ANSYS 部落格
March 11, 2024
啟動星辰之力
瞭解英國原子能管理局 (UKAEA) 如何利用模擬技術來建構核融合模型以生產乾淨的能源。
什麼能產生比核電廠多四倍的能量，並且幾乎是燃燒石油或煤炭的四百萬倍能量？根據國際原子能總署的說法，是核融合能量。核融合反應發生於兩個輕原子核碰撞形成一個較重原子核的過程中。這一切都發生在電漿中：一種由帶正電的離子和自由移動電子組成的高溫帶電氣體。在此過程中，會釋放出大量能量。這基本上就是驅動我們太陽及其他恆星的反應。
英國原子能管理局 (UKAEA) 的科學家正試圖模擬自然界中發生的核融合反應，在狹小空間中承受極高溫度。UKAEA 研究核融合及相關技術，以推動英國的永續核融合能源。他們的成功取決於氘與氚 (氫的同位素) 的融合，產生氦並以中子的形式釋放能量。
達成核融合的努力值得等待。一旦技術成熟，將實現大量潔淨能源，並帶來重大效益。與其他能源解決方案不同，核融合依賴兩種豐富的氫衍生資源。氘可輕易從海水中提取，而氚則可在反應器內部產生。核融合反應雖難以啟動，但非常容易關閉。它們被視為比核分裂更安全的替代方案，而核分裂已在數個核設施中造成過危險的失控反應。
不過，在核融合具商業可行性之前，UKAEA 的科學家仍需克服一些重大障礙。他們需要解決建造與維護核融合裝置的複雜性，包括無法依賴廣泛測試、運轉中診斷或定期檢查等問題。要完全成功，需仰賴 Ansys 模擬軟體在惡劣環境中進行的現地監測所支援的廣泛虛擬測試與預測性維護。
模擬能夠建構更好的核融合測試裝置
UKAEA 的首要目標是先建造一個結合加熱與磁場的研究裝置 (CHIMERA)，也就是實體測試裝置。該測試裝置專為在類似核融合電廠的環境中測試公尺級原型元件而設計。CHIMERA 將在真空條件下同時對元件施加高溫、高熱通量、磁負載、熱循環及其他失效模式，以瞭解核融合反應器中元件的行為表現。
英國原子能管理局 (UKAEA) 正在建造一個名為 CHIMERA 的反應器測試裝置，並使用模擬來最佳化其輸出。
CHIMERA 目前正在建造中。UKAEA 過去在原型設計與測試方面並未事先進行模擬作業——這正是團隊希望透過 Ansys 軟體加以改變的地方。在虛擬環境中建立支持核融合所需高溫與高壓的條件是一項優先事項。在沒有模擬的虛擬環境之外，反覆測試與製作原型將在資源與時間上變得昂貴且低效。
為了有效運作測試裝置，團隊必須對其進行建模，並施加各種多重物理量負載條件，以瞭解測試元件的行為。為此，UKAEA 的工程分析師、模擬研究人員 Michelle Tindall 正在借助 Ansys Twin Builder 建構一個核融合元件的數位孿生，將用於模擬環境中的 CHIMERA 元件虛擬測試與監控。依定義，數位孿生是對現實世界實體與流程的虛擬再現，並以特定的頻率與傳真度進行同步。
建立 CHIMERA 的系統模型或數位孿生，需要將計算模型與其實體對應物 (CHIMERA) 進行耦合，並透過資料流動進行動態更新。計算建模是透過對 CHIMERA 各項元件的模擬實現，這些元件將在測試裝置中進行考量。最終，結合實體儀器資料與模擬的元件數位孿生可用於提供虛擬的即時診斷，以支援未來對反應器的預測性維護。
「我們希望使用 CHIMERA 的模擬來設計實驗，並透過與測試的校準，最大化輸出的實用性，從而建立我們對模擬模型的信心與能力。」Tindall 表示。「只有到那時，我們才會對模型有足夠信心，進行虛擬測試計畫。」
CHIMERA 調試樣本測試中 (左)。UKAEA 使用 Ansys Twin Builder 進行 CHIMERA 調試樣本測試的多重物理量系統模擬 (右)。
2 億度的虛擬測試
一種主要的反應器設計是托卡馬克，它是一個甜甜圈形狀的腔體，內部有磁線圈，有助於產生可控的核融合能量。托卡馬克中的磁場負責將極高溫的電漿粒子限制在真空容器中，最終這些粒子會結合產生能量。
瞭解托卡馬克元件在接近電漿時的表現是團隊的優先事項，因為這些元件必須能夠在高負載、高熱通量與冷卻迴路流動的極端環境下生存。原型電廠等級的托卡馬克所涉及的負載情況與運作條件只能在反應器環境中進行測試。
「我們正在測試托卡馬克真空容器內的元件，它們位於高溫電漿旁邊。」Tindall 表示。「那實際上是攝氏 1 億到 2 億度。元件不可能與電漿直接接觸。容器內元件還沒辦法在可以代表商用反應器的條件下進行測試，因此，若我們的目標是商業化核融合能源，那麼先在虛擬環境中複製這些條件就非常重要。」
調試樣本測試中因質量流量與熱/應力峰值而導致前表面溫度變化的範例，為 UKAEA 使用 Ansys optiSLang 所執行的結果。
完成水流迴路的模擬
目前，UKAEA 正專注於模擬一個涉及水流迴路的調試樣本，這是第一個將被安裝進 CHIMERA 的元件。調試是使電廠、研究設備與燃料循環設施的所有系統與元件能夠運作並驗證其運作完整性的過程。此過程確保所有元件符合其原始設計，並達到所有安全與效能標準。
「從我們的角度來看，重點在於使用 Twin Builder 可以讓我們將多個元素連接在一起，建立一個運行快速的多重物理量模型，用來瞭解各種結果。」Tindall 表示。「它讓我們能夠進行機率式模擬設計研究與有限元素分析，這是僅靠底層有限元素模型難以有效率完成的。」
閱讀最新案例研究以瞭解更多細節，其中包括分析過程中使用 Ansys Maxwell 電磁場模擬軟體的資訊。