SIMULIA Opera突破超導模擬瓶頸,助攻核融合能源的關鍵材料研究

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在全球積極推動淨零碳排的背景下,核融合技術被視為最具潛力的潔淨能源之一。代表性項目如法國的 ITER(國際熱核融合實驗反應爐計畫),正透過低溫超導材料(LTS, Low Temperature Superconductors)構建可控核融合裝置。此類材料需在極低溫環境下運作(通常約為 4 K),需依賴液態氣冷卻系統維持其超導特性。這對冷卻技術提出極高要求,也促使研究界積極探索更具效率與工程彈性的替代方案——高溫超導材料(HTS, High temperature superconducting)。

新一代HTS材料可在高達 20 K 的溫度下承受超過 20 T 的磁場,大幅簡化冷卻系統設計,有望加速核融合反應爐的建置與部署。例如擬議的英國STEP專案(Spherical Tokamak for Energy Production)便計畫以HTS為基礎,目標於2040年前投入發電。然而,HTS材料長期承受中子轟擊(Neutron Bombardment)後的性能衰退仍是未知數。因此,了解其在真實工作條件下的行為至關重要。

士盟科技-部落格-成功案例-圖1. ITER 托卡馬克(Tokamak)反應爐的概念圖
圖1. ITER 托卡馬克(Tokamak)反應爐的概念圖

實驗挑戰浮現,臨界電流下降的背後原因

牛津大學應用超導中心(Centre for Applied Superconductivity)針對HTS材料在中子輻射環境下的耐久性展開深入研究。實驗中,研究團隊觀察到HTS樣品在離子束照射下臨界電流下降,但無法判斷是由熱效應還是材料結構損傷所致。由於離子束照射點的微小區域難以進行即時溫度量測,實驗團隊迫切需要模擬工具協助解讀數據。

士盟科技-部落格-成功案例-圖2. 對應的 CAD 模型與實際模型
圖2. 對應的 CAD 模型與實際模型

Opera精準重建實驗:揭示離子束照射下的熱行為

牛津大學與SIMULIA Opera團隊展開合作,由Opera接手精密模擬任務。研究團隊提供的CAD模型與材料屬性數據,經Opera-3d Modeler精準重建高保真度(Fidelity)模型,完美再現僅 100 微米(µm)厚、內含2微米REBCO超導層的HTS樣品結構。

士盟科技-部落格-成功案例-圖3. HTS Tap 的實驗樣品極為精細,由多層材料構成,此材料層結構長度為 25 mm、寬度 4 mm、厚度僅約 100 µm。
圖3. HTS Tap 的實驗樣品極為精細,由多層材料構成,此材料層結構長度為 25 mm、寬度 4 mm、厚度僅約 100 µm。
士盟科技-部落格-成功案例-圖4. 此為蝕刻後的HTS(超導層)材料 REBCO 之樣品示意圖,研究人員特別移除表層的銅與銀材料,並蝕刻出狹窄導電通道。
圖4. 此為蝕刻後的HTS(超導層)材料 "REBCO" 之樣品示意圖,研究人員特別移除表層的銅與銀材料,並蝕刻出狹窄導電通道。

為因應極薄結構的模擬需求,Opera採用Mosaic專利網格技術,有效避免自動網格在高縱橫比結構中的精度損失。最終模型僅需22,718個混合型元素(六面體與三角柱混合),便能完整捕捉非線性熱擴散行為,並模擬離子束作用下的溫度變化。

士盟科技-部落格-成功案例-圖5.(a)CAD 模型 (b)按比例縮放的Opera-3d模型 (c)厚度刻度 x 20
圖5.(a)CAD 模型 (b)按比例縮放的Opera-3d模型 (c)厚度刻度 x 20

模擬成果亮點:

  • 10–20秒內樣品達到熱平衡,峰值溫度約60 K
  • 銅層與冷頭間的熱傳效率,對整體熱行為具高敏感性
  • 若熱傳導效率減半,峰值溫度將升高3.5 K
  • Opera的自適應時間步進演算法確保了快速變化階段的精確性與效率

士盟科技-部落格-成功案例-圖6. 臨界電流與冷端溫度變化圖
圖6. 臨界電流與冷端溫度變化圖

模擬結果回饋實驗:強化解釋力與設計指引

Opera的模擬結果成為研究團隊判斷熱效應真實性的關鍵依據。牛津博士Kirk Adams表示:「Opera提供的數據完美解答了我們的實驗疑問,讓我們對臨界電流變化的理解更加明確。」Speller教授也指出:「模擬結果大幅提升我們對原位實驗數據的詮釋能力,更進一步指引了未來的實驗優化方向。」

士盟科技-部落格-成功案例-圖7. 穩態下的溫度分布圖
圖7. 穩態下的溫度分布圖
士盟科技-部落格-成功案例-圖8. 整體模擬過程中的最高溫度曲線
圖8. 整體模擬過程中的最高溫度曲線
士盟科技-部落格-成功案例-圖9. 離子束開啟/關閉後前 10 秒內的溫度變化細節
圖9. 離子束開啟/關閉後前 10 秒內的溫度變化細節

專業模擬技術,賦能未來能源發展

此合作案充分展現了SIMULIA Opera在處理極薄、具挑戰性的多物理場模擬中所展現的獨特優勢。Opera-3d不僅精準模擬細微結構熱行為,更協助研究人員突破無法量測的技術瓶頸,用模擬彌補實驗盲區。SIMULIA電磁應用團隊資深顧問Chris Riley表示:「與牛津大學攜手合作,解決影響全球能源發展的關鍵難題,是我們極大的榮幸。Opera的高效率網格技術與非線性熱模擬能力,正是推動科研進展的關鍵力量。」

關鍵亮點總結:

  • 超薄結構模擬專長:Opera可處理微米級層狀結構,保證結果精度
  • 非線性熱模擬優勢:支持材料性質隨溫度變化,精準反映實際物理行為
  • 快速高效的運算效率:搭載Mosaic網格與自適應時間步進技術
  • 解決實驗無法測量的盲點:補強實驗設計、提升解釋力與預測性

目前,Opera團隊正與牛津研究團隊探討進一步合作機會,持續以模擬技術賦能HTS材料研究與核融合裝置設計,為永續能源的未來鋪路。

如您也面臨極端條件模擬、超導材料設計或能源研發挑戰,歡迎聯繫士盟深入了解SIMULIA Opera解決方案,共同加速創新與科研突破。

資料來源:達梭系統原文

關鍵字:超導材料、SIMULIA Opera