近日,力學(xué)與土木建筑學(xué)院薛存副教授團(tuán)隊(duì)在高場(chǎng)超導(dǎo)磁體磁-熱不穩(wěn)定性研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以題為“Holistic numerical simulation of a quenching process on a real-size multifilamentary superconducting coil”的論文形式發(fā)表在《Nature Communications》（自然•通訊），薛存副教授為該論文的第一作者和通訊作者。

超導(dǎo)線圈是高場(chǎng)磁體的關(guān)鍵核心部件,在高能物理、先進(jìn)醫(yī)療、磁約束核聚變等方面有重要應(yīng)用。然而國(guó)內(nèi)外在研制高場(chǎng)Nb3Sn磁體勵(lì)磁過程中，遇到大量磁通跳躍，這種磁熱不穩(wěn)定性導(dǎo)致超導(dǎo)載流能力急速下降，容易誘發(fā)過早失超，嚴(yán)重影響超導(dǎo)磁體的安全可靠運(yùn)行。另外，超導(dǎo)線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流環(huán)境下受到強(qiáng)電磁力作用，Nb3Sn超導(dǎo)電磁性能對(duì)力學(xué)變形很敏感，因此力學(xué)作用下Nb3Sn線圈磁-熱不穩(wěn)定性成為研制高場(chǎng)Nb3Sn磁體亟待解決的難題之一。

Nb3Sn磁體的強(qiáng)非線性電磁特性、跨尺度結(jié)構(gòu)(微米級(jí)芯絲、毫米級(jí)超導(dǎo)股線、米級(jí)超導(dǎo)線圈)、力-電-磁-熱多物理場(chǎng)耦合性等復(fù)雜特征給理論研究帶來極大困難，國(guó)際上尚未見到分析Nb3Sn磁體中復(fù)雜磁通跳躍現(xiàn)象的有效解決方案。

圖1.超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)及其數(shù)值模型

針對(duì)上述難題，力學(xué)與土木建筑學(xué)院薛存副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種開創(chuàng)性的大規(guī)模GPU并行數(shù)值算法，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬真實(shí)尺寸千匝級(jí)超導(dǎo)磁體跨尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)在勵(lì)磁過程中電磁、溫度和應(yīng)變多物理場(chǎng)的錯(cuò)綜復(fù)雜交織效應(yīng)。利用該數(shù)值方法，進(jìn)一步揭示了力學(xué)作用下超導(dǎo)線圈磁-熱不穩(wěn)定性（包括磁通跳躍和失超）的動(dòng)態(tài)傳播機(jī)制。該方法已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所離子源Nb3Sn超導(dǎo)磁體線圈的分析，揭示了Nb3Sn超導(dǎo)線圈復(fù)雜磁通跳躍現(xiàn)象的形成機(jī)制。該研究結(jié)果將可能成為未來高場(chǎng)磁體、特別是高場(chǎng)內(nèi)錫法Nb3Sn超導(dǎo)磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要理論工具。

圖2.勵(lì)磁過程中超導(dǎo)磁體的磁通跳躍

該研究工作由力學(xué)與土木建筑學(xué)院薛存副教授和研究生任晗熹（碩士畢業(yè)后跟我校航空學(xué)院兼職博導(dǎo)周又和院士讀博）、賈鵬、汪慶渝（周又和院士博士生）完成，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所孫良亭研究員和歐賢金博士、西安聚能超導(dǎo)磁體科技股份有限公司劉偉博士、比利時(shí)列日大學(xué)A.V.Silhanek教授為論文共同作者。研究過程中，作者與蘭州大學(xué)周又和院士等專家進(jìn)行了討論。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（12372210、11972298）等項(xiàng)目資助。