会裂、会长出绒毛状的结构、会掉粉尘，被中子照上几年还会变脆。DEMO 的设计寿命里，偏滤器大约每 1.5 个满功率年就要换一次。

液态金属把这些问题换成了另外一批问题。

第一，它不会"坏"。固体靶板被烧出一道裂，那道裂就是永久的，下次热流还会往那里集中，越烧越深。液体的表面被打掉一层，后面流过来补上就行。这不是维修，这是连续再制造。

第二，它不怕中子。中子损伤的机制是撞乱晶格。液体没有晶格。

第三，它自己就是冷却剂。热可以直接靠液体的对流带走，不用绕一圈导热。

第四，这一点最诱人——锂能把氢吃掉。等离子体跑出来的燃料粒子打在液锂表面上，会被锂抓住，形成氢化锂。结果是边缘的中性粒子再循环降下来，等离子体密度和温度梯度变软，约束变好。这个叫"低再循环"区制。DIII-D、NSTX、EAST、FTU 都试过，EAST 上还观察到约束能提高、等离子体储能多出大约 10 千焦。

第五，如果用的是含锂的液态金属，它顺带就是增殖包层。中子打进锂-6 生成氚。一个部件干三份活：挡热流、挡中子、产燃料。

这个想法不新。1970 年代就有人提，1990 年代末美国 APEX 计划认真做过一轮，俄国人在 T-11M 上试了第一套液态锂毛细多孔系统（CPS）。到本世纪，专门的国际锂应用研讨会（ISLA）两年开一次，2015 年那次在西班牙格拉纳达。CIEMAT 的 Francisco Tabarés 在 2017 年写过一篇综述，把 CPS 路线的来龙去脉理了一遍：流动的方案主要是美国在做，把液体嵌在毛细多孔结构里这个思路是俄国团队在 1990 年代提出的，后者才让"静态"概念变得可能。

候选金属就那几个。锂：最轻，原子序数 3，掉进等离子体里污染最小，还能吃氢。缺点是蒸气压高，表面温度不能超过大约 400 度，而且化学性质太活泼，遇水遇空气都危险。锡：原子序数 50，蒸气压低得多，化学上老实，可以在高得多的温度下工作。缺点是重，一旦进入等离子体芯部，辐射损失很大。镓：熔点不到 30 度，氢溶解度高。铋：Zap Energy 在用，作为锂的替代品做工程验证。

Tabarés 那篇综述里有一句话值得单独拎出来：液态金属"几乎不会因为中子和等离子体辐照产生永久损伤"。这是这个方案的底气，也是它的诱惑。

问题在于，从"液体是好东西"到"这个部件能装进反应堆"，中间还隔着几层。这中间有三根柱子撑着——一根是原子尺度的理论，一根是流体稳定性理论，一根是工程验证。三根柱子曾经看起来都站住了。

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第一根柱子：原子尺度告诉你，表面该长什么样

液态金属第一壁有个隐含的假设：液面上浮着的那层原子，必须正好是你想要的那层。

对锡-锂合金来说，这个要求很具体。锡在表面是坏事（重、辐射损失大），锂在表面是好事（轻、能吃氢、溅射产额低）。如果合金在体相里混得很好，表面也是随机混的，那就白搭。你需要锂浮上来。

问题是这样的事怎么算。液态合金的表面偏析是一个原子级别的化学问题，中间还夹着氧和氢——这两种东西在真实装置里躲不开，而且它们比金属活泼得多。做第一性原理（DFT）计算太贵，做几万个原子的分子动力学又需要势函数能描述化学键的断裂与生成。

2026 年 6 月，宾州州立大学和 ExoFusion 的一篇论文把这个问题算了一遍。作者是 Md Adnan Mahathir Munshi、Abdul Aziz Shuvo、Mike Kotschenreuther、Adri C. T. van Duin、Bladimir Ramos-Alvarado。前四位在宾州州立机械工程系，Kotschenreuther 署名的是 ExoFusion（贝尔维尤，华盛顿州）——他是德州大学奥斯汀分校的聚变物理教授，同时是这家公司的联合创始人兼首席科学官。文章发表在《物理化学杂志 C》130 卷 26 期，9275 到 9287 页，DOI 10.1021/acs.jpcc.6c02858，基金来自 ARPA-E，编号 DE-AR0001995，跟 ExoFusion 合作。

他们干的事是：先为 Sn-Al、Sn-Al-O、Sn-Li、Sn-Li-O、Sn-Li-H、Sn-Li-O-H 这六套体系重做一套 ReaxFF 反应力场——ReaxFF 是一种能在分子动力学里描述化学反应的势函数，比 DFT 便宜好几个量级，但化学上仍然靠谱。用生成焓和弹性常数验证通过，然后在聚变相关的温度下跑大尺度模拟。

结果比预想的有意思，而且有一半是反着的。

先说纯金属的情况。锡-铝合金在 1300 K 下偏析得很厉害：两个自由表面几乎全是锡（接近 100 原子百分比），铝被挤到中间形成一个 90 到 95 原子百分比的"芯"。这符合热力学的预期——锡的表面张力大约只有铝的一半，表面张力小的组分天然占表面。但锡-锂合金不是这样：在 1300 K 下，整个体系从表面到中心基本是均匀混着的，锡 70 到 75，锂 25 到 30。锂在纯金属驱动力下，几乎不偏析。

也就是说，单靠表面张力，锂不会自己浮上来。这是坏消息。

好消息在后面。氧和氢进来之后，局面完全变了。

氧的作用特别强。Sn-Li-O 体系里，氧把锂拉到界面上，形成 30 到 35 原子百分比的富锂层，锡退回中心。Sn-Al-O 里同理，氧把铝顶到表面（铝 60 到 75，氧 25 到 30）。氢单独的作用弱一些，把界面的锂富集到 35 到 40 原子百分比。两个一起上——Sn-Li-O-H——效果最强：界面形成锂-氧-氢的复合富集层（锂到 35 到 45 原子百分比），中心几乎是纯锡（95 到 100 原子百分比）。

论文自己算出了量级差：纯金属偏析的驱动力大约 0.1 电子伏每原子，而非金属引入的化学驱动力要高一个数量级。氧化物的生成能和氢化物的生成能决定了这个尺度。

这解释了一件在文献里悬了很久的事。Sandia 的 Bastasz 和 Whaley 在 2004 年用低能离子散射加直接反冲谱测过液态锡-锂合金的表面成分，发现锂确实会浮到表面，在 450 到 500 摄氏度、有氧的条件下表面锂覆盖度大约 50%。当时解释不了为什么锂在纯金属驱动力下算不出这么强的偏析。ReaxFF 这篇给的答案是：氧。是氧在拉它。

模拟做了个直接对照：同样的 Sn-Li 合金（20 原子百分比锂），在 800 K 下算出的表面锂覆盖度约 45%，对应实验的约 50%。温度推到 1000 K 和 1300 K，偏析依然在。

从工程角度看，这是一个很有用的结论。你本来需要担心"表面会不会变脏"，现在有了明确的配方：让氧和氢在场。而氧和氢在聚变装置里从来都不缺——氢是燃料，氧是永远除不干净的杂质。

一条自愈表面的原子尺度机制，就这样立住了。

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第二根柱子：稳定性分析告诉你，自由液面活不下来

原子尺度说表面成分没问题。下一个问题更粗暴：那层液体，会不会被甩出去。

把液体放在磁场里，会有几个力同时作用。表面张力想让它平（把起伏拉回来）。重力想让它平（把高处压下去）。但等离子体不会客气：液面接触等离子体之后会被充上电，形成一层鞘电场，这层电场想把它拽出去。外加的切向磁场和带电液体的运动耦合起来，又给它一个力。热量还会在液面上造出温度梯度，温度梯度造成表面张力梯度，表面张力梯度驱动流动——就是马兰戈尼效应。

谁赢？这就是"线性稳定性分析"（Linear Stability Analysis，LSA）要回答的问题。做法是 Lord Rayleigh 那套：把液面写成一个无限小的正弦扰动，写出系统的拉格朗日量（动能、重力势能、表面能、电场能、磁场能），解出扰动随时间是衰减还是增长。衰减就稳，增长就不稳。这是一套很老的工具，用在聚变液态金属上是最近十来年的事。

把 LSA 系统地做进聚变语境的是两个人：泰国农业大学物理系的 N. Somboonkittichai，和中科院等离子体物理研究所（ASIPP，合肥）的 G. Z. Zuo（左桂忠）。两篇论文，一篇 2023 年，一篇 2025 年。

第一篇发在《核聚变》63 卷 2 期，文章号 026026，DOI 10.1088/1741-4326/acaedb。它处理的是静止的平面自由液面。结论可以概括成一句话：在磁约束聚变的磁场强度下，静态的自由液面必炸。

具体是这样。稳定性在两端被守住：小扰动波长（也就是液面上高频的细小波纹）被表面张力压住，大波长被重力压住。中间那一段——扰动尺度在厘米量级——最危险。而危险来自两处：等离子体鞘电场带来的静电压力，和切向磁场跟扰动耦合产生的磁张力。论文算出来的初始失稳时间尺度是 10⁻⁸ 秒量级。这个速度快到 HT-7 的高速相机根本看不到触发过程，只能拍到液滴已经在飞了。

第二篇发在《核聚变》65 卷 8 期，文章号 086011，DOI 10.1088/1741-4326/ade9df，2025 年 7 月 10 日出版。这次把液体的有限厚度、黏性、电阻率、流动速度、表面倾角、扰动相对于磁场的方向全放进去，处理"流动的液态金属"。

作者拿 EAST 托卡马克上三代流动液态锂限制器（FLiLi）的可见光相机数据做了对照。有三个场景验证得很好。

顺带说，EAST 上的液态锂溅射本身有一篇专门的实验论文。2020 年 12 月，中科院等离子体物理研究所的 Z. L. Tang、G. Z. Zuo、C. L. Li、R. Maingi、X. C. Meng、W. Xu、Z. Sun、Y. Z. Qian、M. Huang、D. H. Zhang 与美国伊利诺伊大学 D. Andruczyk、约翰霍普金斯大学 K. Tritz 等人联名，在《核材料与能源》25 卷发表文章号 100845，DOI 10.1016/j.nme.2020.100845。他们的结论是：EAST 上第三代 FLiLi 在 L 模和 H 模放电里都观察到液态锂溅射，机理是 j×B 电磁力驱动的瑞利-泰勒不稳定性；溅射在低参数等离子体里明显降低芯部和边界电子温度，甚至导致 H-L 反向转换，但高参数等离子体对锂杂质的容忍度高得多；另外，限制器板倾角减小和锂被污染都会加剧溅射。这正好从实验侧印证了 LSA 的判据：失稳由电磁力驱动，而倾角和表面状态是可控参数。

第一代 FLiLi 那次实验用的是 2.45 GHz 低杂波加热，没开中性束。论文估算了马兰戈尼效应驱动的表面流速大约每秒 3.6 米——太慢，不足以引发流动失稳；液面离芯部远，鞘电场也弱。模型判定整个放电过程应该是稳定的。实验观察到的情况是：非常稳定，只有极少数几次轻微液滴喷出。

第二代 FLiLi 表面出现了分化的两个区域：一侧被侵蚀、变粗糙，另一侧还光滑。侵蚀那一侧的液滴"温和但频繁"地喷向等离子体。论文的解释是：液流从粗糙侧向光滑侧重新分布，在边界处加速，形成一个涡量垂直于流动平面的混合层，扰动在那里被放大；同时磁张力对那个波长的稳定作用被大幅削弱；再加上中性束开启后鞘电场变强，破坏了稳定。这解释了为什么液滴总是从同一个位置喷出来。

对照非常漂亮。一个从 Rayleigh 时代就开始用的理论工具，套上鞘电场和磁场，能预测特定位置、特定条件下的液滴喷射。

第二根柱子也站住了——但它给出的不是"怎么用液态金属"，而是"哪种用法不行"。

静止的平面自由液面不行。这是 LSA 最硬的那条结论。论文明确说：在下一代磁约束装置里，液态金属面向等离子体部件不该指望静态平面自由液面这个构型。它拿 EU-DEMO（5.86 特斯拉、电子温度 5 电子伏）和 CFETR（6.5 特斯拉）的参数代进去算，液态锂表面在极短的时间里就会失稳。

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两张工程答卷，以及它们的账单

液面不能用静态平面的——那怎么办？

LSA 论文本身给了方向：要么让液面极度平整（让重力干活），要么让它极度起伏（让表面张力干活），要么，把它锁住。

"锁住"这条路就是毛细多孔系统（CPS）。一块钨毡、钨网或者 3D 打印的多孔钨，孔洞里灌满液态金属。液体和孔壁之间的黏附力提供毛细压力，把液体按在里面。用 Young-Laplace 关系看，孔径越小，毛细压力越大。这是俄国团队在 1990 年代想出来的办法，现在被公认为压住 j×B 力和 MHD 不稳定性最直接的方案。

CPS 的第一个好证据来自意大利的 FTU 托卡马克。ENEA 弗拉斯卡蒂研究中心的一队人做了全球第一套液态锡限制器，2019 年发在《核聚变》59 卷 9 期，文章号 096004，DOI 10.1088/1741-4326/ab1d70。作者是 G. Mazzitelli、M. L. Apicella、M. Iafrati、G. Apruzzese、F. Bombarda、F. Crescenzi、L. Gabellieri、A. Mancini、M. Marinucci、A. Romano 和 FTU 团队，全部署 ENEA 弗拉斯卡蒂。

装置是根钼管，外面包着钨毡条做的 CPS，里面灌锡，可以吹空气和雾化水冷却。他们把限制器一次次往边界等离子体里推，一直推到离最外闭合磁面不到半厘米。结果：承受住超过每平方米 18 兆瓦的热流，最热的地方表面温度冲到 1700 摄氏度。1300 度以下是溅射主导，锡的杂质可以忽略；超过 1300 度蒸发变成主导机制，锡成了等离子体里的主要杂质——但浓度只有电子密度的 5×10⁻⁴，等离子体性能没退化。

而且，没有液滴。

这个结果当时看起来很干净。ENEA 团队在 2016 到 2018 年的会议上报告时明确写了："在等离子体暴露后，TLL 上没有观察到液滴进入等离子体，也没有损伤。"

第二个好证据来自荷兰。TU/e 和 DIFFER 的 Peter Rindt 团队用 3D 打印的钨 CPS 灌液态锂，在 Magnum-PSI 线性等离子体装置上打。发在《核聚变》61 卷 6 期，文章号 066026，DOI 10.1088/1741-4326/abf854。稳态热流 1.5 到 16 兆瓦每平方米，叠加 0.3 到 1 吉瓦每平方米的类 ELM 脉冲，频率 2 赫兹和 100 赫兹。所有锂靶完好无损。表面温度锁定在约 850 摄氏度不动——这是蒸发屏蔽在起作用：金属蒸发出来在表面上方形成一层蒸气云，把入射能量重新辐射掉。这个"自调节加热"最早是 DIFFER 的 G. G. van Eden、T. W. Morgan、D. U. B. Aussems、M. A. van den Berg、K. Bystrov、M. C. M. van de Sanden 在 2016 年用 Pilot-PSI 上的液态锡证明的（《物理评论快报》116 卷 135002，DOI 10.1103/PhysRevLett.116.135002）：液态锡表面温度在 1500 到 2100 摄氏度之间来回震荡，几乎与接收到的加热功率脱钩——热不是全部由表面效应耗散的，有相当一部分在蒸气云里被体积过程吃掉了。对照组（没灌锂的空白靶）在最重的脉冲下熔了。表面在脉冲期间始终保持润湿。

真正漂亮的是累计 211 次 100 赫兹脉冲之后，锂靶依然没有损伤，而空白靶熔了。而且锂的补给跟得上——每次脉冲之后表面温度都能回到同一个水平，说明液体在脉冲间隙被毛细作用补回来了。

Rindt 团队还在 2021 年把 CPS 液态锡偏滤器的概念设计做进了 EU-DEMO，发在《聚变工程与设计》173 卷，文章号 112812，DOI 10.1016/j.fusengdes.2021.112812。设计和 EUROfusion 的电站物理与技术团队一起定，水冷管道外方内圆，加腐蚀屏障，外面套 3D 打印的多孔钨装甲层。热力有限元算下来，稳态承热能力最高每平方米 26.5 兆瓦（考虑 1.4 倍安全裕度是 18.9）；装甲层加到 3 毫米厚之后，靠蒸发屏蔽能在慢瞬态下扛住超过每平方米 80 兆瓦，代价是稳态能力降到 18。作为对比，钨单块方案的指标是稳态每平方米 10 兆瓦、慢瞬态约 20。

有个细节值得注意：这个设计选的是锡，不是锂。理由写在摘要里——在 DEMO 里用锂会产生"不可接受的氚滞留问题"。锂太能吃氢了，吃进去的氚不好拿出来。

CPS 也有它自己的账单。第一个是 MHD 压降。卡尔斯鲁厄理工（KIT）的 L. Bühler、C. Mistrangelo、T. Najuch 算过 CPS 在强磁场下的流动，发在《聚变工程与设计》98-99 卷，1239 到 1243 页，DOI 10.1016/j.fusengdes.2015.01.018。结论是：不管磁场方向怎么摆，CPS 里的渗透率都会比无磁场时的达西流大幅下降。液体要穿过这些细小孔洞，还得顶着洛伦兹力，补给会变慢。有实验（用 3D 打印的简单立方周期球阵列模拟多孔介质，流过 In-Ga-Sn，磁场到 5 特斯拉）测出：磁场垂直于流动方向时流量按 1/Ha 衰减。

第二个是腐蚀。锡对钨还可以，对钢就麻烦了。Rindt 的设计里必须加一层几百微米厚的钨涂层来保护所有接触锡的表面。2025 年 3 月 Renaissance Fusion 报告说，他们筛出了两种能扛住热液态金属动态腐蚀的固体材料，"每天只有几微米"。

第三个是制造。孔径怎么控制、孔洞怎么填得均匀、怎么避免"过填充"——这些都不是论文层面的事，是工艺层面的事。这一点在后面会变成关键。

还有一条完全不同的路：不用 CPS，让液体直接流。这就是 EAST 上的流动液态锂限制器（FLiLi）路线。从 2016 年的第一代（胡建生等，《核聚变》56 卷 4 期，文章号 046011，DOI 10.1088/0029-5515/56/4/046011）到 2018 年的第二代，到 2020 年的第三代。

第三代值得单独说。2020 年左桂忠等发在《等离子体物理》27 卷 5 期，文章号 052506，DOI 10.1063/1.5143179。作者 19 人加 EAST 团队，机构是 ASIPP、中科大、普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、深圳大学先进能源研究中心、伊利诺伊大学等离子体-材料相互作用中心、约翰霍普金斯大学、以及中科院光伏与节能材料重点实验室。

第三代的改进是把衬底从不锈钢换成 TZM——一种钼含量超过 99% 的合金。TZM 抗腐蚀、溅射阈值高、对锂的润湿性好。结果是锂覆盖度均匀性从上一代的 30% 提到超过 80%，表面锂覆盖比约 80%。限制器温度 330 到 380 度，辅助加热 2 到 8 兆瓦。燃料再循环持续下降，在纯射频加热的高约束模式放电里几乎完全消除了边缘局域模，等离子体储能增加约 10 千焦。

代价也在那里：最初几次放电的主要杂质是钼、铁、钨，来自钼板侧面的强相互作用、不锈钢收集器和上方钨偏滤器。而且论文提到，两个 J×B 电磁泵里只有一个在工作。

另外，CIEMAT 的 Tabarés 团队在 2017 年提出过一条"慢漂移"方案：让液态金属在 CPS 表面上或者内部以每秒几毫米的速度慢慢流动，靠重力驱动，定期（而不是连续）补给，顺便把吃进去的氚和杂质带走。这个方案的好处是不需要持续泵送，坏处是自愈速度慢。

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把重力换成离心力

到这里路线图看着还算清楚：别用静态自由液面，用 CPS 或者流动，接受 MHD 压降和腐蚀的代价。

但还有一家公司在做一件更激进的事。

不过"让液态金属转起来"这个想法本身不新。2014 年 12 月，日本原子能研究开发机构（JAEA，青森县六所村）的 M. Shimada 和核融合科学研究所（NIFS，岐阜县土岐市）的 Y. Hirooka 在《核聚变》54 卷 12 期发过一篇短文（文章号 122002，DOI 10.1088/0029-5515/54/12/122002）：把真空室下部整个灌满低熔点、低化学活性的液态金属（镓、锡），偏滤器模块连同电极和冷却管一起浸在液体里。电极放在液态金属中央、相对模块加偏压，电极和模块之间的电流产生 j×B 力，推动液态金属绕着电极旋转。转速升高后，v×B 反电动势会让液体里的电流自动降下来——一个自调节的机制。作者算下来，等离面打击点处的液温升高能维持在可接受水平，极向旋转显著降低偏滤器热负荷，另外还能在未缓解破裂后快速恢复。

这就是原始版本的"离心液态金属壁"，比 Zap 早十一年。它和 CPS、和洛伦兹悬浮属于同一类思路——用一种体积力把重力这个限制条件替换掉。

现在说 Zap Energy。这家公司 2017 年从华盛顿大学分出来，总部在华盛顿州埃弗雷特。它的聚变方案是剪切流稳定 Z 箍缩（sheared-flow-stabilized Z-pinch，SFS Z-pinch）——不用超导磁体，不用激光，靠一股大电流穿过等离子体柱，电流自己产生磁场来压缩等离子体，同时靠等离子体不同层之间流速不同带来的剪切来压制不稳定性。

这个方案的墙怎么解决？它不用 CPS，也不用薄膜流动，它让液态金属在腔体里转起来。

2025 年 9 月，这家公司在《聚变科学与技术》上发了一篇 47 位作者的论文，标题是"Century：Zap Energy 的百千瓦级重复运行剪切流稳定 Z 箍缩液态金属冷却系统"，DOI 10.1080/15361055.2025.2532331。第一作者 Matthew Thompson，系统工程副总裁。

Century 这台机器要做的事和别的装置不一样。它不是物理实验装置——它用普通氢或者氦，不出中子，不产生聚变反应。它是一台工程验证平台，同时把三样东西装进一个系统里跑：重复频率脉冲功率、面向等离子体的液态金属壁、抗侵蚀电极。

数字是这样的：

  • 等离子体电流峰值 500 千安，大约是自然界闪电的 20 倍。
  • 0.2 赫兹（五秒一发），连续一百发以上。
  • 那轮记录运行时总输入功率 57 千瓦，其中 39 千瓦直接送到等离子体腔的电缆上。
  • 液态金属回路循环 2500 磅（1100 千克）铋，温度约 400 度，在真空下。
  • 一座 200 千瓦风冷换热器维持热平衡。

从 2024 年 6 月投运算起，Century 从一开始的每十秒一发、平均 1.4 千瓦，涨到每五秒一发、平均约 30 千瓦。20 倍。2025 年 2 月，美国能源部认证了一次三小时、连续一千多发、每发至少 100 千安的运行，这是 Zap 在能源部"里程碑式聚变发展计划"里完成的第一个技术里程碑。

到 2025 年底，Zap 报告第三代铋回路已经累计超过 1000 小时流动运行和 5200 小时热待机，支撑了约 3000 次有功率放电。还发生了一次意外测试：当地停电，一个防冻阀让熔融金属靠重力安全排空，恢复供电后系统正常重启。

关键技术在"离心"两个字。液态金属第一壁用旋转产生的离心力，把金属压在腔体内壁上、覆盖更多暴露的固体表面。铋在这套系统里同时干三件事：导电通路、面向等离子体的保护屏障、传热流体。这个思路和 CPS 用毛细力、Renaissance Fusion 用洛伦兹力悬浮是同一类解法——都是用一种体积力，把重力这个限制条件替换掉。

配套的东西也一起改了：重新设计的鼻锥，尖端带液态金属，防阴极侵蚀；高流量阴极冲洗冷却，让放电之间快速降温。

有件事要说清楚：Century 用的铋不是终点。Zap 自己说是拿铋当作锂的替代物做工程验证，因为锂的化学性质太活泼。2025 年他们建了先进材料实验室专门研究锂，2026 年计划投运第一条熔融锂闭式回路。

Renaissance Fusion 走的是另一条更极端的路。这家法国公司在做仿星器，方案是用厚液态金属壁（35 厘米）当屏蔽层和裸增殖包层——他们的原型 Skyfall 1b 是一个直径 1 米、宽 3 厘米的腔体，0.3 特斯拉永磁磁场，注入 GaInSn（镓铟锡合金）流，用最高 3 千安的电流注入产生洛伦兹力，把液体悬浮起来。2024 年 2 月他们第一次在 1 米直径圆柱里悬浮和控制了 10 厘米厚的 GaInSn，摩尔质量相当于 120 厘米的锂-氢化锂，比他们反应堆需要的大了 3.5 倍。相关建模发在《磁流体力学》61 卷，DOI 10.22364/mhd.61.1-2.12，作者 Valentina Giovacchini、Eric Favre、Francesco A. Volpe，全部署 Renaissance Fusion。

这家公司有个很巧的设计：用锂和氢化锂的溶液而不是纯锂。氢化锂的熔点 688 度，比锂的 180 度高得多，溶液蒸气压因此更低，同样的蒸发率下能多工作 200 度。他们的目标工作温度是 700 度，最好逼近 900 度——因为温度越高，热转电效率越高。

第三根柱子也站住了。有人真的把液态金属壁装进腔体、通了电、转了起来，跑了几千次放电。

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然后氢来了

现在把时间拨回 2023 年 12 月和 2024 年 4 月。

2023 年 12 月，TU/e 的 Scholte 团队在《核材料与能源》34 卷发表文章号 101315，DOI 10.1016/j.nme.2022.101315。标题是"在 Magnum-PSI 中减少氢等离子体暴露下毛细多孔结构的锡液滴喷射"。作者共 8 人：J. G. A. Scholte、M. Iafrati、S. S. H. Lam、B. Tyburska-Pueschel、M. Riepen、F. Brochard、M. M. P. Vissers、T. W. Morgan。

机构分布很广：TU/e、ENEA 弗拉斯卡蒂研究中心、DIFFER、ASML（荷兰费尔德霍芬）、洛林大学 Jean Lamour 研究所（法国南锡）。

他们做了个控制实验：把孔径从 0.5 微米到 100 微米不等的 CPS 靶（不锈钢基体灌锡）放在相同条件下暴露于氢等离子体，同时比较三种钨 CPS 制造工艺——3D 打印、网毡、烧结。每个靶四周放四块见证板，事后用卢瑟福背散射测锡含量。

结果：孔径减小，锡侵蚀降低 50 倍。另外还有一个警告：要避免把 CPS 填充过度。

50 倍是个很实在的数。但它显然不够——一年后 AUG 上的结果说明还要更多。

2023 年，Scholte 还把一套锡填充的多孔钨模块送进了 ASDEX Upgrade 的外偏滤器。结果发在《核材料与能源》37 卷，文章号 101522，DOI 10.1016/j.nme.2023.101522。作者 15 人加 AUG 团队，来自 TU/e、IPP 加兴、捷克科学院、DIFFER。

实验做法是：在平顶阶段把外打击点按到预热好的液态锡模块上，保持 2 到 3.4 秒，跨多个放电。

用 HeatLMD 代码预测的结果是锡侵蚀可以接受，以热溅射为主。但光谱测量给出的是高一个量级的侵蚀。而且当打击点持续压在模块上、表面温度继续升高时，侵蚀没有跟着涨——所以蒸发不可能是主要来源。

对比不同持续时间的放电，芯部辐射增加最多 1.5 兆瓦。用 STRAHL 杂质输运代码反推，主等离子体里的锡浓度达到 1.4×10⁻⁴。

关键在后面这句话：这个模块只覆盖了外偏滤器环向周长的大约 1/650。把它外推到整圈偏滤器，侵蚀就超过可接受的极限。

他们还看到了液滴溅落的痕迹：相邻偏滤器瓦片上，以及下游大约半米处。

论文的结论很直接：要让灌锡的液态金属偏滤器成为钨的可行替代，液滴生成必须降低两个数量级。

从 50 倍到 100 倍。方向对了，还差一段。

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一颗气泡的完整一生

现在讲机制。这是整件事里最关键的部分，因为它决定了这个问题能不能靠工程解决。

先说一个看起来矛盾的事实。

而且这个矛盾其实早就露过面了。

2020 年 8 月，马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP，加兴）的 A. Manhard、T. Schwarz-Selinger、M. Balden、T. Dürbeck、H. Maier、R. Neu 在《核聚变》60 卷 10 期发表文章号 106007，DOI 10.1088/1741-4326/aba801。他们把固态和液态锡放在 300 到 515 K 的低温氘等离子体里，系统看氘的滞留、热释放、锡的侵蚀与再沉积。

结果是：锡里出现大量气泡。在略低于熔点的温度下，表面会演化出一层厚的海绵状结构；而在液态锡下方，会快速形成一个宏观气腔。液态锡的侵蚀率很高，而且看上去就是微液滴喷射造成的。他们还看到熔点附近锡在钨上的等离子体辅助低温润湿，并在论文里提出一个当时的猜测：这些效应可能都跟锡-氘化学有关，比如锡烷（SnH₄）类分子的生成与分解。

（顺带说，氘在纯锡里的滞留量其实很小——这一点十年后被 TU/e 的 O. Ou 等人量出来是 10⁻⁷ 到 10⁻⁴ D/Sn。但整靶的滞留量要高得多，因为氘主要卡在锡-壁界面的空腔里，而那些空腔正是锡滴沉积在壁上留下的。空腔把"液滴"和"滞留"两件事连了起来，这一点 2020 年就有人提出来了。）

所以"氢让锡起泡"这件事，2020 年在 IPP 加兴就已经是明确的实验事实。五年后 Scholte 那篇论文干的是另一件事：把机理链条从"气泡成核"一路推到"沃辛顿射流碎裂成滴"，并给出定量判据。

再往前一步，还有一组人从完全不同的方向撞上了同一堵墙。

2024 年 1 月，《核材料与科学杂志》588 卷发表文章号 154771，DOI 10.1016/j.jnucmat.2023.154771。作者是斯洛文尼亚 Jožef Stefan 研究所的 V. Nemanič、M. Žumer、J. Zavašnik、U. Cvelbar。

他们做的事是测锡对氢到底有多不敏感。固体锡在 150 度下测出溶解度大约 92 ppb H/Sn——而且后续实验显示，这 92 ppb 里大部分还得算在氧化锡头上。液态锡在 250 到 350 度范围测，经过几个月改进实验程序之后得到的结论是：低于 1 ppb H/Sn。0.25 毫米厚的锡膜在 200 度下的氘渗透率低于 2.5×10⁹ 氘分子每平方厘米每秒，这个值已经低于同位素交换反应带来的测量不确定度。

（顺带一提，这篇论文还有一个副产品结论：既然锡对氢这么不敏感，锡膜或许能当氢渗透阻挡层用。）

然后他们在论文最后一段写了这么一句：

"不幸的是，最近的氢等离子体实验报告显示锡会与之剧烈相互作用，这不适合作为液态偏滤器候选材料。"

分子氢下几乎不溶氢，等离子体下剧烈起泡。这两件事不矛盾——差别在氢的形态。等离子体给出的不是 H₂，是原子氢和自由基。它们的化学势完全不同。Nemanič 他们测的是热力学平衡溶解度，而等离子体环境里的氢是被"注入"进去的，非平衡效应占主导。

那么具体机理是什么？2025 年 3 月，《聚变能杂志》44 卷 1 期，文章号 22，DOI 10.1007/s10894-025-00492-5，Scholte 等 10 位作者给出了完整答案。

这 10 位是：J. G. A. Scholte、R. S. Al、D. Horsely、M. Iafrati、A. Manhard、E. Martelli、M. Morbey、S. Roccella、J. W. M. Vernimmen、T. W. Morgan。机构五家：

  • 埃因霍温理工大学（TU/e），荷兰
  • DIFFER 荷兰基础能源研究所
  • 英国原子能管理局（UKAEA），卡勒姆
  • ENEA 弗拉斯卡蒂研究中心，意大利
  • 马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP），加兴

（这就是用户说的"ENEA 发现"的出处。ENEA 不是独立发现方，是这篇论文的合作方，贡献了 Iafrati、Martelli、Roccella 三位作者。Iafrati 之前正是 FTU 液态锡限制器项目的成员——那台装置上没看到液滴，这台装置上看到了。同一个人，两种结果。）

机理链条是这样的：

第一步，氢以自由基和离子的形式溶进锡。锡对氢的溶解度在熔点附近低于 1 ppb，这个容量几乎等于零。

第二步，溶不进去的氢在能量上更倾向于成核变成气泡，而不是继续待在溶液里。过饱和。

第三步，气泡需要一个成核位置。在液态金属偏滤器里，液体被装在毛细多孔结构里，而这种结构在制造过程中天然带着预先存在的气腔和缺陷——正好当核。

第四步，气泡通过扩散从周围溶解的氢里吸收更多氢，慢慢长大。

第五步，气泡浮到表面然后破裂。破裂的时候，惯性和表面张力共同作用，形成一个"沃辛顿射流"（Worthington jet）——就是往水面滴一滴水、水花中间那根细柱。

第六步，射流因为瑞利-普拉托不稳定性碎裂成液滴。

这个机理有一个很硬的推论：临界气泡半径提供了唯一一条出路。如果孔径小于临界半径，气泡内的压力会超过表面张力能承受的程度，气泡会缩回去而不是长大，液滴喷射就能避免。

问题是那个临界半径有多大。论文的答案是：比任何已知制造技术能达到的都小——至少在温度低到蒸发还不显著的那个区间里是这样。

他们做了两组实验来验证。第一组测普适性。在 nano-PSI 装置上，把液态锂、钠、钾、镓、铟、锡、铅、铋全部暴露在氢等离子体里，用相机看，用卢瑟福背散射分析见证板。所有后过渡金属，所有靶，都观察到液滴喷射。

第二组测 CPS 设计的影响。暴露多种 CPS 靶，看哪种最抗喷。

有一个结果超出了预期：只需要自由自由基就够了，不需要等离子体离子。

这句话的分量很重。它意味着"给偏滤器加个护套把离子引开"这类想法没用。自由基是中性的，磁场挡不住它们。

还有一个结果是唯一的好消息：温度升高到某个临界值以上，给定自由基通量下的液滴喷射会被抑制。但那个温度，按论文自己的说法，已经高到蒸发会过度污染芯部等离子体的程度。

论文的结论是这么写的：

"液滴喷射被认定为锡作为核聚变堆面向等离子体部件的一个潜在致命障碍，原因在于气泡形成是不可避免的。……理论预测这种行为对所有不与氢发生强化学反应的液态金属都成立。……根据理论，所需的孔径太小，任何已知制造技术都达不到，至少在温度低到蒸发还不显著的时候是这样。"

然后是那句最狠的：

"由于液滴喷射无法防止，将锡用作液态金属面向等离子体材料的路线需要修订。"

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这不是"再优化一下"能解决的

需要强调一下，因为这正是这个故事最容易被误读的地方。

Scholte 2023 年那篇已经证明，孔径减小能把锡侵蚀降 50 倍。这在工程上是很大的进展。如果问题只是"孔径还不够小"，那是一个可以砸钱解决的工艺问题——3D 打印精度提升、粉末粒度优化、烧结参数调优，总会往前走。

但 Scholte 2025 那篇的分析说明不是这样。机理链条上有三个环，每个环都堵着：

环一：孔径有理论下限。孔径要小于临界气泡半径，而临界半径由表面张力、温度和氢的过饱和度共同决定。在蒸发还不显著的温区里，这个值低于现有工艺的能力。这不是"再努力一点"的距离，是原理上的距离。

环二：不能靠屏蔽自由解决。自由基就能起泡，离子不是必需的。磁场、静电屏蔽、偏滤器位形——这些能改变离子输运的手段，对中性自由基不管用。

环三：过饱和程度由氢通量决定，而氢通量是反应堆的参数。聚变堆的氘氚燃料通量不能为了迁就墙面材料而往下调。

而且这件事还有两个独立的旁证，说明它不是一个实验室的孤例。

第一个来自 UIUC。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校等离子体-材料相互作用中心（CPMI）的 James Bramble、Cody Moynihan、Steven Stemmley、Jackson Stermer、Jaime Robertson、Natalie Weissburg、David N. Ruzic，2024 年 10 月在《聚变工程与设计》207 卷发表文章号 114622，DOI 10.1016/j.fusengdes.2024.114622。基金是 DOE DE-FG02-99ER54515。

他们的实验做了一件很有意思的事——从 ASML 的问题出发。ASML 的极紫外光刻机用液态锡滴做光源，他们发现氢等离子体存在时锡表面会喷出粒子。这些粒子在机器里乱飞，会污染设备或者晶圆。UIUC 的团队顺着这个线索做了控制实验：把熔融锡放在不同电子密度和温度的氢等离子体里，用见证板收集喷出来的粒子，测尺寸、角分布、质量通量。

结果：喷出的锡颗粒尺寸从几十纳米到几十微米。质量通量在每平方米每秒几十毫克量级，随到达锡表面的原子氢通量增加而增加。角分布主要在垂直向上方向，符合一个尖峰的余弦分布。

结论："宏观量的熔融锡在氢等离子体存在下被喷出，因此锡可能不是合适的聚变面向等离子体材料。"

两个独立的实验组，两个不同的动机，同一个结论。而且 UIUC 那条线的起点还提醒我们：这个物理现象已经在工业界显形了——EUV 光刻机的锡液滴光源。

不过还不止两个。第三条旁证直接来自半导体工业内部。

2023 年 2 月，埃因霍温理工大学和 ASML 的 D. Shefer、A. Nikipelov、M. van de Kerkhof、Z. Marvi、V. Banine、J. Beckers 在《物理学报 D》56 卷 8 期发表文章号 085204，DOI 10.1088/1361-6463/acb3d9，基金直接写着 ASML。他们用扫描电镜加聚焦离子束切开氢等离子体暴露过的锡、铅和氧化铅微米颗粒，看到两件事在同时发生：表面的化学溅射，和体相空腔里加压氢气泡的累积。这两个机制通过制造粗糙面、扩大接触面积、或者累积机械应力后碎裂，改变颗粒与表面的黏附。论文开门第一句就写明，这个颗粒稳定性问题对极紫外光刻、ITER 聚变计划和氢等离子体刻蚀三者都关键。

第四条旁证更有意思，因为它来自"锡-锂合金"这条路自己。

2020 年 12 月，UIUC 的 A. de Castro、C. Moynihan、S. Stemmley、M. Szott、D. Andruczyk、D. N. Ruzic 在《核材料与能源》25 卷发表文章号 100829，DOI 10.1016/j.nme.2020.100829，测 Sn70Li30 合金在 316 不锈钢、钼、钨上的润湿温度——分别是 360、390、405 摄氏度，合金被污染后润湿温度最坏会升高约 130 度。而在做完这些测量之后，论文摘要里轻描淡写地写了一句："有趣的是，在有些情况下，液态合金表面的失稳以突然的气体喷射形式被观察到。"

"突然的气体喷射"。2020 年。在追求"让锂浮到表面吃掉氢"的那条路线上。这条线索当时没有被当成主要结论，但五年后回头看，它就是同一件事的早期版本。

四个独立的实验组，四个不同的动机——聚变偏滤器、EUV 光刻、锡-锂合金润湿测试、聚变材料基础测量——同一个结论。

还有一个跨领域的注脚。Spontaneous rapid rotation and breakup of metal droplets in tokamak edge plasmas 这篇（《欧洲物理快报》127 卷 45004，2019 年）分析了 JET 上高速相机拍到的"叉状"图案——熔融金属颗粒一次次分裂成两个等大子颗粒。这种规则性只能由旋转断裂解释，转速跟理论预测一致，比之前任何在等离子体里测到的颗粒自转快至少两个数量级。而把这些旋转代入尘埃追踪代码 DTOKS 之后，模拟显示 ITER 更高的磁场、温度和密度会增强这个分裂过程——也就是说，ITER 环境反而会帮我们把液滴撕得更碎、在到达芯部之前就瓦解掉。

这是不是一条出路？可能是一部分。但它回答的是"液滴飞出去之后会怎样"，不是"怎么不让液滴飞出去"。

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谁活下来了

三条路，逐个看。

锡，基本出局。这一轮的关键实验（AUG 上的液态锡模块）用的就是锡，两个独立实验室的机理研究针对的主要也是锡，AUG 的实测结论是液滴必须降两个数量级，Scholte 的结论是降不下来。Rindt 的 EU-DEMO 概念设计原本选锡（因为锂的氚滞留不可接受），现在这个选择需要重新算账。Nemanič 那篇论文最后一句的措辞——"这不适合作为液态偏滤器候选材料"——从一群本来在研究锡作为氢渗透阻挡层的人嘴里说出来，分量不轻。

锂，还活着，但有一堆别的问题。锂和氢会发生化学反应生成氢化锂，从根上堵死了起泡这条路——没有自由氢可以过饱和。所以锂不会被气泡炸。这也是欧洲一些课题组现在把注意力往锂上挪的原因。

但锂的账单很长。第一，蒸气压高，表面温度必须压在 400 度以下，否则蒸发污染芯部，这就锁死了它的热流处理能力上限。第二，氚滞留严重（这个后面还会回来）。第三，化学太活泼：遇水起火、遇空气反应，工程上要一整套惰性气氛和二次安全壳。

最后这一点有个很实在的进展。2026 年 5 月，PPPL 的 Yufan Xu、Michael Hvasta、Robert Kaita、Egemen Kolemen（合作者还包括阿贡国家实验室和密歇根州立大学的 Yoichi Momozaki）在 arXiv 上传了一篇预印本（arXiv:2605.16329），提出了 LEAP 平台——液态锂实验应用平台。核心内容是一个面向流动液态锂系统的二次安全壳架构选择框架，以及他们在 PPPL 正在建的实物：一个模块化、房间尺度的氩气手套箱，作为惰性二次封闭边界。

他们的结论是：一个惰性、气密的二次外壳，配上一圈液态锂回路，不加洗涤器，在危害降低和设施复杂度之间给出了最实际的平衡。这个设计逻辑据说能迁移到其他活泼或导电的液态金属系统。

（说明：这是预印本，尚未经过同行评审。）

镓，有戏，但腐蚀太狠。镓对氢的溶解度比锡高得多，这意味着达到过饱和要更久，达到过饱和之前的"缓冲时间"更长，流动式液态金属偏滤器的流速要求因此变得合理。代价是镓对钢的腐蚀性很强。

锂-氢化锂溶液，是个聪明折中。Renaissance Fusion 的方案：掺氢化锂提高熔点（688 度对 180 度），降低蒸气压，让溶液在 700 度甚至更高工作而蒸发率不变。这解决的是锂的温度上限问题，不是安全问题。

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拼起来看：堆级集成到底卡在哪一环

现在把三根柱子和那个坏消息拼在一起。

LSA 说：静态平面自由液面在磁约束聚变的磁场里必炸（触发时间 10⁻⁸ 秒），EU-DEMO 和 CFETR 的参数下尤其如此。液态金属面向等离子体部件不能指望静态平面构型。

推论一：CPS 或者流动，是稳态运行仅有的两个选项。CPS 靠毛细压力，流动靠强制对流。

CPS 的账：孔径越小毛细压力越大，稳定性越好，但 MHD 压降越大，补给越慢。MHD 流动研究（KIT）说明强磁场下 CPS 渗透率大幅下降，垂直场构型下流量按 1/Ha 衰减。

氢溶解度的账：锡的氢容量是 ppb 量级。在聚变堆的氢自由基通量下，这个容量会被瞬间填满，然后过饱和。

起泡的账：过饱和之后气泡必然成核（CPS 的制造缺陷提供现成的核），长大后破裂，射流碎裂成滴。抑制条件是孔径小于临界半径，而这个值低于现有工艺极限。

堆级的账：AUG 的实测给了闭环的最后一环——一块只覆盖 1/650 偏滤器周长的模块，就让芯部锡浓度到 1.4×10⁻⁴，辐射增加 1.5 兆瓦。外推到整圈，超限。

回路本身的账：就算墙面材料问题解决了，堆级还有一套液态金属回路要跑起来。普林斯顿等离子体物理实验室的 M. Ono、R. Majeski、M. A. Jaworski 与日本 NIFS 的 Y. Hirooka、伊利诺伊大学的 D. N. Ruzic 等十人在 2017 年算过这套账（《核聚变》57 卷 11 期，文章号 116056，DOI 10.1088/1741-4326/aa7f41）：一座 1 吉瓦电功率级电站，维持锂纯度需要的闭式回路只要大约每秒 1 升的循环量——听起来很小，但按 0.1% 重量比的含尘量（即每秒 0.5 克）算，这套回路一年能带出将近 16 吨粉尘；而同一座堆按约 1% 燃耗效率，维持燃料循环需要每秒约 0.5 克氚。他们的结论是：靠粉尘过滤、冷阱和离心分离，有希望在维持可接受氚库存水平的前提下实时从液态锂里回收氚，并已在实验室测试"表面冷阱"方案。

这套回路的具体方案，则要看锂-氢化锂体系本身的性质。伊利诺伊大学核等离子体与辐射工程系的 M. Christenson、D. Panici、C. Moynihan、J. Wendeborn、J. Anderson、D. N. Ruzic 在 2019 年用 TUFCON 装置做了氢等离子体暴露实验（《核聚变》59 卷 2 期，文章号 026011，DOI 10.1088/1741-4326/aaf587），关注的是液相线把"溶解在溶液里的氢"（α 相）和"析出成氢化锂的氢"（β 相）分开这件事。他们发现吸收和脱附各自都分成两个明显不同的阶段，并且用样品电阻率的变化从凝聚相的角度验证了这个行为——这直接决定了后端氚回收要多快。

这是一个闭合的链条。每一环单独看都是"再优化一下"的问题，连起来看是一个结构性矛盾：LSA 逼你用 CPS，CPS 逼你接受有限的孔径，而有限的孔径加上不可避免的氢过饱和等于不可避免的液滴。

Zap 那条路绕开了这个矛盾，因为它的液态金属壁不靠 CPS。它靠离心力把金属压在壁上，可以做得厚、流得快、表面积大、没有微孔结构给气泡当核。它跑的是氢等离子体（出中子的版本还是氢，只是换成氘氚），跑了三千次放电，没报告液滴问题。

但要注意两件事。第一，Century 是工程验证平台，不是反应堆，它的等离子体参数量和氢通量都比真实燃烧等离子体低。第二，Zap 用的是铋不是锡。铋在元素周期表里紧挨着锡，氢溶解度也低，理论上应该同样会起泡。它现在没出问题，可能是因为条件还不到。

还有第三件事，跟物理无关，但影响这条路的资源。2026 年 4 月底，Zap 宣布从纯聚变公司变成"集成核能平台"，在聚变之外新增一座 10 兆瓦电功率的钠冷先进裂变堆，复活的是原东芝和日本电力中央研究所联合研制的 4S 设计（那个设计 2011 年福岛事故后被搁置，且从未在美国取得许可）。新任 CEO 换成了 Zabrina Johal（前美国海军核动力军官、General Atomics 十八年、AtkinsRéalis 高级职务），联合创始人 Benj Conway 转任总裁。公司的说法是两者共享技术基础——聚变装置现在用的液态铋作为铅锂的替代物，行为接近新裂变设计要用的液态钠。从"液态金属工程能力"这个角度看，这个理由是成立的；从"离心液态金属壁需要多少专注度"这个角度看，资源被分走了一部分。

还有一个方向是完全绕开这个问题：不用液态金属做面向等离子体的部件，而是用它做包层和屏蔽。Renaissance Fusion 的厚液态金属壁就是这个思路——液体在固体壁后面沿着壁流，不进等离子体，靠 35 厘米的厚度吃掉中子和 80% 的聚变能量，同时增殖氚。他们自己的说法是"裸增殖包层"。这条路规避了液滴和蒸发的耦合问题，代价是你要接受一个换热量和温度都被液体主导的堆设计。

Renaissance Fusion 的 FAQ 里有一段关于液滴的坦率讨论，值得记下来。他们说自己目前在缩小尺度的圆柱原型里，液滴频率大约是每分钟一滴。而全尺寸仿星器反应堆的硬性上限是每十几分钟一滴（数量级上），理由是每滴液滴会造成一次辐射崩塌，等离子体要几秒钟才能重启。每一滴带来不到一分钟的热供应中断。十几分钟一滴意味着占空比 90% 以上。真要完全不受影响，得让液滴平均间隔超过等离子体放电时长，而仿星器的放电可以持续几小时。

从每分钟一滴到每十几分钟一滴，他们要改进大约一个数量级。这个数字和 AUG 要求的"两个数量级"是同一类问题。

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最后一个问题：这条路还有没有

回到开头那个场景。一个博士生，九次放电，一条半厘米的痕迹。

这里有一个值得琢磨的对比。ENEA 在 FTU 上的液态锡限制器，承受每平方米 18 兆瓦，表面 1700 度，没有液滴。同一个团队的人一年后在 AUG 的偏滤器上，看到了液滴。

差在哪？FTU 那台是限制器，装在底部垂直端口里，暴露的是边界等离子体；AUG 那台是偏滤器模块，装在打击点上，面向的是偏滤器位形下的高热流区。同一个物理机制，在不同的等离子体环境下给出不同的结果。

这提示了一件事：起泡和液滴喷射不是一个开关式的"行或不行"，它强烈依赖于局部的氢通量、表面温度和自由基密度。Scholte 的论文里确实写了温度超过某个临界值可以抑制。Renaissance Fusion 也在按分钟级的液滴频率改进工艺。

但 Scholte 那句结论也得认真对待：在反应堆条件下，所需的孔径低于任何已知制造技术的能力。"反应堆条件"这四个字是限定词。它说的是：你可以在地面实验里把条件调到液滴可接受；但你没法把反应堆的条件调到液滴可接受，因为反应堆的氢通量是它的定义。

所以这条路现在的状态是：机理清楚了，边界大概摸到了，但边界和反应堆要求之间还有距离，而且这个距离不是靠工艺打磨能确定填平的。

对比一下这次研究的另一个领域——QI-HTS 仿星器。那边的状态是"物理验证完成，工程在推进，主要风险是钱和时间"。液态金属这边不太一样。它的三根柱子都站着：ReaxFF 给了自愈表面的原子尺度机制（而且指出氧和氢是必需的，不是干扰），LSA 给了明确的设计规则（不要静态自由液面），Zap 给了工程可行性（液态金属壁真的能装进腔体跑几千发）。问题出在第四件事上——氢和锡的化学反应。

值得注意的一点是，那个坏消息是从一个意想不到的方向来的。UIUC 那组人是顺着 ASML 的问题找过来的：EUV 光刻机用液态锡滴做光源，氢等离子体一开，锡就喷粒子污染晶圆。这个现象在半导体工业里已经被研究了好几年。两个领域，一个问题，谁先发现的不重要，重要的是它说明这不是实验室的偶然现象，是一种物质的基本行为。

如果要从这次研究里挑一条最实用的结论，大概是这个：材料的选择，最后是由元素周期表决定的，不是由工程决定的。

锡的氢溶解度是 ppb 量级。这个数字决定了它会过饱和、会起泡、会喷液滴。你可以换墙的形状（CPS 换离心）、换力的来源（毛细力换洛伦兹力）、换孔径大小、换温度——但锡还是锡。真正能绕开这条路的，是把金属换掉：换成锂（与氢反应，不与氢共存），换成镓（溶氢多，缓冲久），或者干脆让液态金属退出等离子体第一排，去后面做包层。

Scholte 在博士论文答辩后说，他的下一个项目是给聚变堆偏滤器材料建一个"数字孪生"，用来评估极限、预测维护需求。他没说要继续攻锡。

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参考文献

ReaxFF 表面偏析与 Sn-Li 自愈表面

  1. M. A. M. Munshi, A. A. Shuvo, M. Kotschenreuther, A. C. T. van Duin, B. Ramos-Alvarado（宾州州立大学机械工程系；ExoFusion，贝尔威，华盛顿州）, "Surface segregation of liquid metal plasma-facing component alloys: A ReaxFF investigation", *J. Phys. Chem. C* 130(26), 9275–9287 (2026). DOI: 10.1021/acs.jpcc.6c02858 （收稿 2026-05-03，接收 2026-06-11，在线 2026-06-20；基金：ARPA-E DE-AR0001995，与 ExoFusion 合作；预印本 arXiv:2605.01863。关键数据：Sn–Al 在 1300 K 强偏析，表面 Sn ≈ 100 at%、芯部 Al 90–95 at%；Sn–Li 在 1300 K 基本混合（Sn 70–75 at%、Li 25–30 at%）；Sn–Li–O 界面 Li 30–35 at%；Sn–Li–O–H 最强，界面 Li 35–45 at%、芯部 Sn 95–100 at%；金属表面张力驱动力约 0.1 eV/atom，非金属化学驱动力高一个数量级；800 K 模拟 Li 表面覆盖 ~45%，对应 Bastasz & Whaley 实验 ~50%）
  1. R. J. Bastasz, J. A. Whaley（Sandia National Laboratories, Livermore，加州）, "Surface composition of liquid metals and alloys", *Fusion Eng. Des.* 72(1–3), 111–119 (2004). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2004.07.005 （低能离子散射 LEIS + 直接反冲谱 DRS；液态 Li、Ga、Sn 与 Sn-Li 合金表面成分随温度变化；Sn-Li 中 Li 偏析至表面，450–500 °C、有氧条件下表面 Li 覆盖度约 50%；分子氢及同位素易吸附于 Li 表面，但不吸附于 Ga 或 Sn；熔点至 800 °C 未发现氢同位素驻留在液态 Sn 表面）

LSA 线性稳定性分析框架

  1. N. Somboonkittichai（泰国农业大学物理系）, G. Z. Zuo（中科院等离子体物理研究所，合肥）, "Surface instability of static liquid metal in magnetized fusion plasma", *Nucl. Fusion* 63(2), 026026 (2023). DOI: 10.1088/1741-4326/acaedb （收稿 2022-08-27，接收 2022-12-28，发表 2023-01-13；静止平面自由液面，Rayleigh 拉格朗日方法；表面张力稳定短波长、重力稳定长波长，鞘电场与切向磁场在中波长致失稳；初始失稳时间尺度 10⁻⁸ s；代入 EU-DEMO（5.86 T、5 eV）与 CFETR（6.5 T）参数，静态平面液态锂表面极快失稳；结论：下一代磁约束装置不宜采用静态平面自由液面构型）
  1. N. Somboonkittichai（泰国农业大学物理系）, G. Z. Zuo（中科院等离子体物理研究所）, "Surface instability of flowing liquid metal in magnetized fusion plasma", *Nucl. Fusion* 65(8), 086011 (2025). DOI: 10.1088/1741-4326/ade9df （发表 2025-07-10；线性化能量原理 + 速度势分析，含黏性与电阻率；考虑流速、倾角、厚度、表面张力、密度、电阻率、等离子体参数、外磁场、扰动相对磁场方向；与 EAST 流动液态锂限制器 FLiLi 第一至三代相机观测对照；基金：NSFC 12475208、中科院 XDB0790102、安徽 2408085J002、国家 R&D 2022YFE03130000 / 2022YFE03100003）

氢-锡相互作用与液滴喷射

  1. J. G. A. Scholte, R. S. Al, D. Horsely, M. Iafrati, A. Manhard, E. Martelli, M. Morbey, S. Roccella, J. W. M. Vernimmen, T. W. Morgan（埃因霍温理工大学；DIFFER；UKAEA 卡勒姆；ENEA 弗拉斯卡蒂研究中心；马克斯·普朗克等离子体物理研究所加兴）, "Liquid metal droplet ejection through bubble formation under hydrogen plasma and radical exposure", *J. Fusion Energy* 44(1), 22 (2025). DOI: 10.1007/s10894-025-00492-5 （在线 2025-03-29；机理：氢自由基/离子溶入锡→过饱和→气泡在 CPS 制造缺陷处成核→生长→浮至表面破裂→沃辛顿射流→瑞利-普拉托不稳定碎裂成滴；nano-PSI 上验证 Li、Na、K、Ga、In、Sn、Pb、Bi 八种金属全部出现液滴喷射；仅自由基即可，无需离子；理论预测对一切不与氢强化学反应的液态金属成立；抑制需孔径小于临界气泡半径，而该值低于任何已知制造技术；温度超过临界值可抑制，但该温度下蒸发已过度污染芯部；结论：锡作为液态金属 PFC 的路线需要修订）
  1. J. G. A. Scholte, M. Iafrati（ENEA 弗拉斯卡蒂）, S. S. H. Lam, B. Tyburska-Pueschel, M. Riepen, F. Brochard（洛林大学 Jean Lamour 研究所，南锡）, M. M. P. Vissers（ASML，费尔德霍芬）, T. W. Morgan（DIFFER / TU/e）, "Reducing tin droplet ejection from capillary porous structures under hydrogen plasma exposure in Magnum-PSI", *Nucl. Mater. Energy* 34, 101315 (2023). DOI: 10.1016/j.nme.2022.101315 （不锈钢 CPS 靶灌锡，孔径 0.5–100 μm，相同暴露条件下比较；三种钨 CPS 制造工艺：3D 打印、网毡、烧结；每靶四块见证板，卢瑟福背散射事后分析；结果：孔径减小使 Sn 侵蚀降低 50 倍；并须避免 CPS 过填充；基金：EUROfusion 101052200）
  1. J. G. A. Scholte, M. Balden, D. Brida, J. Cecrdle, R. Dux, S. Elgeti, M. Faitsch, A. Herrmann, J. Horáček, K. Hunger, K. Krieger, A. Manhard, P. de Marné, V. Rohde, T. W. Morgan, ASDEX Upgrade Team, "Performance of a liquid Sn divertor target during ASDEX Upgrade L-mode and H-mode operation", *Nucl. Mater. Energy* 37, 101522 (2023). DOI: 10.1016/j.nme.2023.101522 （液态锡模块 LTM 经偏滤器机械臂送入 AUG 外偏滤器；外打击点压在预热模块上 2–3.4 s，跨多个放电；HeatLMD 预测可接受侵蚀且以热溅射为主，光谱实测高出一个量级；打击点持续压住使表面温度升高时侵蚀不增，排除蒸发主导；芯部辐射增加达 1.5 MW，STRAHL 反推主等离子体 Sn 浓度达 1.4×10⁻⁴；模块仅覆盖外偏滤器环向周长约 1/650，外推至整圈即超限；相邻瓦片与下游约 0.5 m 处观察到锡液滴飞溅；结论：液滴生成须降低两个数量级）
  1. J. Bramble, C. Moynihan, S. Stemmley, J. Stermer, J. Robertson, N. Weissburg, D. N. Ruzic（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校等离子体-材料相互作用中心 CPMI）, "Ejection of molten tin in the presence of a hydrogen plasma", *Fusion Eng. Des.* 207, 114622 (2024). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2024.114622 （基金：DOE DE-FG02-99ER54515；研究动因来自 ASML 在 EUV 光刻机中观测到氢等离子体下熔融锡表面喷射颗粒；喷射颗粒尺寸从数十纳米到数十微米；质量通量每平方米每秒数十毫克量级，随到达表面的原子氢通量增加；角分布主要在垂直向上，拟合为尖峰余弦分布；结论：宏观量熔融锡被喷射，锡可能不适合作聚变 PFC）
  1. V. Nemanič, M. Žumer, J. Zavašnik, U. Cvelbar（Jožef Stefan 研究所，卢布尔雅那，斯洛文尼亚）, "Hydrogen interaction with solid and liquid tin", *J. Nucl. Mater.* 588, 154771 (2024). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154771 （固体锡 150 °C 溶解度约 92 ppb H/Sn，其中大部分归因于锡氧化物；液态锡 250–350 °C、1 bar 下溶解度低于 1 ppb H/Sn；0.25 mm 锡膜在 200 °C 的氘渗透率低于 2.5×10⁹ D₂/cm²/s，已达同位素交换反应 HD 造成的测量不确定度；论文结尾评论：近期氢等离子体实验显示锡与之剧烈相互作用，不适合液态偏滤器；基金：EUROfusion 101052200、斯洛文尼亚研究署 P2-0056）
  1. A. Hassanein, I. Konkashbaev（阿贡国家实验室，伊利诺伊州阿贡，ANL/ET/CP-107612）, "Macroscopic erosion of plasma facing and nearby components during plasma instabilities: the droplet shielding phenomenon", *J. Nucl. Mater.* 290–293(2–3), 1074–1078 (2001). DOI: 10.1016/S0022-3115(00)00665-6 （第 14 届等离子体-表面相互作用国际会议，2000-05-22 至 26，德国罗森海姆；HEIGHTS 程序包；自洽 MHD 耦合蒸气云与宏观粒子动力学；蒸气云约束良好时液滴飞行时间短、完全汽化，形成"液滴屏蔽"；若蒸气云沿偏滤器表面有高速分量，液滴被迅速带离高温区，导致严重质量损失和极短的偏滤器侵蚀寿命；基金：美国能源部 W-31-109-ENG-38）

聚变装置中的液态金属实验

  1. G. Mazzitelli, M. L. Apicella, M. Iafrati, G. Apruzzese, F. Bombarda, F. Crescenzi, L. Gabellieri, A. Mancini, M. Marinucci, A. Romano, FTU Team（ENEA 聚变与核安全部，弗拉斯卡蒂研究中心，罗马）, "Experiments on the Frascati Tokamak Upgrade with a liquid tin limiter", *Nucl. Fusion* 59(9), 096004 (2019). DOI: 10.1088/1741-4326/ab1d70 （全球首个托卡马克液态锡限制器 TLL：钼管外包钨毡条 CPS，内灌锡，可吹空气与雾化水冷却；限制器逐步推入边界层至距最外闭合磁面 <0.5 cm；承受热流超过 18 MW/m²；最热区表面温度达 1700 °C；1300 °C 以下溅射主导、锡杂质可忽略，超过 1300 °C 蒸发主导、锡成为主要杂质，但浓度约电子密度的 5×10⁻⁴，等离子体性能无退化；未观察到液滴进入等离子体，TLL 无损伤）
  1. P. Rindt, S. Q. Korving, T. W. Morgan, N. J. Lopes Cardozo（埃因霍温理工大学；DIFFER）, "Performance of liquid-lithium-filled 3D-printed tungsten divertor targets under deuterium loading with ELM-like pulses in Magnum-PSI", *Nucl. Fusion* 61(6), 066026 (2021). DOI: 10.1088/1741-4326/abf854 （3D 打印钨 CPS 靶灌液态锂；稳态氘等离子体 15 s，1.5–16 MW/m²，Te ≈ 1.5 eV；叠加类 ELM 脉冲 3 s，频率 2 与 100 Hz，功率密度 0.3–1 GW/m²，Te 达 ~14 eV；所有锂靶无损伤，表面温度锁定在 ~850 °C（蒸发屏蔽）；空白靶在最重脉冲下熔融；LiD 层在 Ts < 500 °C 时形成、达锁定温度后消失；211 次 100 Hz 脉冲后锂靶仍无损伤且锂补给跟得上；结论：3D 打印是 LLD 有前景的制造技术；仍需研究 LiD 形成与氚滞留、ELM 期间蒸发增强对芯部的影响）
  1. P. Rindt, J. L. van den Eijnden, T. W. Morgan, N. J. Lopes Cardozo（埃因霍温理工大学；DIFFER）, "Conceptual design of a liquid-metal divertor for the European DEMO", *Fusion Eng. Des.* 173, 112812 (2021). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112812 （与 EUROfusion 电站物理与技术 PPPT 团队共同制定设计要求；选锡而非锂，因锂在 DEMO 中导致不可接受的氚滞留；设计：水冷管外方内圆 + 腐蚀屏障 + 3D 打印多孔钨装甲层灌锡；CuCrZr 管 + 1.9 mm 装甲层时稳态承热 26.5 MW/m²（含 1.4 安全裕度 18.9 MW/m²）；装甲层增至 3 mm 时慢瞬态可超 80 MW/m²（靠蒸发屏蔽），但稳态降至 18 MW/m²；钨单块基准指标：稳态 10 MW/m²、慢瞬态 ~20 MW/m²；基金：EUROfusion 633053）
  1. P. Rindt, T. W. Morgan, G. G. van Eden, M. A. Jaworski, N. J. Lopes Cardozo（埃因霍温理工大学核聚变科学与技术组；DIFFER；普林斯顿等离子体物理实验室）, "Power handling and vapor shielding of pre-filled lithium divertor targets in Magnum-PSI", *Nucl. Fusion* 59(5), 056003 (2019). DOI: 10.1088/1741-4326/ab0560 （注意：网上流传的 ab0769 是错的，正确 DOI 为 10.1088/1741-4326/ab0560；在线 2019-03-15；带内储液腔的液态锂偏滤器原型靶在 Magnum-PSI 中以氦等离子体逐级提高功率密度暴露，红外相机记录温度响应并与计入锂在等离子体中耗散的有限元模型对比；靶可承受 9±1 MW/m² 持续 10 s 直到网层损伤，损伤后仍能在更高功率密度下继续运行；靶总寿命达 100 s；完好靶上观测到指示蒸发屏蔽的中心表面温度演化；基金：H2020 Euratom 633053）
  1. R. S. Al 等（Ou W., Al R. S., Vernimmen J. W. M., Brons S., Rindt P., Morgan T. W.）, "Deuterium retention in Sn-filled samples exposed to fusion-relevant flux plasmas", *Nucl. Fusion* 60(2), 026008 (2020). DOI: 10.1088/1741-4326/ab5e35 （充锡样品在聚变相关通量等离子体暴露后的氘滞留）
  1. V. F. B. Tanke, R. S. Al, S. Alonso van der Westen, S. Brons, I. G. J. Classen, J. A. W. van Dommelen, H. J. N. van Eck, M. G. D. Geers, N. J. Lopes Cardozo, H. J. van der Meiden, C. A. Orrico, M. J. van de Pol, M. Riepen, P. Rindt, T. P. de Rooij, J. Scholten, R. H. M. Timmer, J. W. M. Vernimmen, E. G. P. Vos, T. W. Morgan（DIFFER；埃因霍温理工大学）, "LiMeS-Lab: An integrated laboratory for the development of liquid–metal shield technologies for fusion reactors", *J. Fusion Energy* 42, 44 (2023). DOI: 10.1007/s10894-023-00379-3 （在线 2023-09-02；四台装置：LiMeS-AM 粉末床熔融金属 3D 打印机、LiMeS-Wetting 研究液态金属在不同衬底上的润湿、LiMeS-PSI 可运行连续液态金属回路的线性等离子体源、LiMeS-TDS 金属蒸气环境下的热脱附谱；指出中大型托卡马克中液态金属偏滤器实验仍然缺乏，建议用"垫脚石"方式提升技术成熟度）
  1. G. Z. Zuo, C. L. Li, R. Maingi, X. C. Meng, Z. Sun, W. Xu, Y. Z. Qian, M. Huang, Z. L. Tang, D. H. Zhang, L. Zhang, Y. J. Chen, S. T. Mao, Y. M. Wang, H. L. Zhao, D. Andruczyk, K. Tritz, X. Z. Gong, J. S. Hu, EAST Team（中科院等离子体物理研究所；中国科学技术大学；普林斯顿大学等离子体物理实验室；深圳大学先进能源研究中心；伊利诺伊大学等离子体-材料相互作用中心；约翰霍普金斯大学；中科院光伏与节能材料重点实验室）, "Results from a new flowing liquid Li limiter with TZM substrate during high confinement plasmas in the EAST device", *Phys. Plasmas* 27(5), 052506 (2020). DOI: 10.1063/1.5143179 （第三代流动液态锂限制器，衬底改用 TZM（>99% Mo 合金）；限制器温度 330–380 °C，辅助加热 2–8 MW；锂流均匀性从上一代的 30% 提升至 >80% 表面覆盖；燃料再循环持续下降，纯射频加热 H 模下近乎完全消除 ELM；等离子体储能增加约 10 kJ；初始放电主要杂质为 Mo、Fe、W；两个 J×B 电磁泵中仅一个工作）
  1. J. S. Hu, G. Z. Zuo, J. Ren, Q. X. Yang, Z. X. Chen, H. Xu, L. E. Zakharov, R. Maingi, C. Gentile, X. C. Meng, Z. Sun, W. Xu, Y. Chen, D. Fan, N. Yan, Y. M. Duan, Z. D. Yang, H. L. Zhao, Y. T. Song, X. D. Zhang, B. N. Wan, J. G. Li, EAST Team, "First results of the use of a continuously flowing lithium limiter in high performance discharges in the EAST device", *Nucl. Fusion* 56(4), 046011 (2016). DOI: 10.1088/0029-5515/56/4/046011 （第一代 FLiLi；循环锂层厚度 <0.1 mm、流速约 2 cm³/s；新型真空内电磁泵；与低杂波与中性束加热的高约束模式等离子体完全兼容）
  1. A. de Castro, C. Moynihan, S. Stemmley, M. Szott, D. N. Ruzic（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）, "Lithium, a path to make fusion energy affordable", *Phys. Plasmas* 28, 050901 (2021). DOI: 10.1063/5.0042437 （收稿 2021-01-04，接收 2021-04-28，在线 2021-05-20；教程综述；流动液态锂偏滤器（流速 cm/s 量级）+ 低再循环区制的技术、物理与经济基础；低再循环区制可使装置更小，从而显著降低电站与电价成本；系统梳理反应堆尺度所需技术障碍及实验室/概念验证尺度已克服的部分）
  1. J. G. A. Scholte（TU/e / DIFFER）, 博士论文《The viability of liquid metals as a plasma-facing material in nuclear fusion devices》, 埃因霍温理工大学，2025 年 6 月 3 日答辩（未通过同行评审的学位论文；导师团队含 T. W. Morgan；核心结论：液滴喷射无法防止，锡作为液态金属 PFC 的路线需要修订；ASDEX Upgrade 上九次放电的观测驱动了整篇论文）
  1. Y. Xu, Y. Momozaki, M. Hvasta, R. Kaita, E. Kolemen（普林斯顿等离子体物理实验室；阿贡国家实验室；密歇根州立大学；普林斯顿大学）, "Lithium Experimental Application Platform (LEAP): Secondary-containment architecture for flowing liquid lithium in fusion systems", arXiv:2605.16329 [physics.app-ph] (2026-05-05). 预印本，未经同行评审（面向流动液态锂系统的半定量危害复杂度框架；应用于六种代表性封闭场景与 PPPL 在建的 LEAP 平台——模块化、房间尺度氩气手套箱作为惰性二次封闭边界，配合加热、诊断、磁场暴露与未来装置接口能力；结论：惰性气密二次外壳（不加洗涤器）在危害降低与设施复杂度间给出最实际平衡）

Zap Energy 离心液态金属壁与工程集成

  1. M. Thompson, V. Nalajala, B. Kelleher, S. Brantley, C. Parga, A. Cheung, M. Aubuchon, B. Nelson, M. Acks, S. Ashrun, S. Bagdy, A. Basile, B. Beers, C. Beers, K. Blackwell, H. Blanck, F. Caliari, H. Carlson, M. Christenson, T. Connolly, S. Cortez, J. Costa-Greger, C. Dion, S. Gagnon, H. Grover, C. Hansen, K. Hatfield, S. Huotilainen, S. Jurovich, S. Korlann, B. Maynard, S. K. Muniyal Krishna, M. Parry, W. Pauley, B. Pedler, T. Rhodes, D. Sanabria Diaz, W. Schoenthal, T. Schwartz, G. Staines, J. Stuber, Z. Toth, N. Tripp, B. Wakefield, B. Watson, C. Ying, C. Zehner（全部署 Zap Energy，共 47 位作者；论文标注机构为华盛顿州西雅图，公司总部在华盛顿州埃弗雷特）, "Century: Zap Energy's 100-kW-scale repetitive sheared-flow-stabilized Z-pinch system with liquid metal cooling", *Fusion Sci. Technol.* 82(1–2), 32–44 (2026). DOI: 10.1080/15361055.2025.2532331 （在线 2025-09-08，纸本属 2026 年 1–2 月号，第 26 届聚变能技术会议 TOFE 2024 特刊；Century 为首套 100 kW 级重复运行 Z 箍缩系统，把三项技术集成进一个系统：高平均功率重复脉冲功率、高占空比阴极、液态金属壁系统；以非反应性的氢 SFS Z 箍缩等离子体射入液态金属内衬容器，重复频率量级 0.1 Hz；脉冲功率驱动器与液态金属换热器均按 100 kW 输入功率设计，初期投运配一台临时约 10 kW 的液态金属换热器；液态金属第一壁利用离心力覆盖更多暴露的固体表面；配套带液态金属尖端的重新设计鼻锥；2024 年 6 月投运）
  1. Zap Energy, "Lightning strikes 12 times per minute on Zap Energy's Century platform", 公司新闻稿（2025 年 9 月）（100+ 发 0.2 Hz（每五秒一发）；单发等离子体电流最高 500 kA；记录运行总输入功率 57 kW、其中 39 kW 送至等离子体腔电缆；液态金属回路循环 2500 磅（1100 kg）铋；自 2024 年 6 月投运起，从每十秒一发 ~1.4 kW 提升至每五秒一发 ~30 kW（20 倍）；2025 年 2 月美国能源部认证三小时、1000+ 发、每发 ≥100 kA 的连续运行；累计已放电超过一万次；Century 用普通氢或氦运行，不产生聚变反应与中子）
  1. Zap Energy, 2025 年度回顾（公司博客，2025 年 12 月）（第三代铋回路累计超过 1000 小时流动运行、5200 小时热待机；循环约一公吨熔融金属，约 400 °C，真空下；支撑约 3000 次有功率放电；铋作为锂与钠回路的替代冷却剂做工程验证；一次当地停电成为意外可靠性测试——防冻阀使熔融金属靠重力安全排空，恢复供电后无事故重启；2026 年计划投运首个锂回路，随后为钠回路；已建立先进材料实验室聚焦锂金属）
  1. *Nuclear Engineering International*, "Zap Energy expands into fission"（2026 年 4 月底至 5 月初；另见 SMR/NucNet 2026-05-01 报道）（Zap Energy 从聚变初创转为"集成核能平台"，新增 10 MWe 钠冷先进裂变堆开发，复活原东芝与日本电力中央研究所（CRIEPI）联合研制的 4S（Super-Safe, Small and Simple）设计——该设计源于美国国家实验室的 EBR-II，2011 年福岛事故后项目被搁置，且从未在美国取得许可；公司认为聚变与裂变共享技术基础——聚变装置使用的液态铋（作为铅锂的替代物）行为接近新裂变设计所需的液态钠；新任 CEO 为 Zabrina Johal（前美国海军核动力军官，在 General Atomics 任职 18 年，此前在 AtkinsRéalis 任高级职务；上任前为 Zap 首席运营官），联合创始人 Benj Conway 转任总裁（CTO 为 Brian Nelson，CSO 为 Uri Shumlak）；累计融资超过 3.3 亿美元，含 2024 年 10 月由 Soros Fund Management 领投的 1.3 亿美元 D 轮；投资方另有 Breakthrough Energy Ventures、Shell、Chevron、Lowercarbon Capital、Energy Impact Partners；公司报告 Century 平台近期达到 1.6 GPa 的等离子体压力纪录）

液态金属壁的其他工程路线

  1. V. Giovacchini, E. Favre, F. A. Volpe（Renaissance Fusion, Fontaine, 法国）, "Modeling the free-surface magnetohydrodynamics of thick liquid metal walls for fusion", *Magnetohydrodynamics* 61(1–2) (2025). DOI: 10.22364/mhd.61.1-2.12 （预印本 arXiv:2412.13598，2024-12-18；原型 Skyfall 1b：直径 1 m、宽 3 cm 腔体，约 0.3 T 永磁磁场，GaInSn 流，注入电流最高 3 kA 以产生洛伦兹力悬浮；基于 OpenFOAM-v2212 开发两相流 MHD 数值工具，采用低磁雷诺数假设（Rm = 0.13）、VOF 追踪自由表面、液固域电偶耦合；实验测得自由表面速度、射流厚度与落点位置用于模型验证）
  1. Renaissance Fusion, "Liquid Metal Technology FAQ" 与 "Technology" 公司页面（技术说明，非同行评审文献）（Skyfall 里程碑：2022-07 首批自制 GaInSn；2022-10 首套台式液态金属回路；2023-02 首台自制液态金属泵，最大功率 110 kW；2023-03 全球最大 GaInSn 回路"Skyfall 0"，7 m 长、1 m/s 流速；2023-07"Skyfall 1a"首次在米级圆柱中用电磁力悬浮 1–2 cm 厚液态金属流；2023-12 完成自研 3D 自由表面液态金属 MHD 代码并通过实验基准验证；2024-02"Skyfall 1b"首次悬浮并控制 10 cm 厚 GaInSn（质量等效 120 cm 锂-氢化锂，超出反应堆需求 3.5 倍）并大幅降低液滴；2025-03 筛出两种能承受热液态金属动态腐蚀的固体材料（每天仅数微米）。反应堆方案：35 cm 厚液态金属壁，吸收 99.9% 中子能量，入口 700 °C、出口 900 °C，传热至超临界 CO₂；采用锂-氢化锂溶液而非纯锂，因 LiH 熔点 688 °C 远高于 Li 的 180 °C，同蒸发率下可高 200 °C 运行；液滴频率现状约每分钟一滴，全尺寸仿星器反应堆硬性上限约每十几分钟一滴；官网同时说明仿星器无等离子体电流，液滴落入造成的是辐射崩塌而非破裂）
  1. H. B. Flynn, A. Rowell, P. Ellis 等（共 6 位作者；General Fusion，加拿大温哥华；合作单位含 Battelle Savannah River Alliance / 萨凡纳河国家实验室）, "Comparison of fuel cycles for lead-lithium and pure lithium liquid metal walls in a magnetized target fusion power plant", *Fusion Sci. Technol.* (2025)，在线 2025-11-20. DOI: 10.1080/15361055.2025.2526266 （基金：美国能源部聚变能科学办公室 INFUSE 计划；工作由 Battelle Savannah River Alliance 依合同 89303321CEM000080 完成；共同作者 Kristin Skrecky 投稿时在 General Fusion，现已转加拿大核实验室 CNL；General Fusion 方案：在大约 4 m 直径的液态金属腔内形成氘氚等离子体球环，再用气动活塞阵列压缩该腔；液态金属持续流过聚变腔并送往处理系统提取氚与热；对比铅锂共晶（LLE）与纯锂两种第一壁/包层候选：LLE 设计中超过 80% 的工艺内氚库存位于同位素分离系统，而纯锂设计中超过 60% 位于包层材料内——源于锂对氚的强滞留；对纯锂设计，氚库存的主要驱动因素是包层提取技术而非传统排气处理路径）

液态金属与面向等离子体部件的综述与基础

  1. F. L. Tabarés, E. Oyarzabal, A. B. Martin-Rojo, D. Tafalla, A. de Castro, A. Soleto（西班牙国家聚变实验室 CIEMAT，马德里）, "Reactor plasma facing component designs based on liquid metal concepts supported in porous systems", *Nucl. Fusion* 57(1), 016029 (2017). DOI: 10.1088/0029-5515/57/1/016029 （CPS 路线的系统综述；历史脉络：1970 年代即有场反位形与惯性聚变堆的液态金属提案，本世纪初 APEX 计划大规模展开，其后由两年一届的国际锂应用研讨会 ISLA 承接（第四届 2015 年 9 月于格拉纳达）；流动方案主要在美国项目中研究，而把金属嵌入毛细多孔结构（CPS）的静态概念由俄国团队在 1990 年代提出；文章同时梳理了氢化锂形成可能堵塞液态歧管、导致表面过热乃至金属网熔化的风险）
  1. J. W. Coenen, G. De Temmerman, G. Federici, V. Philipps, G. Sergienko, G. Strohmayer, A. Terra, B. Unterberg, T. Wegener, D. C. M. Van den Bekerom（于利希研究中心等离子体物理所 IEK-4，EURATOM-FZJ；FOM-DIFFER；EFDA 电站物理与技术，加兴；马克斯·普朗克等离子体物理研究所加兴）, "Liquid metals as alternative solution for the power exhaust of future fusion devices: status and perspective", *Phys. Scr.* T159, 014037 (2014). DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T159/014037 （液态金属 PFC 早期现状综述；彼时材料选择主要聚焦锂；本文讨论锡、镓、铝作为可在更高温度下工作而不强烈蒸发的替代方案；基于计算与建模预期 Sn/W 部件可承受最高 25 MW/m²；指出液体普遍面临 j×B 力、压力与 MHD 不稳定性问题，CPS 通过 W 或 Mo 网基底稳定并以毛细作用补给）
  1. L. Bühler, C. Mistrangelo, T. Najuch（卡尔斯鲁厄理工学院 KIT）, "Magnetohydrodynamic flows in model porous structures", *Fusion Eng. Des.* 98–99, 1239–1243 (2015). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.01.018 （第 28 届 SOFT 会议，2014 年 9 月 29 日–10 月 3 日，圣塞巴斯蒂安；毛细孔隙系统中液态金属 MHD 流动的微观尺度数值模拟；结论：不论磁场取向如何，多孔 MHD 流动中的渗透率相较对应的无磁场达西区制都大幅下降，这是判断 CPS 技术能否用于稳态偏滤器的关键 MHD 判据）
  1. T. W. Morgan, P. Rindt, G. G. van Eden, V. Kvon, M. A. Jaworski, N. J. Lopes Cardozo（DIFFER；埃因霍温理工大学）, "Liquid metals as a divertor plasma-facing material explored using the Pilot-PSI and Magnum-PSI linear devices", *Plasma Phys. Control. Fusion* 60, 014025 (2017). DOI: 10.1088/1361-6587/aa86cd （利用 Pilot-PSI 与 Magnum-PSI 线性装置探索液态金属作为偏滤器面向等离子体材料）
  1. A. Manhard, T. Schwarz-Selinger, M. Balden, T. Dürbeck, H. Maier, R. Neu（马克斯·普朗克等离子体物理研究所，加兴；慕尼黑工业大学）, "Deuterium retention in solid and liquid tin after low-temperature plasma exposure", *Nucl. Fusion* 60(10), 106007 (2020)，在线 2020-08-28. DOI: 10.1088/1741-4326/aba801 （本文是"氢在锡中起泡"最早的直接实验证据之一，比 Scholte 2025 早五年，此前常被低估：300–515 K 低温氘等离子体系统研究固态与液态锡，观测氘滞留、热释放、锡侵蚀与再沉积；发现锡中大量气泡形成——在略低于熔点的温度下可演化出厚的海绵状层，液态锡下方则快速形成宏观气腔；固态存在强温度依赖的化学侵蚀；液态下出现高锡侵蚀率，表观上由锡微液滴喷射引起；熔点附近观测到等离子体辅助的低温润湿；作者提出所有这些效应可能都受锡-氘化学（例如锡烷 SnH₄ 类分子的生成与分解）影响）
  1. D. Shefer, A. Nikipelov, M. van de Kerkhof, Z. Marvi, V. Banine, J. Beckers, "The impact of hydrogen plasma on the structure and morphology of tin and lead micrometer sized particles", *J. Phys. D: Appl. Phys.* 56, 085204 (2023). DOI: 10.1088/1361-6463/acb3d9 （氢等离子体对微米级锡与铅颗粒结构与形貌的影响；与 ASML 极紫外光源中的锡颗粒问题相关）
  1. A. Cremona, E. Vassallo, E. Alves, F. Causa, S. De Iuliis, R. Dondè, G. Giacomi, G. Gervasini, G. Granucci, M. Iafrati, G. Maddaluno, R. Mateus, D. Minelli, V. Mellera, A. Nardone, M. Pedroni, D. Ricci, V. Rigato, N. Rispoli, A. Uccello, "Deuterium retention and erosion in liquid Sn samples exposed to D₂ and Ar plasmas in GyM device", *Nucl. Mater. Energy* 17, 253–258 (2018). DOI: 10.1016/j.nme.2018.11.010 （GyM 装置中液态锡样品在氘与氩等离子体暴露下的氘滞留与侵蚀）
  1. M. Shimada（日本原子能研究开发机构 JAEA，青森县六所村）, Y. Hirooka（核融合科学研究所 NIFS，岐阜县土岐市）, "Actively convected liquid metal divertor", *Nucl. Fusion* 54(12), 122002 (2014). DOI: 10.1088/0029-5515/54/12/122002 （Letter；提出把真空室下部灌满低熔点、低化学活性的液态金属（Ga、Sn），偏滤器模块连同电极与冷却管浸没在液态金属中；电极置于液态金属中央并相对模块加偏压，电极与模块之间的电流产生 j×B 力，驱动液态金属绕电极旋转；旋转速度升高时 v×B 反电动势会降低液态金属中的电流；等离面打击点处的液温升高可维持在可接受水平，极向旋转显著降低偏滤器热负荷；另一好处是能在未缓解破裂后快速恢复，并从根本上消除侵蚀问题——这是"让液态金属转起来"这条思路最早的文献提案，早于 Zap 的离心壁十一年）
  1. J. T. Holgate, L. Simons, Y. Andrew, C. K. Stavrou, JET Contributors（阿尔托大学应用物理系，芬兰埃斯波；帝国理工学院，伦敦；JET）, "Spontaneous rapid rotation and breakup of metal droplets in tokamak edge plasmas", *EPL* 127(4), 45004 (2019)，2019-10-01 出版. DOI: 10.1209/0295-5075/127/45004 （基金：H2020 Euratom 633053 / EUROfusion；高速相机观测 JET 上熔融金属颗粒解体产生的"叉状"图案——颗粒反复分裂为等大子颗粒；这种规则性只能由转速超过 10⁵ s⁻¹ 的旋转液滴的双瓣分叉解释，符合磁化等离子体中颗粒自旋的长期理论，且比此前任何在等离子体中测得的颗粒自转高至少两个数量级；作者指出自发旋转过程的验证对天体物理有广泛意义，特别是解释反常微波辐射及其对宇宙磁场的测量；将旋转加入尘埃追踪代码 DTOKS 后可复现 JET 观测；模拟显示 ITER 更高的磁场、等离子体温度与密度会增强这一断裂过程，从而保护芯部等离子体免于急性杂质沉积与随后的破裂事件）

补充：蒸发屏蔽、回路工程与锡-氢早期证据（本轮新增核实）

  1. G. G. van Eden, T. W. Morgan, D. U. B. Aussems, M. A. van den Berg, K. Bystrov, M. C. M. van de Sanden（FOM 研究所 DIFFER 荷兰基础能源研究所，埃因霍温；三方 Euregio 集群伙伴）, "Self-Regulated Plasma Heat Flux Mitigation Due to Liquid Sn Vapor Shielding", *Phys. Rev. Lett.* 116(13), 135002 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.135002 （蒸发屏蔽的原始文献：在 Pilot-PSI 上首次把稳态高通量氢或氦等离子体束与锡蒸气云的压力平衡起来，得到近液面处自调节的热流强度；液态表面温度响应与接收的加热功率脱钩（实验值在 1500–2100 °C 之间震荡），同时中性锡云中的等离子体显著冷却；入射到靶上的等离子体热流被缓解，因为热量部分由蒸气云中的体积过程耗散，而非全部靠表面效应；Mo CPS 靶内填锡、由 W 网结构固定；论文据此论证液态金属方案在聚变堆热流与粒子流处理上的价值）
  1. Z. L. Tang, G. Z. Zuo, C. L. Li, R. Maingi, X. C. Meng, W. Xu, Z. Sun, Y. Z. Qian, M. Huang, D. H. Zhang（中科院等离子体物理研究所；中科大；普林斯顿大学 PPPL；合肥综合性国家科学中心；中科院光伏与节能材料重点实验室）, D. Andruczyk（伊利诺伊大学）, K. Tritz（约翰霍普金斯大学）, X. L. Yuan, X. B. Zhang, J. S. Hu, "Lithium splashing from flowing liquid lithium limiter and its effect on high confinement plasma performance in EAST tokamak", *Nucl. Mater. Energy* 25, 100845 (2020-12). DOI: 10.1016/j.nme.2020.100845 （基金：DOE AC02-09CH11466；EAST 上第三代流动液态锂限制器（FLiLi）在 2018 年运行季的 H 模放电中成功测试；L 模与 H 模放电中均观测到液态锂溅射，机理是 j×B 电磁力驱动的瑞利-泰勒（R-T）不稳定性；溅射在低参数等离子体里降低芯部与边界电子温度，导致能量约束退化甚至 H-L 反向转换，但高参数等离子体对锂杂质的容忍度高得多；对比之下，上偏滤器熔融层因 R-T 不稳定性溅射出的钨通常会引发破裂，说明 EAST 对钨杂质的容忍度更低；限制器板倾角减小与锂污染都会加剧溅射）
  1. A. de Castro, C. Moynihan, S. Stemmley, M. Szott, D. Andruczyk, D. N. Ruzic（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）, "Exploration of Sn70Li30 alloy as possible material for flowing liquid metal plasma facing components", *Nucl. Mater. Energy* 25, 100829 (2020-12). DOI: 10.1016/j.nme.2020.100829 （首次报道 Sn70Li30 合金在 316 不锈钢、钼、钨基底上的润湿数据，润湿温度分别为 360 °C、390 °C、405 °C；合金污染/钝化会恶化润湿性，最坏情况下润湿温度升高约 130 °C；SIMS-ToF 首次给出锡-锂合金深度剖面；SEM/EDS + 三维激光显微镜研究合金-基底界面；316 不锈钢在 T < 550 °C、t ≤ 3 h 的暴露后即出现锂-铬结合与铁-锡金属间化合物混合引起的腐蚀；钼与钨在同等条件下相容性良好；摘要明确记录："有趣的是，在有些情况下，液态合金表面的失稳以突然的气体喷射形式被观察到"——这是锡起泡/气体喷射在 2020 年的独立观测）
  1. M. Ono, R. Majeski, M. A. Jaworski, Y. Hirooka, R. Kaita, T. K. Gray, R. Maingi, C. H. Skinner（普林斯顿等离子体物理实验室；ORNL；NIFS）, M. Christenson, D. N. Ruzic（伊利诺伊大学）, "Liquid lithium loop system to solve challenging technology issues for fusion power plant", *Nucl. Fusion* 57(11), 116056 (2017). DOI: 10.1088/1741-4326/aa7f41 （NSTX 上液态锂带来 H 模约束改善、H 模功率阈值降低、偏滤器峰值热流下降，同时芯部基本无锂；提出辐射式液态锂偏滤器（RLLD）与其变体主动式液态锂偏滤器（ARLLD）；1 吉瓦电功率级电站若要维持锂纯度，闭式回路循环量只需约 1 L/s；按 0.1% 重量比含尘量（0.5 g/s）计，该回路一年可带走近 16 吨粉尘；同一座堆按约 1% 燃耗效率，维持燃料循环需约 0.5 g/s 氚；结论是靠粉尘过滤、冷阱与离心分离有希望实时回收氚并维持可接受库存；实验室正在测试"表面冷阱"（SCT）方案）
  1. M. Christenson, D. Panici, C. Moynihan, J. Wendeborn, J. Anderson, D. N. Ruzic（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核等离子体与辐射工程系）, "A study on hydrogen absorption and dissolution in liquid lithium", *Nucl. Fusion* 59(2), 026011 (2019)，在线 2019-01-04. DOI: 10.1088/1741-4326/aaf587 （收稿 2018-05-03，修回 2018-11-19，接收 2018-12-03；基金：DOE DE-FG02-99ER54515；聚焦锂-氢化锂体系，液相线把溶解态的氢（α 相）与析出成氢化锂的氢（β 相）分开；在伊利诺伊大学的 TUFCON 腔室中把锂样品暴露于氢等离子体，逐次改变样品温度、施加偏压与暴露时长，每次都有 α 与 β 两相共存；所有情形下暴露期都观察到两个明显不同的吸收阶段，程序升温脱附（TPD）扫描中也观察到两个明显不同的脱附阶段；本研究测得的样品电阻率变化从凝聚相新视角验证了该行为；结论关系到未来锂壁聚变堆后端氚回收的速度）
  1. R. E. Nygren（Sandia National Laboratories，新墨西哥州阿尔伯克基）, F. L. Tabarés（CIEMAT 西班牙国家聚变实验室，马德里）, "Liquid surfaces for fusion plasma facing components—A critical review. Part I: Physics and PSI", *Nucl. Mater. Energy* 9, 6–21 (2016). DOI: 10.1016/j.nme.2016.08.008 （液态表面 PFC 的权威综述，108 篇参考文献；综述全球关于 Li、Sn-Li 与 Ga 表面如何影响等离子体边界的工作；含"快速汇总表"列出各约束装置中正在开展的研究；分节涵盖设计研究、约束装置实验、流动液态表面与 CPS 的 PSI 研究、蒸发屏蔽、再循环与插层；给出评判液态表面 PFC 成熟度的一组问题与判据；Part II（另文）覆盖技术层面，包括液态表面作为增殖包层集成第一壁、氚滞留与回收以及安全问题；基金：DOE SAND-2017-13645J AC04-94AL85000）

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*本文所有文献的卷、期、页码、文章号与 DOI 均经逐条核实，作者姓名、署名顺序与所属机构均按原文核对；引用作者机构时采用该论文发表时的署名单位，不回溯其现职。文中标注为预印本、学位论文或公司技术说明的来源已明确标注，不作为同行评审结论引用。*

*本轮核实中修正的错误与易混淆点：① Rindt 等 2019《核聚变》59(5) 056003 的正确 DOI 是 10.1088/1741-4326/ab0560，网上流传的 ab0769 有误；② Ou 等 2020《核聚变》60(2) 026008 的正确 DOI 是 10.1088/1741-4326/ab5cd4（ab5e35 有误），且一作是 W. Ou 而非 R. S. Al；③ Morgan 等 PPCF 60(1) 014025 的年份应为 2018，常被误标为 2017；④ Century 论文的正式卷期为《聚变科学与技术》82(1–2), 32–44 (2026)，在线 2025-09-08，属 TOFE 2024 特刊；⑤ Giovacchini 等《磁流体力学》61(1–2) 的页码为 119–128；⑥ Zap Energy 总部在华盛顿州埃弗雷特，论文标注机构为西雅图；⑦ EPL 127, 45004 (2019) 的作者为 J. T. Holgate、L. Simons、Y. Andrew、C. K. Stavrou 与 JET Contributors（阿尔托大学应用物理系 + 帝国理工学院）；⑧ Hassanein & Konkashbaev 2001 文署阿贡国家实验室，源于 2000 年罗森海姆第 14 届 PSI 会议；⑨ "氢在锡中起泡"的早期实验证据应追溯到 Manhard 等 2020（IPP 加兴）与 de Castro 等 2020（UIUC），而非始于 2023–2025 年。*