{"id":3554,"date":"2021-12-02T16:18:51","date_gmt":"2021-12-02T15:18:51","guid":{"rendered":"https:\/\/fusioncat.es\/?p=3554"},"modified":"2021-12-02T16:21:48","modified_gmt":"2021-12-02T15:21:48","slug":"icmab","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/noticies\/icmab\/","title":{"rendered":"[Tech] Desenvolupament d\u2019eines HPC per al disseny de components superconductors HTS per a sistemes Tokamak de fusi\u00f3"},"content":{"rendered":"
<\/div>\n

Introducci\u00f3 <\/strong><\/p>\n

El desenvolupament de nous conceptes de Tokamak basats en un camp magn\u00e8tic molt elevat d\u00f3na lloc a la possibilitat d’una nova generaci\u00f3 de sistemes compactes i a crear l’oportunitat d’apropar-se a una fam\u00edlia de sistemes de fusi\u00f3 m\u00e9s enll\u00e0 de l’estat de l’art i, amb aix\u00f2, iniciar la transici\u00f3 de m\u00e0quines enormes a sistemes m\u00e9s redu\u00efts i compatibles amb conceptes com el de generaci\u00f3 distribu\u00efda, amb menor impacte al medi ambient.<\/p>\n

En el desenvolupament dels sistemes de fusi\u00f3, a m\u00e9s de l’evoluci\u00f3 conceptual d’elements cap a noves opcions, com el \u201cblanket l\u00edquid\u201d per exemple, cal introduir nous materials i noves tecnologies per a la construcci\u00f3 d’imants adequats que permetin obtenir camps magn\u00e8tics prou intensos ja que els materials superconductors a baixa temperatura (LTS) no s\u00f3n v\u00e0lids per operar al nivell dels 20T [1] necessaris per als nous dissenys. La qualitat dels cables basats en materials superconductors LTS \u00e9s molt alta, aix\u00ed com les bobines basades en ells [2] per\u00f2 els materials LTS s\u00f3n un dels factors limitants per aconseguir els valors de camp requerits per les noves generacions de reactors compactes de menor cost i de menor impacte.<\/p>\n

El desenvolupament dels anomenats superconductors d’alta temperatura (HTS) ha perm\u00e8s fer imants de fins a 45,5 T [3], mentre que els cables LTS no poden assolir l’estat superconductor en camps superiors a 19 T. El desenvolupament de cablejat per a bobines magn\u00e8tiques amb cables HTS \u00e9s ara un participant estrat\u00e8gic m\u00e9s a la carrera per la fusi\u00f3 a la qual s’han sumat nous actors. Com a m\u00ednim, dues empreses privades (Commonwealth Fusion Systems i Tokamak Energy) planegen construir la primera central compacta cap al 2035. Es considera que les centrals compactes de fusi\u00f3 subministraran 0,5 GW en una configuraci\u00f3 modular que permeti la seva distribuci\u00f3 territorial de forma flexible.<\/p>\n

Els nous dissenys requereixen noves eines. Cables i bobines basats en HTS necessiten un entorn de c\u00e0lcul espec\u00edfic pel que fa a les seves propietats i rendiment tant des del punt de vista mec\u00e0nic, t\u00e8rmic o electromagn\u00e8tic.<\/p>\n

La col\u00b7laboraci\u00f3 entre BSC i ICMAB ha comen\u00e7at a construir un m\u00f2dul de computaci\u00f3 nou per a la plataforma ALYA [5] que permeti la possibilitat d’afrontar els problemes multif\u00edsics que ha d’afrontar el disseny de bobines d’aplicaci\u00f3 en Fusi\u00f3. En una primera etapa, s’ha afrontat el desenvolupament d’un m\u00f2dul electromagn\u00e8tic que permeti el c\u00e0lcul 2D i 3D de la distribuci\u00f3 de la densitat de corrent al cable HTS atenent la seva arquitectura espec\u00edfica i les condicions de treball. Els problemes relatius a la magnetitzaci\u00f3 del conductor HTS per camp extern i pel mateix corrent el\u00e8ctric s’han resolt i provat amb els resultats de benchmarking existent i publicats [4] aix\u00ed com amb solucions obtingudes pel grup d’ICMAB mitjan\u00e7ant COMSOL. En aquest context de col\u00b7laboraci\u00f3 BSC ha desenvolupat el m\u00f2dul Magnet sobre les bases experimentals realitzades per ICMAB posant \u00e8mfasi en incloure els recursos adequats per resoldre els problemes que presenten els HTS en el disseny dels debanats requerits per imants d’un Tokamak. El m\u00f2dul contempla la capacitat d’incloure aspectes mec\u00e0nics i t\u00e8rmics, ja existents a l’entorn ALYA, donant lloc a una eina multifisica de gran utilitat. El projecte inclou el disseny d’assaigs f\u00edsics per validar el c\u00e0lcul. Fent \u00fas de Magnetometria Hall i an\u00e0lisi de p\u00e8rdues que fa ICMAB i constitueixen les peces clau en la verificaci\u00f3 de resultats. En paral\u00b7lel amb BSC, els problemes menys complexos s\u00f3n resolts mitjan\u00e7ant COMSOL per contrastar els resultats amb els obtinguts pel m\u00f2dul \u201cMagnet\u201d.<\/p>\n

 <\/p>\n

El m\u00f2dul Magnet per al c\u00e0lcul HTS<\/strong><\/p>\n

En aquesta primera etapa, s\u201fha desenvolupat el m\u00f2dul HTS per resoldre la formulaci\u00f3 H, per a baixa freq\u00fc\u00e8ncia, de l\u201fequaci\u00f3 de Faraday (ec1), i assumint que els materials HTS es comporten d\u201facord amb l\u201fequaci\u00f3 no lineal (ec. 3) .<\/p>\n

\ud835\udf070 \u2202H<\/strong>\/\u2202t + rot<\/strong>(\ud835\udf0c J<\/strong>)=0 (ec. 1);<\/p>\n

J<\/strong> = rot<\/strong>(H<\/strong>) (ec. 2);<\/p>\n

\ud835\udf0c=Ec\/Jc (J\/Jc)n-1<\/sup> (ec. 3);<\/p>\n

Aquesta formulaci\u00f3 parla directament en termes de les magnituds essencials implicades en els problemes t\u00edpics d\u2019enginyeria superconductora: camp magn\u00e8tic (H<\/strong>) i densitat de corrent el\u00e8ctric (J<\/strong>). Inclou tamb\u00e9 les propietats f\u00edsiques del material implicat com s\u00f3n Jc (corrent cr\u00edtic) i “n”, valors tant mesurats com subministrats pel fabricant. Ec marca el camp el\u00e8ctric aconseguit quan J=Jc. S’accepta convencionalment el valor d’Ec=10-4<\/sup> V\/m. Tot i que ec1. permet resoldre el problema electromagn\u00e8tic, la condici\u00f3 div(H<\/strong>)=0 podria incloure’s ocasionalment de forma expl\u00edcita utilitzant un multiplicador de Lagrange per evitar la possible incompatibilitat d’un sistema sobredeterminat.<\/p>\n

 <\/p>\n

Modelat de les cintes HTS<\/strong><\/p>\n

Els conductors per trenar i fer cables superconductors d’alta temperatura cr\u00edtica s’ofereixen comercialment com a cintes d’un gruix entre 30 i 100 micres i entre 2 i 12 mm d’amplada. En aquestes cintes nom\u00e9s una capa de 1-3 micres correspon a la cer\u00e0mica HTS texturada, amb la seva estructura cristal\u00b7lina orientada al llarg de tota la cinta (fig 1). Aquesta arquitectura de la cinta introdueix una dificultat per al c\u00e0lcul dels valors reals de la densitat de corrent en aquesta capa. La gran difer\u00e8ncia d’escales entre la capa HTS i la mida completa de les cintes condueix a l’anomenada “homogene\u00eftzaci\u00f3”. Aquesta simplificaci\u00f3 significa que el corrent pot fluir per tot el gruix de la cinta, i el valor de Jc \u00e9s el del corrent cr\u00edtic complet (Ic) dividit per l’\u00e0rea de la secci\u00f3 de la cinta. L’efecte d’aquesta suposici\u00f3 nom\u00e9s es pot observar a l’escala del gruix, per\u00f2 no quan es considera el conjunt de la bobina, a escala molt superior. En cas d’un esdeveniment local, com podria ser un punt calent, l’an\u00e0lisi feta a l’escala de gruix de la cinta t\u00e9 sentit considerar l’arquitectura interna del conductor superconductor.<\/p>\n

\"Fig

Fig 1 De les cintes HTS al cable: aproximacions de transposici\u00f3, R\u00f6bel, CORC, Twisting<\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

Caracteritzaci\u00f3 de les cintes HTS<\/strong><\/p>\n

Els valors de Jc i “n” s\u00f3n essencials per a la modelitzaci\u00f3 de sistemes HTS, sent Jc el m\u00e9s cr\u00edtic. \u201cn\u201d t\u00e9 un impacte menor i normalment es considera a l’interval de 20 a 30. No obstant aix\u00f2, en el cas de Jc, aquest valor t\u00e9 un gran impacte en el comportament del material HTS, els valors de Jc= 2×108 A\/ m2 s\u00f3n t\u00edpics a l’\u00e0mbit homogene\u00eftzat, habitual a l’enginyeria HTS. Aquest par\u00e0metre no \u00e9s una constant, dep\u00e8n de la temperatura (T), del camp magn\u00e8tic (H) i tamb\u00e9 de la deformaci\u00f3 (\u03b5<\/strong>) a causa de les condicions mec\u00e0niques en qu\u00e8 treballa el superconductor. A m\u00e9s, la direcci\u00f3 (\u03b1<\/strong>) del camp magn\u00e8tic extern en qu\u00e8 opera el superconductor, en relaci\u00f3 amb l’orientaci\u00f3 de la cer\u00e0mica HTS cristal\u00b7lina tamb\u00e9 modifica el valor de Jc a causa de l’anisotropia de la xarxa dels vidres HTS.<\/p>\n

Els fabricants proporcionen els valors de Jc en funci\u00f3 de B,T i \u03b1, la depend\u00e8ncia amb la deformaci\u00f3 mec\u00e0nica es proporciona indirectament com a tensi\u00f3 cr\u00edtica m\u00e0xima, que \u00e9s la tensi\u00f3 mec\u00e0nica a qu\u00e8 Jc disminueix un 5%. Les mesures d’aquesta depend\u00e8ncia les fan alguns Laboratoris de Recerca. Actualment, ICMAB pot realitzar aquesta caracteritzaci\u00f3 sota camp magn\u00e8tic de fins a 9T a temperatures fins a 5K. Actualment construeix una nova instal\u00b7laci\u00f3 per assolir els 16T, cosa que apropa la seva capacitat als nivells necessaris per a l’estudi d’acceleradors i Tokamaks compactes.<\/p>\n

\"\"

Fig. 2. Dreta: depend\u00e8ncia del corrent cr\u00edtic de les condicions mec\u00e0niques per a una cinta HTS, es detecta un comportament irreversible per a una deformaci\u00f3 superior al 0,5%. Esquerra: comportament est\u00e0ndard als assaigs de fatiga (ICMAB), les mesures han estat realitzades a 77K.<\/p><\/div>\n

\"\"

Fig. 3 Depend\u00e8ncia de Jc amb la deformaci\u00f3 en una cinta HTS tensa, la caiguda local de Jc correlaciona amb la deformaci\u00f3 local mesurada realitzada per ICMAB mitjan\u00e7ant correlaci\u00f3 digital d’imatge i microsc\u00f2pia Hall d’escombrat (ICMAB)<\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

Validaci\u00f3 de resultats<\/strong><\/p>\n

L’aplicaci\u00f3 d’un camp magn\u00e8tic extern sobre un element amb resist\u00e8ncia zero condueix a un apantallament perfecte del camp, el sistema no permet la penetraci\u00f3 del mateix en el seu volum. Els materials HTS (Tipus II) tenen un l\u00edmit per a la densitat de corrent, la densitat cr\u00edtica de corrent, que permet l’entrada del camp per\u00f2, quan s’elimina el camp aplicat, el camp dins del material HTS roman parcialment, nom\u00e9s el conegut com camp atrapat. Aquest camp atrapat correspon als corrents persistents indu\u00efts al material, el camp de densitat de corrent cr\u00edtic. La distribuci\u00f3 al camp presenta els valors locals del corrent cr\u00edtic. La mesura del component perpendicular del camp atrapat es pot fer a la superf\u00edcie de la cinta despr\u00e9s d’estar sotmesa, fins a saturaci\u00f3, a un camp magn\u00e8tic extern utilitzant una sonda Hall que escombra la superf\u00edcie [6]. El mapa de camp magn\u00e8tic obtingut permet el c\u00e0lcul del valor local del corrent cr\u00edtic. Aquesta distribuci\u00f3 permet comparar amb resultats obtinguts a trav\u00e9s de la modelitzaci\u00f3 o obtenir els valors necessaris per a la modelitzaci\u00f3. Aquest procediment es pot realitzar sobre cintes per les quals circula corrent a fi de determinar com se’n distribueix (Fig4).<\/p>\n

\"\"

Fig. 4 A dalt :mapa del camp atrapat despr\u00e9s de magnetitzar amb un camp exterior. Dreta: mapa de corrents cr\u00edtics locals. A baix. Distribuci\u00f3 transversal de Bz a la superf\u00edcie d’una cinta HTS per on circula el corrent. Els valors mesurats permeten la comparaci\u00f3 amb els resultats dels models (mesurats per ICMAB)<\/p><\/div>\n

La caracteritzaci\u00f3 magn\u00e8tica mitjan\u00e7ant microsc\u00f2pia Hall d’escombrat \u00e9s prou potent per comparar els resultats experimentals amb els de la simulaci\u00f3 amb el m\u00f2dul Maxwell desenvolupat per BSC. A la segona etapa, estem desenvolupant mecanismes complementaris de validaci\u00f3 experimental a gran escala del sistema HTS. Entre els valors de m\u00e9s rellev\u00e0ncia en un sistema basat en superconductors hi ha el valor de la pot\u00e8ncia de p\u00e8rdues. \u00c9s un valor cr\u00edtic per al disseny. Les p\u00e8rdues denergia en un superconductor es deuen a lenergia invertida en la formaci\u00f3 del camp magn\u00e8tic intern del superconductor durant els processos de c\u00e0rrega i desc\u00e0rrega. En r\u00e8gim de canvi del camp magn\u00e8tic, es produeix un camp el\u00e8ctric E degut a la variaci\u00f3 de flux. El producte escalar J.E \u00e9s una densitat de pot\u00e8ncia i la seva integral estesa a tot el volum del superconductor constitueix la p\u00e8rdua denergia per unitat de temps durant el cicle de canvi.<\/p>\n

La modelitzaci\u00f3 permet el c\u00e0lcul de p\u00e8rdues i el seu mesurament permet validar experimentalment el c\u00e0lcul realitzat. La seva mida es pot dur a terme seguint dos camins. Una via t\u00e8rmica, que mesura la calor emesa al sistema criog\u00e8nic i una via el\u00e8ctrica que mesura la component real de la imped\u00e0ncia. Tots dos sistemes de mesura estan en desenvolupament a l’ICMAB. El proc\u00e9s de validaci\u00f3 del nou m\u00f2dul d’ALYA es refereix, comparant amb les solucions existents, tant a resoldre el problema en una dimensi\u00f3 redu\u00efda mitjan\u00e7ant COMSOL com a contrastar la seva soluci\u00f3 amb valors experimentals significatius. La figura 5 mostra les p\u00e8rdues per metre i cicle d’una cinta de 12 mm d’amplada quan transporta un corrent altern de 50Hz i 100-800 A, Ic=400A. El c\u00e0lcul de p\u00e8rdues en un bucle o una bobina no cil\u00edndrica (problema 3D) \u00e9s a l’abast de les opcions d’ALYA.<\/p>\n

\"\"

Fig 5 P\u00e8rdues en una cinta que transporta corrent AC (50 Hz) en funci\u00f3 de la intensitat. C\u00e0lcul realitzat amb COMSOL per ICMAB i contrastat amb els valors de benchmarking oferts per HTS Modelling Working group [4]. Cal destacar el canvi de r\u00e8gim quan el corrent excedeix el valor cr\u00edtic en qu\u00e8 les p\u00e8rdues Joule prevalen.<\/p><\/div>[1]Limites NbTi y Nb3Sn, y Desarrollo de W&R Bi\u20132212 High Field Acelerator Magnets A. Godeke, D. Cheng, D. R. Dietderich, P. Ferracin, S. O. Prestemon, G. Sabbi, y R. M. Scanlan. eScholarship Open Access Publications from the University of California (2008)<\/p>\n

[2] A review de comercial high temperatura superconducting materiales para large magnets: from wires and tapes to cables and conductors. D Uglietti; Superconductor Science and Technology, Volume 32, Number 5, April 2020<\/p>\n

[3] 45.5-tesla direct-current magnetic field generated with high-temperature superconducting magnet. Seungyong Hahn, Kwanglok Kim; Nature volume 570, pages496\u2013499(2019)<\/p>\n

[4] HTS numerical modelling workinggroup— www.HTSmodelling.com Benchmarking<\/p>\n

[5] https:\/\/www.bsc.es\/research-development\/research-areas\/engineering-simulations\/alya-high-performance-computational<\/a><\/p>\n

[6] \u201cMagnetic mapping, a way to test and understand current flows in thin and bulk superconductors\u201d. Granados X, Iliescu S, Bozzo B, Bartolome E, Puig T, Obradors X, Amoros J, Carrera M. https:\/\/doi.org\/10.4028\/www.scientific.net\/AST.47.1<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Introducci\u00f3 El desenvolupament de nous conceptes de Tokamak basats en un camp magn\u00e8tic molt […]<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":3592,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[44],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3554"}],"collection":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/users\/6"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3554"}],"version-history":[{"count":17,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3554\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3608,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3554\/revisions\/3608"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media\/3592"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3554"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3554"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3554"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}