近日, 力学与土木建筑学院薛存副教授团队在高场超导磁体磁-热不稳定性研究方面取得重要进展。相关研究成果以题为“Holistic numerical simulation of a quenching process on a real-size multifilamentary superconducting coil”的论文形式发表在《Nature Communications》（自然•通讯），薛存副教授为该论文的第一作者和通讯作者。

超导线圈是高场磁体的关键核心部件, 在高能物理、先进医疗、磁约束核聚变等方面有重要应用。然而国内外在研制高场Nb₃Sn磁体励磁过程中，遇到大量磁通跳跃，这种磁热不稳定性导致超导载流能力急速下降，容易诱发过早失超，严重影响超导磁体的安全可靠运行。另外，超导线圈在强磁场、大电流环境下受到强电磁力作用，Nb₃Sn超导电磁性能对力学变形很敏感，因此力学作用下Nb₃Sn线圈磁-热不稳定性成为研制高场Nb₃Sn磁体亟待解决的难题之一。

Nb₃Sn磁体的强非线性电磁特性、跨尺度结构(微米级芯丝、毫米级超导股线、米级超导线圈)、力-电-磁-热多物理场耦合性等复杂特征给理论研究带来极大困难，国际上尚未见到分析Nb₃Sn磁体中复杂磁通跳跃现象的有效解决方案。

图1. 超导磁体结构及其数值模型

针对上述难题，力学与土木建筑学院薛存副教授团队提出了一种开创性的大规模GPU并行数值算法，在国际上首次实现了数值模拟真实尺寸千匝级超导磁体跨尺度复合结构在励磁过程中电磁、温度和应变多物理场的错综复杂交织效应。利用该数值方法，进一步揭示了力学作用下超导线圈磁-热不稳定性（包括磁通跳跃和失超）的动态传播机制。该方法已经应用于中国科学院近代物理研究所离子源Nb₃Sn超导磁体线圈的分析，揭示了Nb₃Sn超导线圈复杂磁通跳跃现象的形成机制。该研究结果将可能成为未来高场磁体、特别是高场内锡法Nb₃Sn超导磁体优化设计的重要理论工具。

该研究工作由力学与土木建筑学院薛存副教授和研究生任晗熹（硕士毕业后跟我校航空学院兼职博导周又和院士读博）、贾鹏、汪庆渝（周又和院士博士生）完成，中国科学院近代物理研究所孙良亭研究员和欧贤金博士、西安聚能超导磁体科技股份有限公司刘伟博士、比利时列日大学A.V. Silhanek教授为论文共同作者。研究过程中，作者与兰州大学周又和院士等专家进行了讨论。该工作得到了国家自然科学基金（12372210、11972298）等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54406-8

文图：薛存

审核：李栋 乔吉超