核聚变能源，蕴含无限潜力，为地球提供清洁、安全的能源。核聚变发电的燃料为氢同位素，控制聚变反应，需将氢同位素加热至1.5亿度，形成等离子体。所以维持这么高的温度，需要如何避免聚变堆过热呢？
法国CEA团队使用钨极实验超导托卡马克装置（WEST），通过数吨重天线，注入数兆瓦高能射频波，保持等离子体温度。CEA使用多物理场仿真软件，设计的这种耐受热应力天线，极大的提升射频性能，节省了成本并降低了原型所需数量。
等离子体的天线设计挑战
等离子体是一种特殊物质状态，其中电子被剥离原子后可在该状态下自由运动。这种物质具有自由导电性，通电后可以产生热量，与辐射加热器的功能类似。然而，为了实现更高的温度，需要利用等离子体的特性来进一步提升其温度。在这一过程中，CEA的WEST研发的设备向等离子体注入高功率射频波是非常重要的。然而，这个过程也带来了一些挑战。等离子体对天线产生高强度热负载，平均为数万瓦每平方米(kW/m2)，最热的区域可达数兆瓦每平方米(MW/m2)。
此外，兆瓦级的射频由于天线电阻损耗会产生额外的热通量，而且其中一些射频会从等离子体反射回天线。为了应对这些挑战，天线必须通过内部水循环管道进行冷却，以将最高温度限制在几百摄氏度以内。另外，天线还需要承受因等离子体约束突然丧失而产生的机械负荷。这种现象称为“大破裂”，发生在等离子不稳定时。当这种情况发生时，等离子体中循环的电流会在10毫秒或更短时间内从数百万安培陡降至零，这会给面向等离子的组件（例如天线）施加一个巨大的机械扭矩。
热载荷仿真
使用仿真软件计算电阻损耗和热传递，优化流体流动，并将温度场转换成热应力。CEA的工程师们正致力于通过仿真技术对天线的射频（RF）设计进行优化。他们的行动不仅是为了提高能量从天线向等离子体的传输效率，更是为了在后续的热应力分析中预测电阻负载，从而实现更高的性能和更长的使用寿命。
等离子体作为一种磁性介质，其密度和温度从外部到内部逐渐升高，呈现出非均质性的特性。在频域和空间域上，等离子体的表现更是复杂，呈现出非线性特征。尤其是在靠近天线的等离子体边缘，等离子体的性质可能会与回旋介质相近，受到准静态磁场的影响而发生变化。因此，准确模拟等离子体的行为对于天线设计至关重要。
为了应对这一挑战，Ansys HFSS软件的功能得到了加强，使其能够支持复杂回旋介质的建模。这为面向天线的等离子体边缘建模提供了可能。而在天线上，热负载的来源包括电阻损耗、等离子体产生的热通量以及从等离子体反射回天线的RF。通过之前的物理实验和物理模型，我们已经能够确定等离子体的热通量和反射的RF功率。
接下来，工程师们利用Ansys Mechanical有限元分析（FEA）软件，将所有热负载考虑在内，并计算出天线各个点的温度。然后，Ansys Mechanical将温度场转换成热应力，并将其与机械应力进行叠加，以确定整个天线承受的应力和产生的挠度。通过进行疲劳分析，我们还可以确定推荐的设计方案的使用寿命，尤其考虑到大破裂事件的发生。
仿真红外测量
在等离子体表面天线和组件承受的热负载有众多因素影响，这些因素不可能全部通过提前仿真来确定。为了确保安全，我们可以采用红外(IR)摄像头监测天线的表面温度，以便在这些昂贵的组件被损坏之前安全地关断等离子体。因此，验证这些温度测量值的准确性至关重要。IR系统必须具有检测微小热点和温度梯度的能力。
然而，托卡马克装置的金属环境具有很强的反射性，高温区域的多重反射可能会干扰表面温度热信号的评估，从而导致测量值不准确。如果温度测量值偏高，可能会导致不必要的反应堆关闭，这将带来高昂的代价。相反，如果温度测量值偏低，那么容器中的组件就有被损坏的风险。为了避免这些风险，我们需要采用高精度的IR系统，并考虑托卡马克装置的金属环境对测量的影响，以确保红外测量的准确性。通过准确的温度测量，我们可以及时发现问题并采取相应的措施，从而保护昂贵的天线和等离子体表面组件，避免不必要的损失。
CEA利用Ansys SPEOS软件对红外系统进行仿真，以准确测量托卡马克装置的天线和其它组件，如接收等离子体热负载的下偏滤器，等的温度。SPEOS能够建模光子与物质的相互作用及其在红外系统中的复杂传播现象，预测不同材料生成的辐射图像以及材料老化对未来红外成像的影响。
工程师使用SPEOS预测红外系统的全局响应，考虑红外源、托卡马克装置的3D几何结构以及由BSDF确定的材料属性。红外摄像头的几何光学属性，如尺寸、波长范围、光谱透射率和像素数量，也通过仿真进行了建模。仿真确定由不同表面温度形成的实际红外图像，便于校准红外系统并提供准确测量值。
由于单个天线原型需耗资数百万欧元，精准仿真对于研发核聚变能源至关重要，包括磁化等离子体与射频天线之间的电磁相互作用、天线的热应力和红外温度测量。随着CEA工程师向现代电厂规模的聚变发电领域进军，多物理场仿真软件帮助他们全面应对这些挑战。仿真不仅大幅减少了所需完整天线原型的数量，还将设计天线所需的时间从五年缩短至一年，提升了天线性能，同时降低了制造成本。
参考链接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/137410747
https://new.qq.com/rain/a/20240316A02BXK00
https://www.ccnta.cn/article/2853.html