KR100732053B1 - 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법 - Google Patents

초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법 Download PDF

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임병수
김기만
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Abstract

본 발명은 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 핵융합장치에 사용되는 초전도 코일의 제작시 원형이 보존된 상태로 코일 내부에 삽입됨으로써, 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하여 초전도자석의 초전도상태를 확인하는 데 목적이 있다. 이를 위해 초전도 선재 내부 전압탭 센서는, 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하는 전압탭 센서에 있어서, 중심에 구비되는 스테인리스 심선(11)(SS core);과, 스테인리스 심선(11)의 외주연에 형성되는 유리사(12)(S-glass fiber);와, 상기 유리사(12)의 외주연에 형성되는 스테인리스 세선(13)(SS wire);과, 상기 스테인리스 세선(13)의 외주연에 형성되는 스테인리스 피복(14)(SS tube);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
전압탭 센서, 핵융합로, 초전도 자석, 관내연선도체

Description

초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법{VOLTAGE TAP SENSOR IN SUPERCONDUCTIVITY CABLE AND ITS FABRICATION METHOD}
도 1a 및 도 1b는 토카막장치의 각 구조물을 나타내는 구성상태도.
도 2는 본 발명에 따른 내부 전압탭 센서의 구성상태도.
도 3은 본 발명에 따른 전압탭 센서가 삽입되는 위치를 나타낸 단면상태도.
도 4는 본 발명에 따른 마지막 연선 작업 시 다수의 전압탭 센서가 삽입되는 연합상태도.
도 5는 본 발명에 따른 전압탭 센서가 관내연선도체에 배치되되 각각 일정한 간격으로 전압탭 센서의 단부가 형성된 배치상태도.
도 6은 본 발명에 따른 전압탭 센서의 단부를 처리한 단부상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 전압탭 센서 11 : 심선
12 : 유리사 13 : 세선
14 : 피복 20 : 은납 브레이징
본 발명은 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵융합장치에 사용되는 초전도 코일의 제작시 원형이 보존된 상태로 코일 내부에 삽입됨으로써, 초전도자석의 초전도상태를 확인하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법에 관한 것이다.
현재까지 개발된 초전도자석은 지구자장의 26만배에 달하는 13테슬라의 자장을 얻을 수 있으며, 이러한 자장은 핵융합 반응에서 요구되는 플라즈마를 만들고 가두기 위해 필요한 것이다. 따라서 초전도자석의 핵심 기술은 '관내연선도체'(CICC:Cable-in Conduit-Conductor)라고 알려진 각각의 전선을 감아 코일을 형성하여 초전도자석을 제조함에 있다. 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로, 초전도자석의 운전시 침입 또는 발생하는 열을 4.5K로 냉각하기 위해 약 5기압의 초임계 헬륨을 관내연선도체로 강제 순환시킨다.
도 1a 및 도 1b는 국내에서 제작되는 초전도자석을 일예로 나타낸 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 초전도자석(100:SC Magnet)은 고온의 플라즈마를 진공용기 벽에 닿지 않고 가두어두기 위한 것으로, 그 주요장치인 토카막장치(101)를 보유하고 있다. 상기 토카막장치(101)는 TF(Toroidal Field) 및 PF(Poloidal Field) 코일을 사용하여 플라즈마의 생성, 구속, 제어를 담당한다. 도 1b는 도 1a의 토카막장치(101)를 나타내며, TF(Toroidal Field)코일로 구성된 TF 구조물(107)과, CS(Central Solenoid)코일로 구성된 CS 구조물(109)과, PF(Poroidal Field)코일로 구성된 PF 구조물(103) 및 각 구조물을 연결하는 연결구조물(105)로 이루어진다.
상기 TF 구조물(107)로 내설되는 코일은 약 35kA의 직류전류로 운전되며, 상기 CS 구조물(109)의 코일과 PF 구조물(103)의 코일은 펄스운전을 하여 상호 자장변화에 의한 기전력을 진공용기 내부에 발생시켜 플라즈마를 생성하고 플라즈마 전류 및 TF 자장과 함께 플라즈마를 구속시키는 역할을 수행한다.
한편 과거 KSTAR CS 모델 코일 개발에서는, 국내에서 초전도 선재 및 도체 개발이 병행하여 동시에 수행되었기 때문에, 이태리의 EM-LMI 사의 ITER HP-1 선재와 도체가 사용되었다. 이태리의 EM-LMI 사의 CICC의 경우 112 가닥의 초전도 선재와 32 가닥의 구리 선재로 구성되어 있다.
케이블링(Cabling)순서는 3*3*4*4 이었다. 자케팅(Jacketing) 재료는 Stainless Steel 316 LN으로, Stainless Steel 316 LN Tube를 Butt Orbital GTAW(GAS Tungsten Inert Gas Arc Welding)법으로 용접하여 400m 길이로 만든 다음, 144 가닥의 초전도 선재를 풀링(Pulling) 방식으로 삽입하고, 사각단면형태로 롤링(Rolling)하여 만든 것이다.
그러나 상기와 같은 관내연선도체의 제조공정은 전압탭 센서를 케이블 내에 삽입시키는 케이블링을 연속공정으로 제작하기가 어려워 대량생산이 불가능하고 제조시간이 많이 소요되며, 케이블링과정에서 연선 후 전압탭 센서가 제대로 보존되 지 않거나 보존되더라도 센서로써의 기능인 초전도자석의 초전도상태를 확인하는데 있어 기능상 이상이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, 핵융합장치에 사용되는 초전도 코일의 제작시 원형이 보존된 상태로 코일 내부에 삽입됨으로써, 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하여 초전도자석의 초전도상태를 확인하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법은, 심선(11)의 외주연에 유리사(12)를 편조하는 유리사(12) 편조단계;와, 심선(11)에 편조된 유리사(12)의 외주연에 세선(13)을 편조하는 세선(13) 편조단계;와, 편조된 세선(13)의 외주연에 스테인리스 리본을 자케팅하는 자케팅단계;와, 자케팅된 스테인리스 리본의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계;와, 용접된 스테인리스 리본을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
유리사(12) 편조단계 다음에는 재권취하면서 가열하여 유리사(12)의 이물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법을 제공한다.
한편 초전도 선재 내부 전압탭 센서는, 높은 신호대 잡음비로 켄치(Quench)를 검출하는 전압탭 센서에 있어서, 중심에 구비되는 스테인리스 심선(11)(SS core);과, 스테인리스 심선(11)의 외주연에 형성되는 유리사(12)(S-glass fiber);와, 상기 유리사(12)의 외주연에 형성되는 스테인리스 세선(13)(SS wire);과, 상기 스테인리스 세선(13)의 외주연에 형성되는 스테인리스 피복(14)(SS tube);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
전압탭 센서는 관내연선도체의 내부에 삽입시 마지막 집합 연선의 중심에 삽입되어 살아남는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서를 제공한다.
전압탭 센서의 단부는 스테인리스 피복(14), 스테인리스 세선(13) 및 유리사(12)가 일정한 길이만큼 벗겨지고 남은 스테인리스 심선(11)이 구부려져 전압탭 센서의 외측에 은납 브레이징(20)으로 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서를 제공한다.
전압탭 센서의 단부는 다수의 전압탭 센서에 각기 다른 일정한 간격으로 형성되어 각 부위의 초전도상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법을 살펴보면 다음과 같다.
우선 첫 번째 단계는 유리사(12)(S-glass fiber) 편조단계(S100)로써, 심선(11)(SS core)의 외주연에 유리사(12)를 편조하는 단계이다. 이 단계에서는 외경 0.3 mm인 스테인리스 심선(11)의 외주연에 유리사(12)를 편조한다. 유리사(12)는 Advanced Glassfiber Yarns 사에서 생산되는 S-2 Glass TM의 일종인 세선 직경 9 ㎛의 SCG150 1/0 1.0Z 636이나, 본 발명에 설명된 재료는 일예를 나타낸 것으로 명시된 재료에 한정되지 않음은 물론이다.
다음 단계는 세선(13)(SS wire) 편조단계(S200)로써, 심선(11)에 편조된 유리사(12)의 외주연에 세선(13)을 편조하는 단계이다. 이 단계에서는 심선(11)의 외주연에 형성된 유리사(12)의 외주연에 65㎛ 스테인리스 세선(13)을 편조한다.
다음 단계는 자케팅(Jacketing)단계(S300)로써, 편조된 세선(13)의 외주연에 스테인리스 리본을 자케팅하는 단계이다. 이 단계에서는 두께 0.15 mm, 폭 4.85 mm의 스테인리스 리본을 외경 1.54 mm인 원이 되도록 자케팅을 하고, 중심에는 연속적으로 센서선이 공급되며, 사용되는 스테인리스 재질은 모두 316L이다.
다음 단계는 용접(Welding)단계(S400)로써, 자케팅된 스테인리스 리본의 길이방향의 맞대어진 단부를 용접하는 단계이다.
다음 단계는 사이징(Sizing)단계(S500)로써, 용접된 스테인리스 리본을 원형단면으로 사이징하는 단계이다. 이 단계에서는 최종적으로 센서를 보호할 목적으로 외경 1.32 mm의 스테인리스 피복(14)(SS tube)을 입힌다.
한편 유리사(12) 편조단계(S100) 다음에는 심선(11)에 편조된 유리사(12)를 재권취하면서 가열하여 유리사(12)의 이물질을 제거하는 데, 유리사(12) 편조 후에 유리사(12)에 부착되어 있는 이물질을 태워버리기 위하여 가스토치를 이용한다.
상기와 같은 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법으로 제조된 전압탭 센서에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 내부 전압탭 센서의 구성상태도이다.
전압탭 센서(10)는 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하는 수단으로, 전압탭 센서(10)의 중심에 스테인리스 심선(11)(SS core)이 구비되고, 스테인리스 심선(11)의 외주연에 유리사(12)(S-glass fiber)가 형성된다. 상기 유리사(12)의 외주연에는 스테인리스 세선(13)(SS wire)이 형성되며, 상기 스테인리스 세선(13)의 외주연에 스테인리스 피복(14)(SS tube)이 형성된다.
여기서 유리사(12)는 절연체의 역할을 하며, 전압탭 센서(10)의 단위길이당 저항은 약 12 Ω이고, 절연 내압은 공기 중에서 800± 50 V로 측정되었다.
전압탭 센서(10)는 관내연선도체의 내부에 삽입시 마지막 연선의 중심에 삽입되어 본래 기능상 이상이 없이 보존된다.
케이블 내에서 전압탭 센서(10)를 삽입할 수 있는 위치는 도 3에서와 같이 마지막 연선의 중심(A), 마지막 연선의 바깥쪽 골(B), 마지막 서브케이블의 중심(C) 그리고 3연선의 중심(D)이다.
여기서 잡음전압이 낮을수록 잡음에 강하다는 것에 비추어, A의 경우는 최대 잡음 전압이 281.6 mV, B의 경우는 최대 잡음 전압이 1333.5 mV, D의 경우 최대 잡음 전압이 1.61 mV으로 D가 가장 잡음에 강하고, A가 비교적 잡음에 강한 편이며, B가 가장 잡음에 취약한 것을 알 수 있다.
상기와 같이 케이블 내에 전압탭 센서(10)를 삽입하여 관내연선도체를 제작하는 과정은, 초전도 선재를 케이블로 만드는 케이블링단계와, 상기 케이블을 스트립으로 감싸는 자케팅단계와, 감싸여진 스트립의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계;와, 스트립으로 감싸져 용접된 케이블을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계와, 원형단면의 케이블을 사각단면으로 롤링하는 롤링단계로 이루어진다.
상기의 단계 중 전압탭 센서(10)가 삽입되는 단계는 케이블링단계이며, 케이블링단계에서 최종적으로 연선이 일어나는 과정 중에 케이블 내 전압탭 센서(10)를 삽입한다.
도 3은 본 발명에 따른 전압탭 센서가 삽입되는 위치를 나타낸 단면상태도이고, 도 4는 본 발명에 따른 마지막 연선 작업 시 다수의 전압탭 센서가 삽입되는 연합상태도이다.
상기의 단계 중 마지막 롤링단계를 거치는 최종 케이블은 관내연선도체의 조관공정 중에 사각형으로 변하게 되는데, D 경우의 전압탭 센서(10)는 너무 많이 변형되어 센서가 기능상의 이상이 없이 보존되지 못한다. 따라서 비교적 잡음에 강하면서도 조관 공정에도 안전하다고 입증된 A의 지점을 선택하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 선재 내부 전압탭 센서가 관내연선도체에 배치되되 각각 일정한 간격으로 전압탭 센서의 단부가 형성된 배치상태도이다.
전압탭 센서(10)는 앞에서 살펴본 바와 같이 마지막 연선의 중심부분에 삽입되되, 도 5에서 보는 바와 같이 전체 관내연선도체를 5등분하여 유사한 간격으로 단말부를 만들어 삽입된다. 이는 각 부위의 초전도자석의 전압과 저항값을 측정하여 각 부위의 초전도상태를 확인하기 위함이다.
도 6은 본 발명에 따른 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 단부를 처리한 단부상태도이다.
단말 작업의 개념은 도 6에서 보는 바와 같이 전압탭 센서(10)의 단말부를 형성하고, 상기 전압탭 센서(10)의 단말부를 형성하는 용접은 브레이징 용접으로, 브레이징 용접에 사용되는 용가제와 플럭스의 사양은 다음과 같다.
용가제(Brazing Wire)는 Ag 72%, Cu 28%, Bag-8에 해당, 외경 0.025, 녹는점 730 ℃, 유동점 780 ℃이고, 플럭스는 #601 Silver Brazing Paste Flux이다.
상기 전압탭 센서(10)의 단말부 브레이징 작업의 요령은 다음과 같다.
우선 센서 피복된 부위(스테인리스 피복, 스테인리스 세선, 유리사)을 약 1 cm 정도 벗겨 낸 후 센서 심선(11)을 180°구부리고, 브레이징 작업을 할 전압탭 센서(10)의 외측부위(20)에 페이스트 플럭스를 바른다.
그리고 페이스트 플럭스(번호 생략)가 발라진 부위에 토치를 점화하여 페이스트 플럭스(번호 생략)가 활성화되도록 브레이징부를 가열하고, 모재가 빨갛게 달구어 졌을 때 용가제를 소량 공급하여 순간적으로 페이스트 플럭스(번호 생략)가 전압탭 센서(10)의 외측 스테인리스 피복(14)에 녹아 퍼지게 한다. 브레이징부가 산화되는 것을 방지하기 위해 액상의 플럭스에 담가 급랭시키는데, 액상의 플럭스는 페이스트 플럭스(번호 생략)와는 다른 종류이다. 끝으로 전압탭 센서(10)의 외측부위에 잔존하는 플럭스 잔유물을 제거하고 세척한다.
상기와 같은 방법으로 용접된 전압탭 센서(10)의 단말부는 전압탭 센서(10)의 단부에서 스테인리스 피복(14), 스테인리스 세선(13) 및 유리사(12)가 일정한 길이만큼 벗겨지고 남은 스테인리스 심선(11)이 180°구부려져 전압탭 센서(10)의 외측 스테인리스 피복(14)에 은납으로 용접되어 부착된 상태가 된다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
전압탭 센서(VTS, Voltage Tap Sensor)는 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하는데 사용된다. 특히 관내연선도체에 삽입된 전압탭 센서는 관내연선도체의 위치에 따른 전압을 측정함으로써 자석코일의 초전도상태를 파악할 수 있다.
도 5에서 보는 바와 같이 관내연선도체의 초전도상태를 파악하는 일예를 살펴보면, 관내연선도체(50)의 2/5 지점의 초전도상태를 확인하는 경우 관내연선도체의 2/5 지점의 내측 어느 한 곳에 전압측정수단(90)의 한 단자를 연결하고 관내연선도체의 2/5 지점에 단부 처리된 세 번째 전압탭 센서(10)의 노출된 스테인레스 심선(11)에 전압측정수단(90)의 다른 단자를 연결하여 연결된 두 점사이의 전압을 측정한다.
아울러 측정된 전압과 흘려준 전류를 통해 저항을 알아냄으로써, 저항값의 유무를 확인하여 관내연선도체의 초전도상태를 파악할 수 있다.
여기서 관내연선도체의 2/5 지점에 세 번째 전압탭 센서의 단부가 형성되어 세 번째 전압탭 센서의 외측에 용접된 스테인리스 심선(11)이 관내연선도체와 접촉 함으로써 전류가 흐른다.
전류가 흐르는 경로를 보면, 세 번째 전압탭 센서의 일단부인 노출된 스테인리스 심선(11)의 단부, 세 번째 전압탭 센서의 타단부인 관내연선도체의 2/5 지점, 관내연선도체에 접지된 전압측정수단의 단자 그리고 노출된 스테인리스 심선(11)의 단부에 접지된 전압측정수단의 단자를 통해 전류가 흐른다.
상기와 같은 방법으로 관내연선도체의 2/5 지점 외의 위치도 전압을 측정하여 저항값의 여부에 따라 초전도상태를 확인할 수 있다. 예를 들어 관내연선도체의 2/5 지점의 저항값은 측정되지 않았으나, 관내연선도체의 3/5 지점의 저항값이 측정되었다면, 관내연선도체의 2/5~3/5 지점 구간이 초전도상태가 아니라는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 상기의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없 이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 초전도 선재 내부 전압탭 센서 및 그 제작방법은 핵융합장치에 사용되는 초전도 코일의 제작시 잡음에 강한 마지막 연선의 중앙에 전압탭 센서를 삽입시킴으로써 원형이 보존된 상태로 코일 내부에 형성되고, 전압탭 센서의 단부를 관내연선도체의 길이방향으로 일정한 간격마다 각각 형성시킴으로써 관내연선도체의 초전도상태를 확인할 수 있다.
또한 관내연선도체의 제조공정 중 케이블링에서 연속적으로 전압탭 센서를 케이블 내에 삽입시킴으로써 대량생산이 가능하고 제조시간이 단축될 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 심선(11)의 외주연에 유리사(12)를 편조하는 유리사(12) 편조단계;와,
    심선(11)에 편조된 유리사(12)의 외주연에 세선(13)을 편조하는 세선(13) 편조단계;와,
    편조된 세선(13)의 외주연에 스테인리스 리본을 자케팅하는 자케팅단계;와,
    자케팅된 스테인리스 리본의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계;와,
    용접된 스테인리스 리본을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리사(12) 편조단계 다음에는 재권취하면서 가열하여 유리사(12)의 이물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서의 제작방법.
  3. 높은 신호대 잡음비로 켄치를 검출하는 전압탭 센서에 있어서,
    중심에 구비되는 스테인리스 심선(11);과, 스테인리스 심선(11)의 외주연에 형성되는 유리사(12);와, 상기 유리사(12)의 외주연에 형성되는 스테인리스 세선(13);과, 상기 스테인리스 세선(13)의 외주연에 형성되는 스테인리스 피복(14); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압탭 센서는 관내연선도체의 내부에 삽입시 마지막 연선의 중심에 삽입되어 살아남는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압탭 센서의 단부는 스테인리스 피복(14), 스테인리스 세선(13) 및 유리사(12)가 일정한 길이만큼 벗겨지고 남은 스테인리스 심선(11)이 구부려져 전압탭 센서의 외측에 은납(브레이징)(20)으로 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전압탭 센서의 단부는 다수의 전압탭 센서에 각기 다른 일정한 간격으로 형성되어 각 부위의 초전도상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 초전도 선재 내부 전압탭 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6287914A (ja) 1985-10-14 1987-04-22 Kiyoshi Hajikano 光フアイバ−
JPH0271592A (ja) * 1988-09-06 1990-03-12 Maspro Denkoh Corp 電子機器ケースにおける取付部の構造
US5067044A (en) 1990-03-05 1991-11-19 Westinghouse Electric Corp. Sensor for detecting a quench in a superconductor using an optical coupling

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