原力超导研究团队在聚变用无绝缘超导线圈动态仿真取得重要进展

在应用超导领域，无绝缘超导绕组作为高性能超导器件的核心组成部分，其失超暂态过程的精准仿真与分析是超导器件研发与应用的关键环节，而这一环节的实现，核心依赖于精准高效建立电感矩阵并解决推导过程中的奇异值问题。当前，在采用部分元等效电路（PEEC）模型对无绝缘超导绕组进行电磁建模时，自感计算阶段极易出现积分奇异值问题，该问题会严重影响电感矩阵的准确性，进而导致失超分析的可靠性大幅降低，成为制约超导失超机理揭示、器件设计优化及运行安全性提升的核心技术瓶颈，也是超导失超保护AI算法研发的重要障碍，亟待提出有效的解决方法。

温度分布图

电流分布图

为攻克上述技术难题，原力超导公司研究团队联合清华大学物理系顾晨老师团队聚焦无绝缘超导绕组电感矩阵构建与奇异值消除核心需求，针对环形、线叠、D形三种广泛应用于超导故障限流器、高温超导线圈等器件的常用无绝缘超导绕组展开系统性研究。研究团队采用PEEC模型，将超导绕组分解为多个独立线段，基于麦克斯韦方程组积分形式，精准计算各线段的电阻、电感参数并构建参数矩阵，该建模方式适配复杂电路超导器件建模需求。 在电感参数推导过程中，团队以磁矢位A与电流密度J的内在关联为理论基础，针对各独立线段自感计算时出现的积分奇异值问题，创新采用分部积分法，通过严谨的数学推导与验证，成功实现奇异值的有效消除，保障了电感矩阵的精准性与合理性。目前本仿真模型可实现百匝级、全尺寸无绝缘超导线圈的失超暂态、电磁耦合、电流分流、电热分布等关键特性的高精度、高效率动态仿真，计算效率显著优于有限元方法，可直接支撑工程化磁体设计与安全评估。

 相关研究成果以“Establishment of the Inductance Matrix of Uninsulated Superconducting Windings With Different Shapes and the Treatment of Their Singular Value Problems”为题，正式发表于应用超导领域权威期刊IEEE Transactions on Applied Superconductivity（Volume: 36 Issue: 5）；第一作者：张敬因，通讯作者：赖凌峰、顾晨；本研究得到国家自然科学基金(项目编号：52377027)，南方电网科技项目（项目编号：GDKJXM20230983）联合资助（项目编号：GDKJXM20230983）。 研究构建的精准电感矩阵及奇异值解决方案，不仅能为失超暂态仿真提供精准的数据支撑，更是超导失超保护AI算法的核心基础，可有效保障AI算法预训练数据的准确性与运算的快速性，助力超导失超保护AI算法的研发与优化。特别说明的，本计算完全采用Python语言编制，为计算自主性、开放性、扩展性打下基础。

部分用于教学科普宣传用研究成果，可见nusep.phys.tsinghua.edu.cn平台。