SIMULIA Opera仿真帮助了解牛津大学的超导实验
仿真有助于将核聚变作为“绿色”能源替代方案的科学家和工程师了解超导性。
核聚变
气候变化推动了科学家和工程师开发绿色能源制造方法以取代化石燃料发电的需求。风能、太阳能、潮汐能和波浪能都可以帮助满足这一需求，但它们有一个主要缺点——它们依赖于气候和海洋条件。在静止的阴天，主要依赖太阳能和风能的电力系统可能会出现重大问题。为了给电网提供连续、可控的发电源，还必须采用其他方法。可以考虑使用传统核电站中使用的核裂变，但这在储存或处置长期放射性废料方面存在自身问题——可能在数千年内仍然很危险。
目前正在积极开发的最有前途的替代技术之一是核聚变。聚变的副产品大多是无害的，与裂变废料相比，放射性物质的半衰期也很短。然而，聚变（与让我们的太阳燃烧的过程相同）面临许多挑战。产生的等离子体需要加热到 100 – 1.5 亿°C 左右，并限制在较小的体积内，以确保聚变反应能够自我维持。由于极端温度，等离子体不能包含在传统容器中，必须通过极强的磁场固定到位。
研究最广泛的磁性配置是托卡马克。目前在建的最大项目是法国 Cadarache 的 ITER。艺术家的印象在下面的图 1 中 - 请注意站在前景底部的人形！产生磁场的线圈由低温超导体 （LTS） 制成，因为它们在接近绝对零度的温度下具有零电阻。等效的铜线圈可能会使用电抗器可以产生的功率来提供由提供所需磁场强度的必要电流产生的电阻损耗。
图 1 ITER 托卡马克的画家印象图
ITER 是在新一代高温超导 （HTS） 材料更容易获得之前设计的。HTS 材料最重要的特性是它们在比 LTS 更高的磁场下保持超导性，通常在 20 K 时为 >20 T。然而，它们也可以在高达 60 或 70 K 的温度下作为超导线圈运行，从而使所需的低温变得更加简单。这些材料引发了对托卡马克的新一波研发浪潮，其中大部分正在小型初创公司进行，目的是实现“现成”的设计，与像ITER这样的大型反应器相比，安装得相对较快。但也有一些更大的项目，例如拟议中的英国 STEP 托卡马克，它将使用 HTS 材料，并希望到 2040 年发电。
中子轰击
一个重要的未知数是，当 HTS 材料不断受到聚变反应过程中产生的中子轰击时，它的行为将如何。预计随着时间的推移，线圈的性能（主要是它们承载非常高电流而没有损耗的能力）会下降，要求设计能够在其使用寿命结束时和开始时运行。
由克里斯·格罗夫诺 （Chris Grovenor） 教授和苏珊娜·斯佩勒 （Susannah Speller） 教授领导的牛津大学世界著名的材料科学应用超导中心正在进行实验，以研究材料在运行过程中如何生存。用于构建线圈的 HTS 带样品使用离子束进行辐照，以安全、可控的方式快速模拟聚变反应堆中的中子损伤。照射是按顺序进行的，在照射期间和离子束关闭后测量临界电流（超过该电流时样品将停止超导的电流）。牛津大学的博士生之一 Kirk Adams 得出的结果表明离子束正在影响性能，如下图 2 所示。
图 2.实验过程中样品的临界电流和冷头传感器的温度
图 3 显示了实验视图，图 4 显示了离子束通过孔径进入的等效 CAD 模型。样品包含在顶板孔径的正下方。
图 3 低温恒温器冷头实验图
图 4 显示离子束通过孔径进入的实验 CAD 模型
样本的尺寸非常极端。它是从典型的 4 mm 宽 HTS 胶带上切割下来的 25 mm 长，但厚度约为 100 mm。在厚度方向上，有多种材料，如图 5 所示，以夸大的厚度尺度显示。在正常工作中承载电流的稀土钡铜氧化物高温超导体 （REBCO HTS） 层厚度仅为 2 mm，而阻挡层（缓冲堆栈）厚度小于 0.1 mm。
图 5 HTS 胶带中的材料层
在样品中，去除了 5.8 mm 长的上层铜和银，以将 HTS 层直接暴露在离子束下。HTS 还经过进一步蚀刻，以提供狭窄的材料轨道，以降低达到临界电流密度所需的输入电流，如图 6 所示。
图 6 蚀刻后的 HTS 层
温度对超导能力的影响
如图 2 所示，该实验还监测了安装样品的冷头的温度。这名义上保持在 40 K，测量表明这是实现的。然而，无法直接监测样品中的温度，尤其是在离子束照射 HTS 材料时（通过狭窄的轨道和衬底）。HTS 的临界电流密度也取决于其温度，大多数 REBCO 的临界温度约为 80-90 K。
斯派勒教授联系了歌剧团队SIMULIA （模拟）了解其在模拟超导器件方面的多年经验，询问是否有可能对他们的样品进行建模，以确定光束开启时 HTS 材料中的峰值温度。令人担忧的是，离子束沉积的热量足以降低光束测量期间 HTS 的临界电流密度（如图 2 所示），因此离子轰击的原位效应不是由于物理反应，而是热效应。牛津大学团队还想知道当离子束打开和关闭时温度上升和下降的速率。
在 Opera-3d 中建模
Kirk Adams 提供了样品轮廓形状的 CAD 模型，但没有层结构的任何细节。将 CAD 导入 Opera-3d Modeler，并使用尺寸构建整个模型，如图 7 所示。如图 7（c） 所示，由于几何图形的高纵横比，Modeler 独立缩放轴的能力对于可视化非常有用。Modeler 还用于删除 CAD 模型中包含的两个几何项目（图 7（a） 中以琥珀色突出显示），这些项目不在实验样品中。
图 7 （a） CAD 模型 （b） 按比例缩放的 Opera-3d 模型 （c） 厚度刻度 x 20
Kirk 也提供了作为温度函数的热材料属性，并作为函数表导入 Opera-3d Modeler，允许非线性热扩散瞬态热仿真更新每个有限元中的属性以匹配计算的温度。来自光束的热量作为表面热密度的打开和关闭施加，以遵循离子轰击的模式。
为如此薄的几何形状（微米厚度）生成有限元网格，以便在其他两个方向上不过度划分网格的情况下提供准确的结果，这很有挑战性。传统的自动四面体网格划分会得到具有非常高纵横比的单元，并且可能会得到很差的结果。然而，Opera-3d 马赛克网格划分是专门为处理薄结构而设计的，并且该模型仅包含 22,718 个单元（二阶六面体和三棱柱的混合物），这些单元由合适的二维表面网格生成，足以捕获长度和宽度方向的行为。
图 8 显示了离子束施加任何脉冲超过约 10 到 20 秒后 HTS 刻蚀部分的温度分布。此时，它已达到热平衡，其中通过离子束施加的热量通过铜底面和冷头之间的接触以相同的速率损失。可以看出，最高温度略低于 60 K。
图 8.离子束开启时的平衡温度
图 9 显示了整个瞬态仿真期间的最高温度曲线，而图 10 显示了每个照射步骤的温度上升和下降。事实上，所有辐照步骤的结果几乎相同，还表明在离子束脉冲之间的间隔期间，样品恢复到冷头的 40 K 温度。
图 9.整个仿真过程中 HTS 曲线中的最高温度
图 10.（a） 光束开启后前 10 秒的最高温度 （b） 光束关闭后前 10 秒的最高温度
Opera-3d Transient Thermal 中使用的时间步进算法是自适应的，确保使用足够小的步长来正确捕捉快速瞬态行为（例如当离子束打开和关闭时），但在存在稳定行为周期时增加。这确保了仿真在不影响精度的情况下以最高效率运行。但是，Opera-3d Transient Thermal 允许用户选择在什么时间生成一组完整的结果，而不是在仿真中使用的每个时间步长生成。这可以从图 10 中的迹线中看出，其中相对于开关和关闭的结果的采样时间针对不同的脉冲发生了变化。
该建模还提供了对影响行为的因素的见解。结果发现，最显着的影响是能够从铜基部传递到冷头的热量。此处显示的结果使用了 100 mW / mm2 / K 的值。如果将其降低 2 倍，则每个脉冲的最高温度将再升高约 3.5 K。虽然牛津大学的团队很高兴 60 – 65 K 左右的最高温度不会降低 HTS 材料的降解，但他们将在未来的实验中采取额外措施，以确保始终保持良好的热接触。
Kirk Adams 说：“再次感谢您提供的模拟。您已经回答了我们的关键问题。我认为我们都对自己的工作有了更好的理解。Speller 教授补充说：“建模结果对解释我们的原位实验数据非常有帮助，并为我们的实验设置提供了信息修改，这将使我们能够减轻光束加热的影响”。
SIMULIA 低频埃马克应用团队的高级顾问 Chris Riley 评论道：“我非常高兴能与这样一个备受尊敬的团队合作，共同开发对未来能源生产至关重要的应用。在具有如此极端纵横比的结构中执行仿真的挑战表明，提供最能满足要求的不同网格划分技术的价值。尽管仿真的数值结果始终很重要，但此示例还展示了牛津大学团队如何深入了解实验的热行为。SIMULIA Opera 团队目前正在讨论是否继续与牛津大学的 HTS 材料小组合作，因为他们意识到仿真可以带来的好处。这些不仅体现在实验结果的验证方面，还体现在对无法测量的物理效应的理解以及对未来实验应如何进行的指导方面。
确认
牛津大学材料科学应用超导中心进行的实验工作由工程与物理科学研究委员会 （EPSRC） 拨款 EP/W011743/1 资助。
图 2、3、4 和 5 由牛津大学材料系应用超导中心提供。
