We apply a 0D model of shielding for simulations of liquid Li exposure experiments in He plasma of the Magnum-PSI linear device. The model accounts for all the most essential processes in the vapor cloud and plasma–surface interactions. The simulation results are in good agreement with the target surface temperature measurements. A factor of 10 increase in the erosion flux leads to a 100 °C decrease in the surface temperature, still giving a reasonable agreement with experiments. Therefore, the temperature measurements are inconclusive with respect to determining whether enhanced erosion takes place or not. We observe that only 10% of the eroded material is redeposited, while several other works suggest up to 99% redeposition. We show that low redeposition is a consequence of the low electron temperature, about 0.3 eV, in the vapor cloud and that the ratio of the ionization length to the transverse cloud size is the critical parameter to look at. Hence, the redeposition factor is not a universal quantity and can vary in quite a broad range depending on the plasma parameters and machine geometry.

1.
R. A.
Pitts
,
X.
Bonnin
,
F.
Escourbiac
,
H.
Frerichs
,
J. P.
Gunn
,
T.
Hirai
,
A. S.
Kukushkin
,
E.
Kaveeva
,
M. A.
Miller
,
D.
Moulton
,
V.
Rozhansky
,
I.
Senichenkov
,
E.
Sytova
,
O.
Schmitz
,
P. C.
Stangeby
,
G.
De Temmerman
,
I.
Veselova
, and
S.
Wiesen
,
Nucl. Mater. Energy
20
,
100696
(
2019
).
2.
D.
Stork
,
P.
Agostini
,
J. L.
Boutard
,
D.
Buckthorpe
,
E.
Diegele
,
S. L.
Dudarev
,
C.
English
,
G.
Federici
,
M. R.
Gilbert
,
S.
Gonzalez
,
A.
Ibarra
,
C.
Linsmeier
,
A. L.
Puma
,
G.
Marbach
,
P. F.
Morris
,
L. W.
Packer
,
B.
Raj
,
M.
Rieth
,
M. Q.
Tran
,
D. J.
Ward
, and
S. J.
Zinkle
,
J. Nucl. Mater.
455
,
277
(
2014
).
3.
K.
Tobita
,
R.
Hiwatari
,
H.
Utoh
,
Y.
Miyoshi
,
N.
Asakura
,
Y.
Sakamoto
,
Y.
Someya
,
Y.
Homma
,
M.
Nakamura
,
K.
Hoshino
,
H.
Tanigawa
,
M.
Nakamichi
,
S.
Tokunaga
,
H.
Kudo
, and
A.
Nishimura
,
Fusion Eng. Des.
136
,
1024
(
2018
).
4.
G.
Zhuang
,
G. Q.
Li
,
J.
Li
,
Y. X.
Wan
,
Y.
Liu
,
X. L.
Wang
,
Y. T.
Song
,
V.
Chan
,
Q. W.
Yang
,
B. N.
Wan
,
X. R.
Duan
,
P.
Fu
, and
B. J.
Xiao
,
Nucl. Fusion
59
,
112010
(
2019
).
5.
F. L.
Tabarés
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
58
,
014014
(
2016
).
6.
R. E.
Nygren
and
F. L.
Tabarés
,
Nucl. Mater. Energy
9
,
6
(
2016
).
7.
I. E.
Lyublinski
,
A. V.
Vertkov
, and
V. A.
Evtikhin
,
Plasma Devices Oper.
17
,
265
(
2009
).
8.
C. E.
Kessel
,
D.
Andruczyk
,
J. P.
Blanchard
,
T.
Bohm
,
A.
Davis
,
K.
Hollis
,
P. W.
Humrickhouse
,
M.
Hvasta
,
M.
Jaworski
,
J.
Jun
,
Y.
Katoh
,
A.
Khodak
,
J.
Klein
,
E.
Kolemen
,
G.
Larsen
,
R.
Majeski
,
B. J.
Merrill
,
N. B.
Morley
,
G. H.
Neilson
,
B.
Pint
,
M. E.
Rensink
,
T. D.
Rognlien
,
A. F.
Rowcliffe
,
S.
Smolentsev
,
M. S.
Tillack
,
L. M.
Waganer
,
G. M.
Wallace
,
P.
Wilson
, and
S. J.
Yoon
,
Fusion Sci. Technol.
75
,
886
(
2019
).
9.
J. P.
Allain
,
Fusion Sci. Technol.
75
,
702
(
2019
).
10.
Y.
Hirooka
,
G.
Mazzitelli
,
S.
Mirnov
,
M.
Ono
,
M.
Shimada
, and
F. L.
Tabares
,
Fusion Sci. Technol.
68
,
477
(
2015
).
11.
V.
Pericoli Ridolfini
,
R.
Ambrosino
,
S.
Mastrostefano
,
P.
Chmielewski
,
M.
Poradziński
, and
R.
Zagórski
,
Phys. Plasmas
26
,
012507
(
2019
).
12.
D. N.
Ruzic
,
W.
Xu
,
D.
Andruczyk
, and
M. A.
Jaworski
,
Nucl. Fusion
51
,
102002
(
2011
).
13.
P.
Rindt
,
N. J.
Lopes Cardozo
,
J. A. W.
van Dommelen
,
R.
Kaita
, and
M. A.
Jaworski
,
Fusion Eng. Des.
112
,
204
(
2016
).
14.
L. E.
Zakharov
,
Nucl. Fusion
59
,
096008
(
2019
).
15.
I.
Lyublinski
,
A.
Vertkov
,
S.
Mirnov
, and
V.
Lazarev
,
J. Nucl. Mater.
463
,
1156
(
2015
).
16.
T. W.
Morgan
,
P.
Rindt
,
G. G.
Van Eden
,
V.
Kvon
,
M. A.
Jaworksi
, and
N. J. L.
Cardozo
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
60
,
014025
(
2018
).
17.
P.
Rindt
,
T. W.
Morgan
,
M. A.
Jaworski
, and
N. J.
Lopes Cardozo
,
Nucl. Fusion
58
,
104002
(
2018
).
18.
R. J.
Goldston
,
A.
Hakim
,
G. W.
Hammett
,
M. A.
Jaworski
, and
J.
Schwartz
,
Nucl. Mater. Energy
12
,
1118
(
2017
).
19.
P.
Rindt
,
T. W.
Morgan
,
G. G.
van Eden
,
M. A.
Jaworski
, and
N. J.
Lopes Cardozo
,
Nucl. Fusion
59
,
056003
(
2019
).
20.
P.
Rindt
,
J.
Mata González
,
P.
Hoogerhuis
,
P.
Van Den Bosch
,
M.
Van Maris
,
D.
Terentyev
,
C.
Yin
,
M.
Wirtz
,
N. J.
Lopes Cardozo
,
J. A.
Van Dommelen
, and
T. W.
Morgan
,
Nucl. Fusion
59
,
054001
(
2019
).
21.
E.
Marenkov
and
A.
Pshenov
,
Nucl. Fusion
60
,
026011
(
2020
).
22.
G.
De Temmerman
,
M. A.
Van Den Berg
,
J.
Scholten
,
A.
Lof
,
H. J.
Van Der Meiden
,
H. J. N.
Van Eck
,
T. W.
Morgan
,
T. M.
De Kruijf
,
P. A.
Zeijlmans Van Emmichoven
, and
J. J.
Zielinski
,
Fusion Eng. Des.
88
,
483
(
2013
).
23.
T. W.
Abrams
, “
Erosion and re-deposition of lithium and boron coatings under high-flux plasma bombardment
,” Ph.D. dissertation (
Princeton University
,
2015
).
24.
H. P.
Summers
, The ADAS User Manual, Version 2.6 (
2004
); (https://www.adas.ac.uk)
25.
P.
Banks
,
Planet. Space Sci.
14
,
1085
(
1966
).
26.
P.
Banks
,
Planet. Space Sci.
14
,
1105
(
1966
).
28.
R.
Behrisch
and
W.
Eckstein
,
Sputtering by Particle Bombardment
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2007
).
29.
T.
Abrams
,
M. A.
Jaworski
,
R.
Kaita
,
D. P.
Stotler
,
G.
De Temmerman
,
T. W.
Morgan
,
M. A.
Van Den Berg
, and
H. J.
Van Der Meiden
,
Fusion Eng. Des.
89
,
2857
(
2014
).
30.
J. P.
Allain
,
M. D.
Coventry
, and
D. N.
Ruzic
,
Phys. Rev. B
76
,
1
(
2007
).
31.
R. P.
Doerner
,
M. J.
Baldwin
,
R. W.
Conn
,
A. A.
Grossman
,
S. C.
Luckhardt
,
R.
Seraydarian
,
G. R.
Tynan
, and
D. G.
Whyte
,
J. Nucl. Mater.
290–293
,
166
(
2001
).
32.
T.
Abrams
,
M. A.
Jaworski
,
M.
Chen
,
E. A.
Carter
,
R.
Kaita
,
D. P.
Stotler
,
G.
De Temmerman
,
T. W.
Morgan
,
M. A.
Van Den Berg
, and
H. J.
Van Der Meiden
,
Nucl. Fusion
56
,
016022
(
2016
).
33.
H. U.
Borgstedt
,
C.
Guminski
,
H. U.
Borgstedt
, and
C.
Guminski
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
30
,
835
(
2001
).
34.
M.
Nieto
,
D. N.
Ruzic
,
J. P.
Allain
,
M. D.
Coventry
, and
E.
Vargas-Lopez
,
J. Nucl. Mater.
313–316
,
646
(
2003
).
35.
Z.
Insepov
and
A.
Hassanein
,
J. Nucl. Mater.
337–339
,
912
(
2005
).
36.
M.
Baeva
,
W. J.
Goedheer
,
N. J.
Lopes Cardozo
, and
D.
Reiter
,
J. Nucl. Mater.
363–365
,
330
(
2007
).
37.
K.
Ješko
,
Y.
Marandet
,
H.
Bufferand
,
J. P.
Gunn
,
H. J.
Van Der Meiden
, and
G.
Ciraolo
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
60
,
125009
(
2018
).
38.
J. F.
Drake
,
Phys. Fluids
30
,
2429
(
1987
).
39.
H. J. N.
Van Eck
,
G. R. A.
Akkermans
,
S. A.
Van Der Westen
,
D. U. B.
Aussems
,
M.
Van Berkel
,
S.
Brons
,
I. G. J.
Classen
,
H. J.
Van Der Meiden
,
T. W.
Morgan
,
M. J.
Van De Pol
,
J.
Scholten
,
J. W. M.
Vernimmen
,
E. G. P.
Vos
, and
M. R.
De Baar
,
Fusion Eng. Des.
142
,
26
(
2019
).
40.
D. I.
Skovorodin
,
A. A.
Pshenov
,
A. S.
Arakcheev
,
E. A.
Eksaeva
,
E. D.
Marenkov
, and
S. I.
Krasheninnikov
,
Phys. Plasmas
23
,
022501
(
2016
).
41.
V.
Kvon
,
R.
Al
,
K.
Bystrov
,
F. J. J.
Peeters
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
T. W.
Morgan
,
Nucl. Fusion
57
,
086040
(
2017
).
42.
Y.
Yamamura
,
Y.
Mizuno
, and
H.
Kimura
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
13
,
393
(
1986
).
43.
E.
Marenkov
,
S.
Krasheninnikov
, and
A.
Pshenov
,
Contrib. Plasma Phys.
58
,
570
(
2018
).
You do not currently have access to this content.