掌控恒星能量

了解英国原子能管理局（UKAEA）如何利用仿真对聚变进行建模，以实现清洁能源生产。

什么能够产生比核电厂多四倍、比燃油或煤炭多近四百万倍的能量？据国际原子能机构称，答案是聚变能。两个轻原子核碰撞形成一个更重的原子核，就会发生聚变反应。所有这些都发生在等离子体中——一种由正离子和自由移动电子组成的高温带电气体。该过程将释放大量能量。这在本质上与太阳和其他恒星的能量反应是相同的。

英国原子能管理局（UKAEA）的科学家们正在试图模仿自然界中发生的核聚变，即在有限的狭小空间内创造极高温度条件。UKAEA致力于研究聚变和相关技术，促进英国的可持续聚变能发展。他们的成功依赖于氘和氚（氢同位素）的聚变——二者聚变生成氦，同时释放能量并产生一个中子。

实现核聚变的工作是一个值得等待的过程，因为一旦完善，其将实现大量清洁能源，并带来一些巨大的优势。与其他能源解决方案不同，聚变依赖于两种来源丰富的氢衍生资源。其中，氘很容易从海水中提取，而氚可以在反应堆内部生成。聚变反应的触发条件虽然非常苛刻，但也很容易将其终止，因此其可被视为一种更安全的核裂变替代方案，毕竟核裂变已经在多个核设施中造成了危险的失控反应。

不过，在聚变实现商业可行性之前，UKAEA科学家仍必须清除一些重大障碍。他们需要解决构建和维护聚变机器的复杂性，包括无法依赖大量测试、运行中诊断或定期检查。为了确保全面成功，就需要在Ansys仿真软件的帮助下，基于恶劣环境中的现场监控，实现大量的虚拟测试和预测性维护。

仿真助力构建更优的核聚变测试装置

UKAEA的主要目标是首先构建热磁联合研究装置（CHIMERA），即物理测试装置。该测试装置专门用于在能代表核聚变电厂的环境中测试米级原型组件。CHIMERA将使真空中的组件同时承受高温、高热通量、磁性载荷、热循环和其他失效模式，以了解聚变反应堆中组件的行为方式。 

CHIMERA目前正在建设中。UKAEA曾经在没有开展前期仿真工作的情况下就进行原型设计和测试，而在使用Ansys软件后，该团队打算做出改变。之前，他们的首要任务是创建支持高温和压力的条件，以促进虚拟环境中的聚变。如果没有仿真提供的虚拟环境，迭代测试和原型构建不仅成本高昂（耗费大量资源和时间），而且效率低下。

为了有效地操作测试装置，团队必须对其进行建模，并使其受到相关的各种多物理场载荷条件的约束，以了解测试组件的行为方式。为此，UKAEA仿真研究工程分析师Michelle Tindall正在Ansys Twin Builder的帮助下开发聚变组件数字孪生，该数字孪生将用于在仿真环境中对CHIMERA组件进行虚拟测试和监控。根据定义，数字孪生是‍一种以特定频率和保真度，与现实世界的物理实体和流程同步的虚拟表示‍。

创建CHIMERA的系统模型或数字孪生，需要将计算模型与物理对象（CHIMERA）耦合，该物理对象可以通过数据流进行动态更新。其中，计算建模可通过对测试装置需考虑的各种CHIMERA组件进行仿真来实现。最终，将物理仪器数据与仿真相结合的组件数字孪生可用于提供虚拟实时诊断，以支持反应堆未来的预测性维护。

Tindall表示：“我们希望使用CHIMERA仿真来设计实验，并最大限度地发挥输出数据的作用，再通过与实际测试的校准，来提高仿真模型的置信度和能力。只有那样，我们才能对模型有足够的信心，以开展虚拟测试活动。”

2亿度的虚拟测试

托卡马克（Tokomak）是一种业界领先的反应堆设计，它是一种环形真空室，并且反应堆中带有磁性线圈，有助于产生受控的聚变能。托卡马克中的磁场负责将极热的等离子体粒子限制在真空容器中，这些粒子最终将结合起来产生能量。

团队的首要任务是了解托卡马克组件在等离子体附近的表现，因为这些部件必须能够在相对极端的环境中承受高载荷、高热通量和冷却剂回路流动。原型发电厂级别中的托卡马克，涉及只能在反应堆环境中测试的载荷工况和工作条件。

Tindall表示：“我们正在研究测试组件，这些组件位于托卡马克真空容器内部，紧邻等离子体，它们的温度非常高，高达1亿到2亿度，所以组件不能直接接触等离子体。容器内的组件尚未在商用反应堆的条件下进行测试，因此，如果我们要将聚变能实现商业化，先在虚拟环境中复现这些条件就至关重要。”

实现水流体回路流动闭合回路

目前，UKAEA正在将其仿真工作重点放在涉及水流体回路的待测调试样本上，这是将要放置到CHIMERA中的第一个组件。调试流程涉及启用和验证发电厂、研究机器和燃料循环设施的所有系统和组件的运行完整性。该流程可确保所有组件都与其原始设计保持一致，并满足所有安全和性能标准。

Tindall表示：“从我们的角度来看，最重要的是，通过使用Twin Builder，我们可以将许多元素连接在一起，形成快速运行的多物理场模型，从而能够了解各种结果。如果仅使用基础有限元模型，我们将无法有效实现这些概率仿真设计研究和有限元分析。”

如欲了解更多信息，欢迎阅读最新的案例研究，其中包括如何在分析过程中使用Ansys Maxwell电磁场仿真软件。