{"id":3555,"date":"2021-12-02T16:19:01","date_gmt":"2021-12-02T15:19:01","guid":{"rendered":"https:\/\/fusioncat.es\/?p=3555"},"modified":"2021-12-02T16:20:51","modified_gmt":"2021-12-02T15:20:51","slug":"icmab","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/es\/noticias\/icmab\/","title":{"rendered":"[Tech] Desarrollo de herramientas HPC para el dise\u00f1o de componentes superconductores HTS para Tokamaks de fusi\u00f3n"},"content":{"rendered":"

Introducci\u00f3n<\/strong><\/p>\n

El desarrollo de nuevos conceptos de Tokamak basados \u200b\u200ben un campo magn\u00e9tico muy intenso abre el paso a una nueva generaci\u00f3n de sistemas compactos y da oportunidad a una nueva familia de sistemas de fusi\u00f3n m\u00e1s all\u00e1 del estado del arte y, con ello, iniciar la transici\u00f3n de m\u00e1quinas enormes a sistemas m\u00e1s reducidos y compatibles con conceptos como el de generaci\u00f3n distribuida, con menor impacto en el medio ambiente.Adem\u00e1s de la evoluci\u00f3n conceptual de los elementos b\u00e1sicos hacia nuevas opciones de sistemas de fusi\u00f3n, como el \u201cblanket l\u00edquido\u201d por ejemplo, es necesario introducir nuevos materiales y nuevas tecnolog\u00edas para la construcci\u00f3n de imanes adecuados que permitan obtener campos magn\u00e9ticos suficientemente intensos, del orden de 20T [1]. La calidad de los cables basados \u200b\u200ben Superconductores de Baja Temperatura (LTS) es muy alta, al igual que las bobinas basadas en ellos [2] pero los materiales LTS son uno de los factores limitantes para alcanzar los valores de densidad de flujo requeridos por las nuevas generaciones de reactores compactos m\u00e1s peque\u00f1os de menor costo y menor impacto ambiental. El desarrollo de los llamados superconductores de alta temperatura (HTS) ha permitido realizar imanes de hasta 45,5T [3], mientras que los cables LTS no pueden alcanzar el estado superconductor en campos superiores a 19 T. El desarrollo de cables HTS para bobinas magn\u00e9ticas es ahora un elemento estrat\u00e9gico m\u00e1s en la carrera por la fusi\u00f3n a la que se han sumado nuevos actores. Como m\u00ednimo, dos empresas privadas (Commonwealth Fusion Systems y Tokamak Energy) planean construir la primera central compacta hacia 2035. Se considera que los reactores de fusi\u00f3n compactos suministrar\u00e1n 0,5 GW en una configuraci\u00f3n modular que permita su distribuci\u00f3n territorial de forma flexible.Los nuevos dise\u00f1os requieren nuevas herramientas. Cables y bobinas basados \u200b\u200ben HTS necesitan un entorno de c\u00e1lculo espec\u00edfico en lo que respecta a sus propiedades y rendimiento tanto desde el punto de vista mec\u00e1nico como t\u00e9rmico o electromagn\u00e9tico.La colaboraci\u00f3n entre BSC e ICMAB ha empezado por construir un nuevo m\u00f3dulo de computaci\u00f3n para la plataforma ALYA [5] que permita la posibilidad de afrontar los problemas multif\u00edsicos que debe afrontar el dise\u00f1o de bobinas de aplicaci\u00f3n en Fusi\u00f3n. En una primera etapa, se ha afrontado el desarrollo de un m\u00f3dulo electromagn\u00e9tico que permita el c\u00e1lculo 2D y 3D de la distribuci\u00f3n de la densidad de corriente en el cable HTS atendiendo a su arquitectura espec\u00edfica y las condiciones de trabajo. Los problemas relativos a la magnetizaci\u00f3n del conductor HTS por campo externo y por la propia corriente el\u00e9ctrica se han resuelto y comprobado por comparaci\u00f3n con los resultados de benchmarking existentes y publicados [4] as\u00ed como con soluciones obtenidas por el grupo de ICMAB mediante COMSOL. En este contexto de colaboraci\u00f3n, BSC ha desarrollado el m\u00f3dulo \u201cMagnet\u201d sobre las bases experimentales realizadas por ICMAB haciendo hincapi\u00e9 en incluir los recursos adecuados para resolver los problemas que presentan los HTS en el dise\u00f1o de los devanados necesarios para construir los imanes de un Tokamak. El m\u00f3dulo contempla la capacidad de incluir aspectos mec\u00e1nicos y t\u00e9rmicos, ya existentes en el entorno ALYA, dando lugar a una herramienta multifisica de suma utilidad. El proyecto incluye el dise\u00f1o de ensayos f\u00edsicos para validaci\u00f3n del c\u00e1lculo. Haciendo uso de Magnetometr\u00eda Hall y an\u00e1lisis de p\u00e9rdidas que realiza ICMAB y constituyen las piezas clave en la verificaci\u00f3n de resultados. En paralelo con BSC los problemas menos complejos son resueltos mediante COMSOL para contrastar los resultados con los obtenidos por el m\u00f3dulo \u201cMagnet\u201d.<\/p>\n

El m\u00f3dulo Magnet para el c\u00e1lculo HTS<\/strong><\/p>\n

En esta primera etapa, se ha desarrollado el m\u00f3dulo HTS para resolver la formulaci\u00f3n H, para baja frecuencia, de la ecuaci\u00f3n de Faraday (ec.1), y asumiendo que los materiales HTS se comportan de acuerdo con la ecuaci\u00f3n 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

Esta formulaci\u00f3n habla directamente en t\u00e9rminos de las magnitudes esenciales implicadas en los problemas t\u00edpicos de ingenier\u00eda superconductora: campo magn\u00e9tico (H<\/strong>) y densidad de corriente el\u00e9ctrica (J<\/strong>). Incluye tambi\u00e9n las propiedades f\u00edsicas del material implicado como son Jc (corriente cr\u00edtica) y \u00abn\u00bb, valores tanto medidos como suministrados por el fabricante. Ec marca el campo el\u00e9ctrico conseguido cuando J=Jc. Se acepta convencionalmente el valor de Ec=10-4<\/sup> V\/m. Aunque ec.1. permite resolver el problema electromagn\u00e9tico, la condici\u00f3n div(H<\/strong>)=0 podr\u00eda incluirse ocasionalmente de forma expl\u00edcita utilizando un multiplicador de Lagrange para evitar la posible incompatibilidad de un sistema sobredeterminado.<\/p>\n

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Modelado de las cintas HTS<\/strong><\/p>\n

Los conductores para trenzar y realizar cables superconductores de alta temperatura cr\u00edtica se ofrecen comercialmente como cintas de un espesor entre 30 y 100 micras y entre 2 y 12 mm de anchura. En estas cintas, s\u00f3lo una capa de 1-3 micras corresponde a la cer\u00e1mica HTS texturada, con su estructura cristalina orientada a lo largo de toda la cinta (fig 1). Esta arquitectura de la cinta introduce una dificultad para el c\u00e1lculo de los valores reales de la densidad de corriente en esta capa. La gran diferencia de escalas entre la capa HTS y el tama\u00f1o completo de las cintas conduce a la llamada \u00abhomogeneizaci\u00f3n\u00bb. Esta simplificaci\u00f3n significa que la corriente puede fluir por todo el grosor de la cinta, siendo el valor de Jc<\/sub> el de la corriente cr\u00edtica completa (Ic<\/sub>) dividida por el \u00e1rea de la secci\u00f3n de la cinta. El efecto de esta suposici\u00f3n s\u00f3lo puede observarse en la escala del grosor pero no cuando se considera el conjunto de la bobina, a escala muy superior. En caso de un evento local, como podr\u00eda ser un punto caliente capaz de generar un \u201cquench\u201d, en el an\u00e1lisis realizado en la escala del espesor de la cinta cobra sentido considerar la arquitectura interna del conductor superconductor.<\/p>\n

\"Fig

Fig 1 De las cintas HTS al cable: aproximaciones de transposici\u00f3n, R\u00f6bel, CORC, Twisting<\/p><\/div>\n

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Caracterizaci\u00f3n de las cintas HTS <\/strong><\/p>\n

Los valores de Jc y \u00abn\u00bb son esenciales para la modelizaci\u00f3n de sistemas HTS, siendo Jc el m\u00e1s cr\u00edtico. \u201cn\u201d tiene un impacto menor y normalmente se considera en el intervalo de 20 a 30. Sin embargo, en el caso de Jc, ese valor tiene un gran impacto en el comportamiento del material HTS, los valores de Jc= 2×108<\/sup> A\/ m2<\/sup> son t\u00edpicos en el \u00e1mbito homogeneizado, habitual en la ingenier\u00eda HTS. Este par\u00e1metro no es una constante, depende de la temperatura (T), del campo magn\u00e9tico (H<\/strong>) y tambi\u00e9n de la deformaci\u00f3n (\u03b5<\/strong>) debida a las condiciones mec\u00e1nicas en las que trabaja el superconductor. Adem\u00e1s, la direcci\u00f3n (\u03b1<\/strong>) del campo magn\u00e9tico externo en el que opera el superconductor, en relaci\u00f3n con la orientaci\u00f3n de la cer\u00e1mica HTS cristalina, tambi\u00e9n modifica el valor de Jc<\/sub> debido a la anisotrop\u00eda de la red de los cristales HTS. Los fabricantes proporcionan los valores de Jc<\/sub> en funci\u00f3n de B,T y \u03b1, la dependencia con la deformaci\u00f3n mec\u00e1nica se proporciona indirectamente como tensi\u00f3n cr\u00edtica m\u00e1xima, que es la tensi\u00f3n mec\u00e1nica a la que Jc<\/sub> disminuye un 5%. Las medidas de \u00e9sta dependencia las realizan algunos Laboratorios de Investigaci\u00f3n. En la actualidad, ICMAB puede realizar esta caracterizaci\u00f3n bajo campo magn\u00e9tico de hasta 9T a temperaturas hasta 5K. En la actualidad construye una nueva instalaci\u00f3n para alcanzar los 16T lo que acerca su capacidad a los niveles necesarios para el estudio de aceleradores y Tokamaks compactos.<\/p>\n

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Fig. 2. Derecha: dependencia de la corriente cr\u00edtica de las condiciones mec\u00e1nicas para una cinta HTS, se detecta un comportamiento irreversible para una deformaci\u00f3n superior al 0,5%. Izquierda: comportamiento est\u00e1ndar en los ensayos de fatiga (ICMAB), las medidas han sido realizadas a 77K.<\/p><\/div>\n

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Fig. 3 Dependencia de Jc con la deformaci\u00f3n en una cinta HTS tensa, la ca\u00edda local de Jc correlaciona con la deformaci\u00f3n local. Medida realizada por ICMAB mediante correlaci\u00f3n digital de imagen y microscopia Hall de barrido (ICMAB)<\/p><\/div>\n

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Validaci\u00f3n de resultados <\/strong><\/p>\n

La aplicaci\u00f3n de un campo magn\u00e9tico externo sobre un elemento con resistencia cero conduce a un perfecto apantallamiento del campo, el sistema no permite la penetraci\u00f3n del mismo en su volumen. Los materiales HTS (Tipo II) tienen un l\u00edmite para la densidad de corriente, la densidad cr\u00edtica de corriente, que permite la entrada del campo pero, cuando se elimina el campo aplicado, el campo dentro del material HTS permanece parcialmente, s\u00f3lo el conocido como campo atrapado. Este campo atrapado corresponde a las corrientes persistentes inducidas en el material, el campo de densidad de corriente cr\u00edtica. La distribuci\u00f3n en el campo presenta los valores locales de la corriente cr\u00edtica. La medida de la componente perpendicular del campo atrapado puede realizarse en la superficie de la cinta, despu\u00e9s de estar sometida hasta saturaci\u00f3n a un campo magn\u00e9tico externo, utilizando una sonda Hall que barre la superficie [6]. El mapa de campo magn\u00e9tico obtenido permite el c\u00e1lculo del valor local de la corriente cr\u00edtica. Esta distribuci\u00f3n permite comparar con resultados obtenidos a trav\u00e9s de la modelizaci\u00f3n u obtener los valores necesarios para la modelizaci\u00f3n. Este procedimiento se puede realizar sobre cintas por las que circula corriente al objeto de determinar c\u00f3mo se distribuye la misma (Fig4).<\/p>\n

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Fig. 4 Arriba :mapa del campo atrapado despu\u00e9s de magnetizar con un campo exterior. Derecha: mapa de corrientes cr\u00edticas locales. Abajo. Distribuci\u00f3n transversal de Bz en la superficie de una cinta HTS por la que circula la corriente. Los valores medidos permiten la comparaci\u00f3n con los resultados de los modelos (medidos por ICMAB)<\/p><\/div>\n

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La caracterizaci\u00f3n magn\u00e9tica mediante microscop\u00eda Hall de barrido es lo suficientemente potente como para comparar los resultados experimentales con los de la simulaci\u00f3n con el m\u00f3dulo Magnet desarrollado por BSC. En la segunda etapa, estamos desarrollando mecanismos complementarios de validaci\u00f3n experimental a gran escala del sistema HTS. Entre los valores de mayor relevancia en un sistema basado en superconductores est\u00e1 el valor de la potencia de p\u00e9rdidas. Es un valor cr\u00edtico para el dise\u00f1o. Las p\u00e9rdidas de energ\u00eda en un superconductor se deben a la energ\u00eda invertida en la formaci\u00f3n del campo magn\u00e9tico interno del superconductor durante los procesos de carga y descarga. En r\u00e9gimen de cambio del campo magn\u00e9tico, se produce un campo el\u00e9ctrico E<\/strong> debido a la variaci\u00f3n de flujo. El producto escalar J<\/strong>.E<\/strong> es una densidad de potencia y su integral extendida a todo el volumen del superconductor constituye la p\u00e9rdida de energ\u00eda por unidad de tiempo durante el ciclo de cambio.La modelizaci\u00f3n permite el c\u00e1lculo de p\u00e9rdidas y su medici\u00f3n permite validar experimentalmente el c\u00e1lculo realizado. Su medida se puede llevar a cabo siguiendo dos caminos. Una v\u00eda t\u00e9rmica, que mide el calor emitido en el sistema criog\u00e9nico y una v\u00eda el\u00e9ctrica que mide la componente real de la impedancia. Ambos sistemas de medida est\u00e1n en desarrollo en el ICMAB. El proceso de validaci\u00f3n del nuevo m\u00f3dulo de ALYA se refiere, comparando con las soluciones existentes, tanto a resolver el problema en una reducida dimensi\u00f3n mediante COMSOL como a contrastar su soluci\u00f3n con valores experimentales significativos. La figura 5 muestra las p\u00e9rdidas por metro y ciclo de una cinta de 12 mm de ancho cuando transporta una corriente alterna de 50Hz y desde 100A a 800 A, siendo Ic=400A. El c\u00e1lculo de p\u00e9rdidas en un bucle o bobina no cil\u00edndrica (problema 3D) est\u00e1 al alcance de las opciones de ALYA.<\/p>\n

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Fig 5 P\u00e9rdidas en una cinta que transporta corriente AC (50 Hz) en funci\u00f3n de la intensidad.C\u00e1lculo realizado con COMSOL por ICMAB y contrastado con los valores de benchmarking ofrecidos por HTS Modelling Working group [4]. Es de destacar el cambio de r\u00e9gimen cuando la corriente excede el valor cr\u00edtico.en el que las p\u00e9rdidas Joule prevalecen.<\/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

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