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让偏滤器自己长回来：液态金属偏滤器的设计与优化

2026-09-13

物理深度研究 · 核聚变工程 / 液态金属偏滤器 LMD / 毛细多孔系统 CPS / 锂·锡·锂锡合金 / 蒸汽屏蔽与锂蒸气盒

一、为什么有人想把偏滤器变成一汪水

托卡马克的偏滤器是整个装置最累的零件。上亿度的等离子体从芯部顺着磁力线滑下来，能量集中在几厘米宽的窄带上，偏滤器靶板要常年顶住每平方米十几兆瓦的热流——ITER 钨单块的验收指标是稳态 10 兆瓦每平方米、慢瞬态 20 兆瓦每平方米。这已经是材料和工程咬着牙才能做到的水平。

更麻烦的是它还是个耗材。钨不是不烧，只是烧得慢。中子天天轰，晶格被打坏，导热一年不如一年；ELM 和破裂一来，表面熔化、开裂、起粉尘。EU-DEMO 的设计估算里，固态钨偏滤器大约每 1.5 个满功率运行年就得整体换一次。一台电站的寿命几十年，意味着换偏滤器的日子比正常运行的日子还多。

1992 年，莫斯科 TRINITI 的米尔诺夫（S.V. Mirnov）和同事在《核材料杂志》上写过一篇短文，标题就叫"液态金属托卡马克偏滤器"（J. Nucl. Mater. 196, 45）。他的想法很直接：固体会坏，液体不会。液体表面被打伤了会自己流平；烧掉一层，底下的补上来；中子打不坏液体，因为液体本来就没有晶格；而且液体可以直接接触冷却剂，把热量带走的路径最短。这篇文章常被当作液态金属偏滤器（LMD，Liquid Metal Divertor）这个概念的起点——其实更早，1970 年代威斯康星的 UWMAK 聚变电站概念图里就画过流动的锂板，米尔诺夫自己在文章里也承认这一点。

想法简单，麻烦一堆。液体是流动的，强磁场里的电流会把它甩出去；蒸发出来的金属原子会污染芯部等离子体；锂还特别能存氚，还怕水。三十多年下来，这个领域就是在跟这三件事死磕。这篇文章把最新的进展——尤其是"设计优化"这条线——按最新文献一条条捋清楚。

二、起点在莫斯科郊外：镓幕帘和毛细海绵

最早的实战是镓。T-3M 托卡马克上，TRINITI 团队试过"镓幕帘"限制器：让一滴一滴的液态镓往下落，穿过等离子体边缘，像一挂珠帘挡住热流。选镓有讲究——熔点 30 摄氏度，沸点 2400 摄氏度，从固态到气态的窗口极宽，而且镓不怕水，跟水冷系统天然兼容。锂的两个死穴（熔点沸点太近、遇水爆炸）它全没有。

但自由流动的液体在强磁场里待不住。等离子体电流在液面里感应出电流，电流乘上磁场就是洛伦兹力，会把液膜整片掀起、撕成液滴甩进芯部。解法在 1990 年代由米尔诺夫和莫斯科"红星"科学生产企业的叶夫季欣（V.A. Evtikhin）合作提出：把液体藏进一种叫毛细多孔系统（CPS，Capillary Porous System）的结构里——一层像海绵一样的多孔金属网，孔里灌满液态金属，靠毛细力把液体"按"在原地。表面烧掉多少，毛细作用自动从底下补多少，这就是所谓"自愈"。这个概念在 T-11M 托卡马克上用锂做成了轨道式限制器，2006 年两人合作发表了完整的总结（Fusion Eng. Des. 81, 113-119）。

这里有个常见的张冠李戴要纠正：CPS 经常被说成是圣彼得堡 Efremov 研究所的作品，不对。T-11M 时代 CPS 的研发主体是莫斯科的"红星"企业（JSC Red Star）——叶夫季欣、韦尔特科夫（A. Vertkov）这个团队——TRINITI 负责托卡马克实验。后来欧洲 COMPASS 的 LMD 模块、FTU 的锡限制器，供应 CPS 的也都是这个红星团队。

米尔诺夫那代人还看出了一个更妙的东西：锂对等离子体不是污染，是补品。锂是 Z=3 的轻元素，辐射很轻；它把边界的氢再循环压下去，等离子体约束反而变好。T-11M、FTU、CDX-U 几家一起看到了"锂屏"现象——锂进不了热芯，只在边界形成一层非日冕辐射毯，把热流摊薄。2009 年米尔诺夫在《核材料杂志》的综述（390-391 卷，876-885 页）把这条线讲透了。这也是后来 NSTX、EAST 全力押注锂墙的理论根基。

三、选材是个跷跷板：锂、锡、锂锡合金

液态金属偏滤器最核心的一个决定是选哪种金属。候选人的名单不长，而且每个人的长处恰恰是别人的短处，摆在一起像一副跷跷板：

``候选 熔点 对等离子体 对工程---------------------------------------------------------------锂 Li 180°C 极友好：辐射轻(Z=3) 氚滞留严重；遇水爆炸；吸氢降再循环、 450°C 以上蒸发失控提升约束(实测)锡 Sn 232°C 不友好：Z=50 辐射强 蒸气压低，1300°C 前芯部浓度上限 ~10^-3 行为可控；氚滞留低Li-Sn合金 ~300°C 两者折中 两者也折中镓 Ga 30°C Z=31，辐射不轻 沸点高、不怕水；腐蚀结构材料---------------------------------------------------------------``

锂这条线最诱人也最麻烦。诱人是 NSTX 和 EAST 反复验证过：锂化壁面让 H 模更好进、约束更好、偏滤器热流降一半。麻烦是三件工程上的事：氚会溶在锂里不出来，一 GW 电站的锂回路里存氚是安全审批的大问题；锂遇水剧烈反应，跟水冷偏滤器天生相克；450 摄氏度以上蒸发量猛增，锂原子飘进芯部又会被电离辐射——好在辐射轻，可锂的再生与除杂又成了新系统。2021 年 Rindt 的 EU-DEMO 概念设计把话说死了：锂在 DEMO 的氚滞留"不可接受"，所以欧洲堆级设计选了锡。

锡反过来。它的蒸气压比锂低几个数量级，1300 摄氏度以下蒸发可以忽略，这对热排是好消息；氚也几乎不溶。代价是 Z=50：一两个锡原子进芯部，辐射损失就能看见。FTU 给出过一条很有用的经验线：锡面温度 1300 摄氏度以下，主要损失机制是溅射，锡进芯的量可以忽略；1300 摄氏度以上蒸发接管，锡成为主要杂质——但即便如此，等离子体也没崩（详见下节）。所以锡路线的生死题不是蒸发，而是别的东西——液滴，这是后文的主角。

锂锡合金想把两头的好处各占一点。COMPASS 2019 年的偏滤器实验用了 73% 锡的 LiSn 合金，结果表面温度冲到 900 摄氏度时释放出的主要还是锂原子——合金里的锂跑到表面去"挡枪"，这个自选择行为本身就是一个有用的物理发现。

四、CPS 设计优化：一块 3D 打印的钨海绵

把材料定了，剩下的全是设计题：海绵多厚、孔多大、怎么冷却、怎么补液。这是过去五年这条领域里最实打实的进展。

第一块拼图是欧洲的堆级概念设计。 2021 年，埃因霍温理工（TU/e）的 Rindt 和范登艾恩登（J.L. van den Eijnden）在 Morgan、洛斯卡多佐（N.J. Lopes Cardozo）指导下，与 EUROfusion 电厂物理与技术团队一起，发表了 EU-DEMO 液态锡偏滤器的完整概念设计（Fusion Eng. Des. 173, 112812）。结构是三明治：外方内圆的水冷铜合金管，外面加一层防腐蚀阻挡层，最外面是 3D 打印的多孔钨装甲，孔隙里灌锡。他们用热-力学有限元扫了一遍"装甲厚度"这个最要命的旋钮，结果是一副标准的跷跷板：

``装甲 1.9 mm + CuCrZr 管芯 稳态 26.5 MW/m²（含1.4安全系数后 18.9）装甲 3.0 mm 慢瞬态 80+ MW/m²（靠蒸汽屏蔽）但稳态掉回 18 MW/m²``

道理不难懂：装甲厚一点，液面离冷却水远一点，蒸汽云有时间在液面上方形成"气垫"，扛瞬态的本事变强；但热量穿过厚装甲的路径变长，稳态排热能力反而变差。相比之下，固态钨单块的设计指标是稳态 10、瞬态 20 兆瓦每平方米——锡 CPS 设计在同一个架构上把两个数都翻上去了。Coenen 等人 2014 年就在《物理学报》上估过，Sn/W 组件有望做到 25 兆瓦每平方米，Rindt 的设计把这个估算落成了可施工的图纸。

第二块拼图是制造。 传统的 CPS 是把钨毡条或钼丝网卷在金属管上——FTU 的锡限制器就是钼管外绕钨毡条；NSTX 的液锂偏滤器是钼粉烧结的多孔面，孔隙率 45%。2023 年，还是 Scholte（TU/e 与 DIFFER），用选区激光熔化直接打了一块 1.5 毫米厚的多孔钨，焊在实心钨基座上，做成 16×40 毫米的液态锡模块，在 IPP 加兴的 GLADIS 高热流装置上先烤了 2 到 8 兆瓦每平方米、最长 10 秒——机械完整，锡没漏光， qualifies for AUG（NME 37, 101528）。增材制造第一次让孔隙形状可以设计，这是对"孔几何失控"这个 CPS 老毛病的正面回应。同一年，西班牙 CIEMAT 的 Fernandez-Mayo、Oyarzabal 和 Fernandez-Berceruelo 在自家的 OLMAT 高热流装置上做了系统的参数化研究（Fusion Eng. Des. 220, 115372, 2025），把孔隙率、饱和度、孔径对表面温升的影响逐一标定，有限元模型跟实验对上了——这是给未来的设计优化程序打的地基。

第三块拼图是稳定性的物理账。 液面到底能不能被电流掀翻？普林斯顿的 Jaworski、Khodak 和 Kaita 2013 年在《等离子体物理与受控聚变》上算了 NSTX 液锂偏滤器的账：表面电流峰值超过每平方米 10 万安培，比经典理论的安全线高一个量级，但实测一滴都没甩出来——瑞利-泰勒不稳定性分析给出的解释是毛细力和黏滞力把扰动摁住了。这篇文章等于给 CPS 的稳定性补了一次"体检合格"。但它的结尾也埋了一句狠话：就算用上最先进的冷却，偏滤器热流下液面温度还是会冲到 700 摄氏度以上，那时候蒸发就不是 bug，而是这个系统运行的主模式——你只能接受它、设计它，而不是躲开它。这句话是下一节的主题。

五、让金属流动起来：LiMIT 与 FLiLi

CPS 是"存"，另一条路线是"流"——让液态金属自己跑起来，把热量带走、把杂质带走。

伊利诺伊大学的 LiMIT（锂金属填充沟槽） 是最有性格的一个方案。Ruzic 团队的巧思是不用泵：把钨片上开出一条条毫米级的小槽，灌上锂，槽的方向垂直于环向磁场。等离子体一烤，锂和钨之间因塞贝克系数不同产生热电电流，电流在磁场里受洛伦兹力——热得越凶，流得越快。热电 MHD 自驱动，靠物理定律当泵。2012 年 10 月，这套装置装上了合肥的 HT-7 托卡马克，在 IAEA 聚变能大会上报告了流动锂限制器在真实托卡马克上的首次运行——这是全世界第一次。实验室测量里自驱动流速 0.22 米每秒；徐文钰（Wenyu Xu）、Curreli 和 Ruzic 2014 年在《聚变工程与设计》上发表了完整的数值研究（89 卷，2868-2874 页），算出两个实用的标度：流速随磁场先升后降，峰值在 1 特斯拉以下，之后按反比走；流速跟热流的平方根成正比。代价也标出来了——要扛住 10 兆瓦每平方米，底下冷却通道的换热系数得做到每平方米每开 4000 瓦以上，这比常规水冷苛刻得多。伊利诺伊还有两台配套的实验台架：电子束加热的 SLiDE 和等离子体炮 DEVeX，一个量流动、一个量蒸发屏蔽。

中国科学技术大学与 ASIPP 的 FLiLi（流动液态锂限制器） 走的是电磁泵路线。2016 年胡建生、左桂忠团队在《核聚变》上报告（56 卷，046011 篇）：一台利用 EAST 自身环向磁场工作的插体式电磁泵，驱动厚度不到 0.1 毫米、流量约每秒 2 立方厘米的锂膜，在整个 H 模等离子体期间稳定运行——这是流动锂在长脉冲高约束等离子体里的首次系统演示。它同时干了三件事：压低再循环、降低杂质、给偏滤器减热流。

流动解决的是 CPS 路线的一个隐藏死穴。NSTX 的液锂偏滤器干到 2010 年战役结束，结论里有一条最扎心：锂的性能取决于表面纯度，而碳和氧会在液面上一层一层积——等离子体说到底是在跟"被污染的锂"打交道，不是跟锂打交道。静态的液面救不了这个，只有流动、过滤、在线提纯才能。Ono 等人 2017 年在《核聚变》上把账算到了堆级（57 卷，116056 篇）：一座百万千瓦级电站，一个每秒 1 升的闭合锂回路就够维持纯度，顺路用冷阱把氚实时回收——约每秒 0.5 克的回收速率能覆盖燃烧消耗。同年他们在《聚变工程与设计》上给出了这套"辐射式液锂偏滤器 + 闭合回路"的工程设计框架（117 卷，124-129 页）。TRINITI 那边也没停：T-11M 上已经在测锂的蒸发-冷凝闭合回路组件，2024 年 ISLA-8 会议上 Prishvitsyn 报告了最新状态。

六、蒸发：敌人还是救兵

上一节结尾的问题现在可以正面回答了。蒸发在这个系统里是个双面角色。

先说它是敌人的证据。 FTU 的锡限制器是全世界第一个在托卡马克上运行液态锡 PFC 的装置。2019 年马齐泰利（G. Mazzitelli）和 ENEA 弗拉斯卡蒂团队发表完整结果（Nucl. Fusion 59, 096004）：热流顶过 18 兆瓦每平方米，液面最热处冲到 1700 摄氏度，锡蒸发凶猛——但等离子体没崩，芯部锡浓度只到电子密度的 5×10⁻⁴，性能没有退化。同期他们还测了主动水冷的锂限制器（Apruzzese 等，Fusion Eng. Des. 117, 145-149, 2017），把蒸发跟表面温度的对应关系标得很细。这些结果说明：蒸发本身可控，设计窗口存在。

再说它是救兵的一面。 蒸汽屏蔽是液态金属理论上最大的红利：蒸发出来的原子在液面上方形成一层气垫，入射的等离子体能量先被这层云吸收、再辐射掉，固态表面反而受保护。蒸汽屏蔽的辐射流体理论框架是 UCSD 的克拉申尼尼科夫（S.I. Krasheninnikov）建立的（与 Marenkov 合作，J. Nucl. Mater. 463, 869-872, 2015）。COMPASS 的实验给它画了一条清晰的门槛：纯锂要超过 750 摄氏度，蒸发量才够把入射氘热流全部辐射掉；而 COMPASS 实验里模块最热只有 450 摄氏度，所以确实没看到屏蔽。距离不算远——设计得好，这条线够得着。

但蒸发有一个现代版本的升级用法：锂蒸气盒。 蒸汽屏蔽有个老毛病——蒸发的锂会飘进主等离子体。PPPL 的戈德斯通（R.J. Goldston）团队 2016 年提出了一个聪明的几何解（Phys. Scr. T167, 014017）：把锂蒸气关在一串温度逐级递增的盒子里，盒与盒之间靠差分抽气隔开。锂蒸气是可凝结的，这是它比普通气体高明的地方——热盒子里的锂蒸气一飘进冷盒子就凝结在壁上，出不去。等离子体扎进蒸气云越深，吸收的锂越多、辐射越强，脱靶就越稳，这是个自带负反馈的脱靶镇定器。团队在 2017 年用 DSMC 直接模拟蒙特卡洛方法把蒸气输运算了一遍（Nucl. Mater. Energy 12, 1118），2018 年又造了相似实验装置做地面验证（Rev. Sci. Instrum. 89, 10J113）。PPPL 的新一代装置 NSTX-U 将在 2026 年初上马一个"液态金属芯-边界"（LMCE）实验平台，蒸气盒是四个候选方案之首——这是这个概念第一次有机会在偏滤器位形的托卡马克里接受检验。

而 ASDEX Upgrade 在 2023 年给所有人泼了一盆有价值的冷水。 那一年，锡 CPS 模块第一次被送进偏滤器等离子体——注意是偏滤器位形，不是限制器位形，这在全球是第一次（设计见 NME 37, 101528；实验见 NME 37, 101522）。九炮，外打击点压在预热过的锡模块上，每炮 2 到 3.4 秒。结果三连：锡从模块边缘宏观泄漏；实测锡损失比 HeatLMD 程序的预测高一个数量级；芯部总辐射多了 1.5 兆瓦，STRAHL 杂质输运程序反推出芯部锡浓度 1.4×10⁻⁴。而模块只占外偏滤器周长的 1/650——外推到全环向，超过可接受上限两个数量级。布拉格团队（Cecrdle 等，Fusion Eng. Des. 2023, 113886）的建模确认：预测里蒸汽冷却只有每平方米 5 千瓦，蒸发可以排除，多出来的损失来自溅射和液滴。哪里来的液滴？答案在下一节。

七、香槟效应：压不死的气泡

2025 年 3 月，Scholte 团队在《聚变能杂志》发表了那篇把锡路线按在解剖台上的论文（J. Fusion Energy 44, 22）。问题指向一个此前被普遍低估的机制：氢在液态锡里的溶解度是有限的，等离子体的氢和原子团不断溶进去，饱和之后就会像开了瓶的香槟——气泡成核、长大、破裂，破裂的瞬间把液态金属喷成液滴。他们在 nano-PSI 线性装置上用高速阴影摄影证实了这套图像，还顺手把镓、铟、铅、铋、钠、钾全都测了一遍：凡是跟氢不发生化学反应的液态金属，全会喷。只有锂例外——锂跟氢反应生成稳定的氢化物，所以它天生免疫。自由基本身就足以驱动这个过程，不需要等离子体离子；把温度提到某个临界值以上能压制液滴，但按聚变堆的实际工况算，液滴的产量"高度难以避免"。论文的最后一句原文说得很直白：既然液滴无法避免，"用锡做液态金属等离子面向材料的路线需要重新审视"。

这一下把前十年里几件看似孤立的事串成了一条线：ASDEX Upgrade 那个高出预测一个量级的锡损失、飞到一米半外的锡痕、FTU 时代观察到的异常溅射——很可能都是同一个气泡机制。缩小孔径、换 CPS 结构，能把液滴压低，压不到零。

值得强调的是，这条坏消息的价值不在唱衰，而在指路。它第一次把"液态金属偏滤器的优化目标"从一个模糊的"扛热流"变成了一个非常具体的工程指标：液滴生成率要降两个数量级（ASDEX Upgrade 实验的外推结论）。路线也清楚了几条——锂及锂合金天生躲开氢鼓泡；换蒸气压更合适的组合；或者在几何上把液滴与芯部隔离。聚变材料研究里，一篇论文能把"不能怎么干"钉得这么死的不多，这篇算一个。

八、托卡马克实测战绩单

把全球在真托卡马克里跑过的液态金属实验排成一张表，能看清这条线的密度和节奏：

``装置 年代 金属 形式 热流/结果------------------------------------------------------------------T-3M 1980s- 镓 滴帘/膜流 首次液态金属 PFC 实验T-11M 1990s- 锂 CPS 轨道限制器 CPS 概念验证CDX-U 1990s 锂 自由液面环形 锂屏效应限制器FTU 2006- 锂/锡 CPS 限制器 Li <10，Sn >18 MW/m²；全球首个液态锡 PFCNSTX 2010 锂 液锂偏滤器LLD 5 MW/m²；100 kA/m²电流下零喷溅HT-7 2012 锂 LiMIT 流动 流动锂首次上托卡马克EAST 2014- 锂 FLiLi 流动 H 模兼容，减再循环COMPASS 2019 锂/ CPS 偏滤器模块 12 MW/m² + ELM 15 kJ/m²，LiSn 全球首次 ELM H 模下偏滤器位形 LMD 实验AUG 2023 锡 CPS 偏滤器模块 液滴问题实锤------------------------------------------------------------------``

三个规律藏在表里。第一，限制器时代（FTU、T-11M）的结论不能直接搬到偏滤器时代——偏滤器的几何、打击点、ELM 环境全不一样，COMPASS 和 AUG 才是真正意义上的"LMD 偏滤器实验"，而且只有两场。第二，锂的实战记录最厚，锡只有 FTU 限制器和 AUG 偏滤器两点。第三，所有实验都是小模块、短脉冲，主动冷却加全环向的积分演示至今是空白——这是全领域公认的最大欠账。

九、下一步：NSTX-U 的四件套与欧洲的算盘

液态金属偏滤器有一个天然尴尬：ITER 测不了。ITER 偏滤器已经定型为固态钨，任何液态方案都不可能在 ITER 里验证。所以这个领域的全部指望在中小装置和堆级设计研究里。

美国这边，普林斯顿的 NSTX-U 正在建 LMCE——液态金属芯-边界平台，按 ISLA-8 会议报告（2025 年 4 月《核聚变》65 卷 047001 篇）的口径，计划 2026 年初开始运行，一次放四个候选方案同台：蒸气盒、带流动的 CPS（CPSF）、液滴阵列（Divertorlets）、锂填充沟槽（LiMIT）。一台装置同时考四种卷子，这种做法在 LMD 历史上没有过。

欧洲这边，策略文件是 2021 年 Zohm（IPP 加兴）领衔的《EU 解决 DEMO 排热问题的策略》（Fusion Eng. Des. 166, 112307）：常规路线是 ITER 式脱靶单零点偏滤器，风险对冲押三张牌——非常规磁位形、液态金属靶、本质无 ELM 场景。液态牌具体就是灌锡的毛细网。分工上，FTU 计划演示"带冷却与补给的稳态 CPS 运行"——那是全世界最接近积分演示的一步；结果喂给意大利的 DTT 装置做偏滤器测试。捷克 IPP 布拉格的新装置 COMPASS-U（5 特斯拉、2 兆安）把液态金属偏滤器直接写进了设计目标（Komm 等，Nucl. Fusion 64, 2024），HeatLMD 程序已经提前算了一轮 COMPASS-U 液态偏滤器的杂质外流标度（Horáček 等，Nucl. Fusion, 2025）。

中国这边要把两件事分开说。第一件，堆级设计：CFETR 的工程设计（宋云涛等，Fusion Eng. Des. 183, 113247, 2022）里偏滤器仍是钨方案——液态金属在中国是材料与边界的储备研究，不是堆设计基线，网上流传的"BEST/CFETR 用液态金属偏滤器"没有论文依据。第二件，实验体系：EAST 的锂涂层和 FLiLi 是全世界运行时间最长、积累最厚的锂墙数据；2024 年 9 月，ISLA 系列会议（液态金属聚变应用国际研讨会）第八届由合肥等离子体所主办，十国七十多人参会——这个系列最早是日本 NIFS 的广冈俊彦（Y. Hirooka，现中部大学）发起的，综述传统也在他 2015 年那篇 FST 论文里。ISLA-8 报告里还有一条容易被忽略的干货：EAST 团队把十种结构材料跟液锂的化学兼容性排了序——钨最好，铜最差（会生成 CuLi 金属间化合物）——这张排序表对任何做液态锂回路的人都是直接的设计输入。

十、五个没解开的结

一，液滴。 锡路线的生死题。两个数量级的削减要求目前没有任何方案敢打包票；氢鼓泡机制又是热力学级别的，压不根除。2025-2026 年 NSTX-U 的 LMCE 会给出第一批偏滤器位形下的定量数据。

二，氚。 锂路线的死穴，锡路线的卖点。但"氚滞留低"不等于"氚问题不存在"——液态锡里的氚行为、锡的净化与再生，文献反而比锂稀。跷跷板的支点还没找到让两边同时落地的位置。

三，积分演示。 全环向、主动冷却、稳态、带流动与净化——这四样同时做出来的装置还不存在。FTU 的稳态 CPS 计划是最接近的候选。

四，杂质预算。 芯部锡浓度的可接受上限约 10⁻³，FTU 实测 5×10⁻⁴（限制器、单模块），AUG 实测 1.4×10⁻⁴（偏滤器、1/650 周长）但外推超限——模型没算到液滴。杂质的产生-输运-控制链条需要重建，液滴这一环是新加的。

五，回路工程。 闭合锂回路听起来只是个化工问题，但锂-水反应、锂-空气反应、氚实时回收（每秒 0.5 克量级）、杂质在线清除、电磁泵在强磁场里的行为——每一项都有人在做，没有任何人把它们拼成过一台机器。

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这场持续三十年的研究有一个贯穿始终的判断题：你愿意让偏滤器的表面是死的还是活的。死表面（钨）可预测、可批准、可更换，但寿命短、怕瞬态；活表面（液体）自愈、可再生、不怕中子，但会流动、会蒸发、会喷液滴、会藏氚。2023 到 2026 这几年，两边各吃了一记重拳——钨这边是 DEMO 维护周期的账越算越难看，液态这边是锡的液滴问题实锤——但液态侧第一次有了堆级的对手盘：欧洲选锡进了风险对冲，美国四概念同台上机，中国握着最长的锂墙数据。ITER 测不了这条路线，所以谁能把中小装置上的实验密度做起来，谁就掌握着定义下一代偏滤器的话语权。

参考文献

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  7. M.A. Jaworski, T. Abrams, J.P. Allain, et al., "Liquid lithium divertor characteristics and plasma-material interactions in NSTX high-performance plasmas", *Nuclear Fusion* 53, 083032 (2013). DOI: 10.1088/0029-5515/53/8/083032（PPPL 主导，多机构合作）
  8. M. Ono, R. Majeski, M.A. Jaworski, Y. Hirooka, R. Kaita, T.K. Gray, R. Maingi, C.H. Skinner, M. Christenson, D.N. Ruzic, "Liquid lithium loop system to solve challenging technology issues for fusion power plant", *Nuclear Fusion* 57, 116056 (2017). DOI: 10.1088/1741-4326/aa7f41（PPPL、NIFS、ORNL、UIUC）
  9. M. Ono, M.A. Jaworski, R. Kaita, Y. Hirooka, T.K. Gray, "Liquid lithium applications for solving challenging fusion reactor issues and NSTX-U contributions", *Fusion Engineering and Design* 117, 124-129 (2017). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2016.06.060（PPPL、NIFS、ORNL）
  10. G. Mazzitelli, M.L. Apicella, M. Iafrati, G. Apruzzese, F. Bombarda, F. Crescenzi, L. Gabellieri, A. Mancini, M. Marinucci, A. Romano, FTU Team, "Experiments on the Frascati Tokamak Upgrade with a liquid tin limiter", *Nuclear Fusion* 59, 096004 (2019). DOI: 10.1088/1741-4326/ab1d70（ENEA 弗拉斯卡蒂，聚变与核安全部）
  11. G.M. Apruzzese, M.L. Apicella, G. Maddaluno, G. Mazzitelli, B. Viola, "Spectroscopic measurements of lithium influx from an actively water-cooled liquid lithium limiter on FTU", *Fusion Engineering and Design* 117, 145-149 (2017). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2016.06.043（ENEA Frascati）
  12. R. Dejarnac, J. Horacek, M. Hron, et al., "Overview of power exhaust experiments in the COMPASS divertor with liquid metals", *Nuclear Materials and Energy* 25 (2020)（IPP 布拉格捷克科学院等离子体物理所，CPS 模块由 JSC Red Star 供应）
  13. J. Horáček, R. Dejarnac, J. Cecrdle, D. Tskhakaya, A. Vertkov, et al., "Modeling of COMPASS tokamak divertor liquid metal experiments", *Nuclear Materials and Energy* 25 (2020)（IPP 布拉格；JSC Red Star）
  14. J. Cecrdle, J.G.A. Scholte, J. Horacek, T.W. Morgan, K. Krieger, H. Greuner, B. Böswirth, A. Manhard, D. Tskhakaya, M. Faitsch, ASDEX Upgrade Team, "Predictive and interpretative modelling of ASDEX-Upgrade liquid metal divertor experiment", *Fusion Engineering and Design* (2023). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113886（IPP 布拉格、根特大学、TU/e、DIFFER、IPP 加兴）
  15. J.G.A. Scholte, M. Balden, B. Böswirth, S. Elgeti, H. Greuner, A. Herrmann, K. Hunger, K. Krieger, P. Leitenstern, A. Manhard, R. Neu, R.C. van Schaik, V. Rohde, I. Zammuto, T.W. Morgan, "Design and GLADIS testing of a liquid tin divertor module prior to exposure in ASDEX Upgrade", *Nuclear Materials and Energy* 37, 101528 (2023). DOI: 10.1016/j.nme.2023.101528（TU/e、DIFFER、IPP 加兴）
  16. J.G.A. Scholte, M. Balden, D. Brida, J. Cecrdle, R. Dux, S. Elgeti, M. Faitsch, A. Herrmann, J. Horáček, T.W. Morgan, K. Hunger, K. Krieger, A. Manhard, P. de Marne, V. Rohde, ASDEX Upgrade Team, "Performance of a liquid Sn divertor target during ASDEX Upgrade L-mode and H-mode operation", *Nuclear Materials and Energy* 37, 101522 (2023). DOI: 10.1016/j.nme.2023.101522（TU/e、DIFFER、IPP 加兴、IPP 布拉格）
  17. J.G.A. Scholte, R.S. Al, D. Horsely, A. Manhard, E. Martelli, M. Morbey, S. Roccella, J.W.M. Vernimmen, T.W. Morgan, "Liquid Metal Droplet Ejection Through Bubble Formation Under Hydrogen Plasma and Radical Exposure", *Journal of Fusion Energy* 44(1), 22 (2025). DOI: 10.1007/s10894-025-00492-5（TU/e、DIFFER、IPP 加兴、ENEA）
  18. P. Rindt, J.L. van den Eijnden, T.W. Morgan, N.J. Lopes Cardozo, "Conceptual design of a liquid-metal divertor for the European DEMO", *Fusion Engineering and Design* 173, 112812 (2021). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112812（TU/e 科技核聚变系；EUROfusion PPPT 合作）
  19. H. Zohm, F. Militello, T.W. Morgan, W. Morris, H. Reimerdes, M. Siccinio, "The EU strategy for solving the DEMO exhaust problem", *Fusion Engineering and Design* 166, 112307 (2021). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112307（IPP 加兴、CCFE、DIFFER、EPFL 瑞士等离子体中心、EUROfusion PPPT）
  20. P. Fernandez-Mayo, E. Oyarzabal, I. Fernandez-Berceruelo, "Parametric study of the thermal response of liquid tin-tungsten capillary porous systems exposed to high thermal loads", *Fusion Engineering and Design* 220, 115372 (2025). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2025.115372（CIEMAT，马德里）
  21. D.N. Ruzic, D. Andruczyk, W. Xu, "Lithium-Metal Infused Trenches: A New Way to Remove Divertor Heat Flux", IAEA FEC 2012 会议报告（IAEA-CN-197），圣迭戈（UIUC 等离子体-材料交互中心 CPMI；HT-7 演示）
  22. W. Xu, D. Curreli, D.N. Ruzic, "Computational studies of thermoelectric MHD driven liquid lithium flow in metal trenches", *Fusion Engineering and Design* 89, 2868-2874 (2014)（UIUC 核等离子体与辐射工程系）
  23. 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, et al., "First results of the use of a continuously flowing lithium limiter in high performance discharges in the EAST device", *Nuclear Fusion* 56(4), 046011 (2016). DOI: 10.1088/0029-5515/56/4/046011（中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、PPPL、LiWallFusion）
  24. G.Z. Zuo, J.S. Hu, J.G. Li, Z. Sun, D.K. Mansfield, L.E. Zakharov, "Lithium coating for H-mode and high performance plasmas on EAST in ASIPP", *Journal of Nuclear Materials* 438, S90-S95 (2013). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.014（等离子体所、PPPL）
  25. J.S. Hu, L. Li, G.Z. Zuo, Z. Sun, W. Xu, X.C. Meng, C.L. Li, Z.L. Tang, J.Z. Sun, "A review of lithium application for the plasma-facing material in EAST tokamak", *Reviews of Modern Plasma Physics* 7 (2023). DOI: 10.1007/s41614-023-00114-7（等离子体所）
  26. R.J. Goldston, R. Myers, J.A. Schwartz, "The lithium vapor box divertor", *Physica Scripta* T167, 014017 (2016). DOI: 10.1088/0031-8949/t167/1/014017（PPPL）
  27. R. Goldston, A. Hakim, G. Hammett, M. Jaworski, J. Schwartz, "Towards the lithium vapor box divertor", *Nuclear Materials and Energy* 12, 1118 (2017). DOI: 10.1016/j.nme.2017.03.020（PPPL）
  28. J.A. Schwartz, E.D. Emdee, M.A. Jaworski, R.J. Goldston, "Design and measurement methods for a lithium vapor box similarity experiment", *Review of Scientific Instruments* 89, 10J113 (2018). DOI: 10.1063/1.5039406（PPPL）
  29. S.I. Krasheninnikov, E.D. Marenkov, "On ablation of large Tungsten dust grains in edge plasma of fusion devices", *Journal of Nuclear Materials* 463, 869-872 (2015). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.10.077（UCSD；耗散型蒸汽屏蔽模型的代表作之一，其 IAEA 会议报告中将液面屏蔽归入此类）
  30. E.D. Marenkov, A.S. Kukushkin, A.A. Pshenov, "Modeling the vapor shielding of a liquid lithium divertor target using SOLPS 4.3 code", *Nuclear Fusion* 61, 034001 (2020)（Krasheninnikov 合作团队；另见 E.D. Marenkov, A.A. Pshenov, *Nuclear Fusion* 60, 026011, 2019）
  31. J.S. Hu, D.H. Zhang, G.Z. Zuo, Y. Hirooka, T.W. Morgan, Y. Gasparyan, Z.B. Ye, J.C. Yang, M. Shimada, J. Horacek, Z. Sun, X.J. Zhang, S.L. Liu, "Conference Report on the 8th International Symposium on Liquid Metals Applications for Fusion (ISLA-8)", *Nuclear Fusion* 65(4), 047001 (2025). DOI: 10.1088/1741-4326/adc144（ASIPP 主办，2024-09-08 至 12，合肥）
  32. M. Komm, F. Jaulmes, O. Grover, et al., "COMPASS Upgrade: a high-field tokamak for ITER- and DEMO-relevant research", *Nuclear Fusion* 64 (2024). DOI: 10.1088/1741-4326/ad4569（IPP 布拉格）
  33. J. Horacek, S. Lukes, F. Jaulmes, J. Cecrdle, D. Tskhakaya, M. Komm, "Scaling of HeatLMD-simulated impurity outflux from COMPASS-U liquid metal divertor", *Nuclear Fusion* (2025). DOI: 10.1088/1741-4326/ad8d67（IPP 布拉格）
  34. Y. Song, J. Li, Y. Wan, et al., "Engineering design of the CFETR machine", *Fusion Engineering and Design* 183, 113247 (2022). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2022.113247（等离子体所、SWIP、中国科学技术大学等）
  35. X. Peng, M. Ye, Y. Song, X. Mao, P. Chen, X. Qian, "Engineering conceptual design of CFETR divertor", *Fusion Engineering and Design* 98-99, 1380-1383 (2015). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.01.017（等离子体所、中国科学技术大学核科学技术学院）
  36. H. Reimerdes, L. Aho-Mantila, R. Albanese, et al., "EUROfusion Assessment of Alternative Divertor Solutions for DEMO", 第 1 届 IAEA 偏滤器概念技术会议报告（2018，IAEA 聚变门户存档）（EPFL 瑞士等离子体中心牵头，24 家欧洲机构联署）

核实与纠错记录

写作过程中核对了以下常见误记，全部以期刊原文页、官方机构页面或会议正式报告为据：

  1. CPS（毛细多孔系统）概念的归属是莫斯科 JSC Red Star（红星企业）的 Evtikhin、Vertkov 团队与 TRINITI 合作，不是圣彼得堡 Efremov 研究所。2006 年 FED 81 卷论文里 Evtikhin 的署名单位就是 State Enterprise "Red Star"；后来 COMPASS 与 FTU 的 CPS 模块也由红星供应。
  2. 液态金属偏滤器概念的论文起点是 Mirnov 1992（JNM 196, 45），但更早的 UWMAK 概念（1970 年代）已画过流动锂偏滤器——Mirnov 原文明说，引用时别把"首创"扣给谁。
  3. EU-DEMO 锡 CPS 设计的一作 P. Rindt 属埃因霍温理工大学（TU/e），不是 LLNL；也不常被误写的其他单位。文章中的 26.5/18.9/80 MW/m² 三个数全部出自 FED 173, 112812 原文。
  4. 全球第一个在托卡马克上运行的液态锡 PFC 是 FTU 的 TLL（2010 年前后运行，2019 年正式发表），一作 Mazzitelli（ENEA 弗拉斯卡蒂聚变与核安全部）。"1300 摄氏度阈值、5×10⁻⁴ 浓度、18 MW/m²"三个数出自 NF 59, 096004 原文。
  5. COMPASS 液态偏滤器实验的两篇论文都在 NME 25 卷（2020 年 12 月）：实验概述一作 Dejarnac、建模一作 Horáček——不是发表在 FED 或 NF；LiSn 合金是 73% 锡。这是全球首次在偏滤器位形、ELMy H 模条件下做 LMD 模块实验（IAEA FEC 2020 口径）。
  6. ASDEX Upgrade 液态锡实验的两篇 NME 37 论文编号易混：101528 是设计与 GLADIS 测试，101522 是偏滤器曝光实验；建模论文另发 FED（DOI 10.1016/j.fusengdes.2023.113886），一作 Cecrdle（IPP 布拉格，兼布拉格捷克技术大学与根特大学）。
  7. LiMIT 的托卡马克首演在 HT-7（合肥，2012 年 10 月），不是 EAST。UIUC CPMI（Ruzic 团队）与 ASIPP 合作；徐文钰的计算论文在 FED 89, 2868-2874。
  8. "锂蒸气盒"是 PPPL Goldston 团队的概念（2016），不是 UCSD Krasheninnikov；后者是蒸汽屏蔽辐射流体理论的代表（Krasheninnikov & Marenkov, JNM 463, 2015）。两个概念相关但不同源，常被混为一谈。
  9. Hirooka 的 2015 年综述发表在 Fusion Science and Technology 68 卷 3 期（2015 年 10 月）——网上常见"2017"是 Taylor & Francis 在线发布日期；写作时 Hirooka 在 NIFS，现职中部大学（ISLA-8 会议报告口径）。
  10. NSTX-U 的 LMCE 平台"2026 年初运行、四个概念"出自 ISLA-8 会议报告（NF 65, 047001），属会议口径而非最终装置论文；引用时应注明来源。
  11. EXL-50 没有已发表的液态锂/锂壁同行评议实验（新奥官网与综述只有 ECRH 电流驱动与硼注入），本文未写，避免以讹传讹。
  12. CFETR/BEST 的偏滤器基线仍是固态钨（Song 等 FED 183, 2022；Peng 等 FED 98-99, 2015），任何"CFETR 用液态金属偏滤器"的说法无文献依据。
  13. "0.5 g/s 氚回收、1 L/s 闭合回路"出自 Ono 等 FED 117, 124-129（2017），对应 1 GW 电功率级电站的估算，不是实验值。
  14. COMPASS 纯锂的蒸汽屏蔽门槛 750 摄氏度、AUG 模块占外偏滤器周长 1/650、液滴需削减两个数量级，分别出自 Hron 等 NF 综述（DOI 10.1088/1741-4326/ac301f）与 Scholte 等 NME 37, 101522——引用时别张冠李戴。
  15. Krasheninnikov & Marenkov 在 JNM 463 (2015) 869-872 的确切标题是"On ablation of large Tungsten dust grains..."（钨粉尘烧蚀的蒸汽屏蔽模型），不是通用的偏滤器蒸汽屏蔽综述；直接针对液态锂偏滤器靶的蒸汽屏蔽建模是 Marenkov/Kukushkin/Pshenov 的 NF 60, 026011 (2019) 与 NF 61, 034001 (2020)。"锂蒸气盒"（Goldston，PPPL）与上述两条线不同源，三者勿混。