Effiziente 3D-Simulation von Hochtemperatur-Supraleiter-Magneten

Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) sind Schlüsselmaterialien für starke Magnete in Fusion und NMR. Die Simulation großer „No-Insulation"-Spulen war bisher rechnerisch kaum leistbar. Die neue EXTRA-Methode („Explicit Turn Resolution with Anisotropic Homogenisation") löst dieses Problem.

Statt jede Windung explizit zu modellieren, kombiniert der Ansatz homogenisierte Schichten mit der detaillierten Auflösung kritischer Bereiche. Insbesondere Windungen nahe den Stromzuführungen sowie Kontaktzonen bei Defekten der kritischen Stromdichte $J_{\textrm{c}}$ werden präzise abgebildet. Dies ermöglicht akkurate 3D-magnetothermische Finite-Elemente-Simulationen bei moderatem Rechenaufwand.

In Benchmarks reproduzierte die Methode AC-Verluste und Temperaturverteilungen exakt. Bei einem Stack aus 150 Windungen sank die Rechenzeit um den Faktor 13 gegenüber Referenzmodellen. Besonders bemerkenswert ist die erfolgreiche Simulation eines Magneten mit 10.000 Windungen, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich war. Die Software ist Open-Source verfügbar.

Hintergrundwissen: HTS-Materialien wie YBCO bleiben auch bei höheren Temperaturen supraleitend, sind jedoch empfindlich gegenüber lokalen Hotspots. Präzise Simulationen sind daher für das Sicherheitsmanagement und das Design zukünftiger Magnete essenziell.

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