近日,力學與土木建筑學院薛存副教授團隊在高場超導磁體磁-熱不穩定性研究方面取得重要進展。相關研究成果以題為“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。
超導線圈是高場磁體的關鍵核心部件,在高能物理、先進醫療、磁約束核聚變等方面有重要應用。然而國內外在研制高場Nb3Sn磁體勵磁過程中，遇到大量磁通跳躍，這種磁熱不穩定性導致超導載流能力急速下降，容易誘發過早失超，嚴重影響超導磁體的安全可靠運行。另外，超導線圈在強磁場、大電流環境下受到強電磁力作用，Nb3Sn超導電磁性能對力學變形很敏感，因此力學作用下Nb3Sn線圈磁-熱不穩定性成為研制高場Nb3Sn磁體亟待解決的難題之一。
Nb3Sn磁體的強非線性電磁特性、跨尺度結構(微米級芯絲、毫米級超導股線、米級超導線圈)、力-電-磁-熱多物理場耦合性等復雜特征給理論研究帶來極大困難，國際上尚未見到分析Nb3Sn磁體中復雜磁通跳躍現象的有效解決方案。
圖1.超導磁體結構及其數值模型
針對上述難題，力學與土木建筑學院薛存副教授團隊提出了一種開創性的大規模GPU并行數值算法，在國際上首次實現了數值模擬真實尺寸千匝級超導磁體跨尺度復合結構在勵磁過程中電磁、溫度和應變多物理場的錯綜復雜交織效應。利用該數值方法，進一步揭示了力學作用下超導線圈磁-熱不穩定性（包括磁通跳躍和失超）的動態傳播機制。該方法已經應用于中國科學院近代物理研究所離子源Nb3Sn超導磁體線圈的分析，揭示了Nb3Sn超導線圈復雜磁通跳躍現象的形成機制。該研究結果將可能成為未來高場磁體、特別是高場內錫法Nb3Sn超導磁體優化設計的重要理論工具。
圖2.勵磁過程中超導磁體的磁通跳躍
該研究工作由力學與土木建筑學院薛存副教授和研究生任晗熹（碩士畢業后跟我校航空學院兼職博導周又和院士讀博）、賈鵬、汪慶渝（周又和院士博士生）完成，中國科學院近代物理研究所孫良亭研究員和歐賢金博士、西安聚能超導磁體科技股份有限公司劉偉博士、比利時列日大學A.V.Silhanek教授為論文共同作者。研究過程中，作者與蘭州大學周又和院士等專家進行了討論。該工作得到了國家自然科學基金（12372210、11972298）等項目資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54406-8
（文圖：薛存；審核：李棟、喬吉超）
