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。 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。 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。 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。 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 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。」 圖7. 穩態下的溫度分布圖 圖8. 整體模擬過程中的最高溫度曲線 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