長久以來，核聚變能源因可以提供無污染和規?；纳虡I用電而備受關注。聯邦聚變系統公司（CFS）是從麻省理工學院（MIT）獨立出來的一家聚變能源初創公司，它已經證明了高溫超導（HTS）磁體和高場托卡馬克在聚變設備中的應用前景。盡管已經取得了這些進展，但要制造出能夠產生核聚變能源并能被推廣應用的托卡馬克裝置，仍然面臨諸多挑戰。為了解決這個難題，CFS 公司選擇多物理場仿真來探究材料的局限性，并為其未來的高場托卡馬克設計提供依據。
釋放托卡馬克的能量：微型核聚變技術
托卡馬克裝置通過增大體積和/或利用更高的磁場來實現更高的聚變增益，即它產生的核聚變能量與其運行所需的能量之比。然而，長期以來超導磁體技術限制了托卡馬克利用更高的磁場的能力，因此研發人員不得不建造出如國際熱核實驗反應堆（ITER）這樣的巨型裝置，來實現更高的聚變增益。CFS 與 MIT 共同探索了一種由銅磁體和更高的磁場組成的 Alcator 托卡馬克。然而，這些托卡馬克只是將尺寸問題換成了銅的限制，因為銅是一種阻性材料，其運行所消耗的能量比之前的設計要高得多。因此，“這種方案并不是經濟可行的核聚變能源”，CFS 聯合創始人兼核聚變技術研究員 Dan Brunner 在 COMSOL 核聚變主題日的主題演講中解釋說。
之后，CFS 聯合 MIT 設計了一個高場托卡馬克，該裝置可以利用更高的磁場，而且不會受到之前設計存在的尺寸問題或材料限制，這要歸功于高溫超導材料的使用。為了實現這個目標，他們建造并使用了一個性能完整、近乎全尺寸的高溫超導磁體。目前，CFS 正致力于研究 SPARC 項目，這是一個概念驗證性的托卡馬克裝置，目標是實現凈聚變增益。除此之外，CFS 還計劃在 2030 年代初建造一座旨在將核聚變能納入電網的發電廠（ARC）。在實現這一目標之前，CFS 將繼續借助仿真加深對 SPARC 的理解。
Brunner 說：“現在，我們可以設想一條不同的道路，不必像從前那樣不得不從大變到更大，而是僅稍微變大并能利用更高的磁場來建造一個可行的核聚變反應堆?！?/p>
圖 1 CFS 的 ARC 核聚變裝置的預期時間軸。圖片由 CFS 提供。
借助仿真應對核聚變挑戰
雖然托卡馬克仿真是一項眾所周知的挑戰性項目，但 CFS 仍成功使用 COMSOL Multiphysics® 軟件實現了對其設計的系統化拆解、內部作用力模擬，以及對復雜物理現象的深入觀察。
計算冷卻液和冷卻系統
超導體需要維持在超低溫狀態下才能正常工作，并避免發生如淬火等熱失控事件。然而這些超導體必須在 SPARC 內部核聚變產生的幾乎難以想象的高強度能量源附近工作，因此面臨挑戰。CFS 希望借助仿真技術來模擬和測試可能的解決方案。Brunner 介紹說：“因為有許多不同的能量源可以進入超導體，所以冷卻至關重要。需要讓制冷劑在超導體中流動，以使其保持在工作溫度范圍內?！?/p>
圖 2 SPARC 內部的電纜裝載著流動的制冷劑，以保持超導體的溫度。圖片由 CFS 提供。
Brunner 及其團隊模擬了三種最常見的制冷劑（氫、氦和氖）在 SPARC 中的溫度范圍，并觀察了傳熱模擬的輸出結果。從這些數據中，Brunner 團隊能夠探索他們可能使用的不同類型的冷卻系統的優缺點，而無需讓任何超導體或其他材料承受不必要的風險。
圖 3 聚變產生的熱量會將大量能量注入電纜中，并有可能使超導體失效。這就凸顯了測試不同制冷劑的必要性。圖片由 CFS 提供。
在合適的條件下測量材料強度
除了冷卻之外，仿真在提供 SPARC 中材料所受力的信息方面也發揮了重要作用。通常，高場托卡馬克會使其結構經受極端工況，對于高溫超導設計來說尤其如此，因為它的磁場極強。結構承受的應力與磁場的平方成正比，因此整個裝置材料承受巨大的應變。超導體及其固有的低應變極限進一步凸顯了通過仿真測量預期受力的必要性。
電流與磁場在線圈上相交產生的力是結構必須能夠承受的。CFS 發現，他們的多物理場模型能夠計算不同合金在低溫（約 20 K）條件下的強度和剛度極限，從而為 SPARC 的未來設計提供依據。通過模擬這些裝置將要承受的力，CFS 可以確定其設計必須能夠承受的明確應力和應變極限。
管理真空容器中的作用力
CFS 還使用仿真來優化 SPARC 的幾何設計，以降低其真空容器中的峰值應力和溫度。一般來說，真空腔的設計由巨大的瞬態力決定，而這正是仿真發揮作用的地方。真空腔面向等離子體的一側必須經過工程設計，以從托卡馬克內部的聚變等離子體中吸收極大（約 10 MW/m2 ）的熱通量。
圖 4 CFS 即將建造的概念驗證性托卡馬克 SPARC。
環電流在等離子體內部流過用于保持其穩定性，在某些情況下，電流控制可能會失效，進而引發中斷故障。這些故障會產生巨大的力，因此需要在總體設計中加以考慮。CFS進行了瞬態電場和磁場模擬，以確保其所采用的材料能夠應對這些干擾。
在這部分演講中，Brunner 討論了麻省理工學院在進行高級偏濾器實驗（ADX）期間開展的多項仿真研究。ADX 實驗采用的真空腔設計是 CFS 公司目前托卡馬克設計的前身，其中 COMSOL Multiphysics® 被用于研究真空腔設計中的瞬態磁場以及由此產生的力、應力和位移。(點擊此處了解更多相關信息）。
圖 5 上圖為 ADX 結構模型的幾何結構，紫色邊界為結構的固定位置。應力和位移的仿真結果說明需要對設計進行加固。當在 ADX 設計中增加支撐塊后，下方的模型幾何結構顯示了對應的新增固定邊界。
仿真助力推動核聚變商業能源發展
技術進步帶來了新的挑戰。CFS 認為超導磁體是實現未來磁核聚變的關鍵，但在探索其應用前景的過程中也發現了諸多需要優化的設計環節。雖然使用 COMSOL Multiphysics 軟件能夠精確模擬每一個案例，但對計算要求很高，這也正是創造力和軟件開發起作用的地方。
CFS 的 IT 團隊建立了多個 Amazon Web Services (AWS) HPC6as 來分配解決方案。這使得該團隊能夠在縱向和橫向擴展其計算能力，從而能夠同時執行更多的任務，并且每個任務可以在 50,000 多個內核上使用更多的 CPU。由于CFS 持有 COMSOL 浮動網絡許可證，因此對復雜的聚變進行仿真變得不那么困難?！八刮覀兊姆抡鏁r間和成本降低了至少 50%，從而加快了運行速度。它還使我們能夠在至關重要的時間尺度上對正在進行的工作做出決策?！?Brunner 總結說。
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