KR100766877B1 - 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법 - Google Patents

초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법에 관한 것으로, 핵융합장치에 사용되는 초전도 도체를 조관방식에 의해 관내연선도체 형태로 제작하여 연속공정이 가능해져 관내연선도체의 대량생산이 가능하고 제작시간을 단축하는 데 목적이 있다.
이를 위해 초전도 선재(11)를 케이블(12)로 만드는 케이블링단계(S100);와, 상기 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸는 자케팅단계(S200);와, 감싸여진 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계(S300);와, 스트립(21)으로 감싸져 용접된 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계(S400);와, 원형단면의 케이블(12)을 사각단면으로 스퀘어링하는 스퀘어링단계(S500);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
관내연선도체, CICC, TF 코일, PF 코일, 핵융합로

Description

초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법 {FABRICATION DEVICE OF SUPERCONDUCTING CABLE-IN-CONDUIT-CONDUCTOR AND ITS FABRICATION METHOD}
도 1a 및 도 1b는 토카막장치의 각 구조물을 나타내는 구성상태도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법을 나타내는 단계도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 선재, 케이블 및 관내연선도체를 나타내는 구성상태도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 Incoloy 908 합금의 조관 용접부 및 HAZ 미세조직을 나타내는 사진.
도 5는 본 발명에 따른 스트립 연결 용접부와 모재의 경도를 비교한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10. 케이블링부 11. 선재
12. 케이블 20. 자케팅용접부
21. 스트립 30. 사이징부
31. 사이징롤 40. 스퀘어링부
41. 스퀘어링롤러
S100. 케이블링단계 S200. 자케팅단계
S300. 용접단계 S400. 사이징단계
S500. 스퀘어링단계
본 발명은 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블링, 자케팅, 용접, 사이징 그리고 스퀘어링단계의 연속적인 공정을 통해 관내연선도체를 제작하여 TF 코일과 PF 코일에 적용하여 토카막장치를 구현하는 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법에 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 제작함에 있다. 관내연선도체(CICC)는 35kA급의 대전류 운전을 위해서 360 또는 486가닥의 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸인 방식의 도체를 사용하여 자석을 제작하는 것으로, 초전도자석의 운전시 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 3x3x4x4이었다. 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 스퀘어링(Rolling)하여 만든 것이다.
그러나 상기와 같은 관내연선도체의 제작공정은 연속공정에 의한 제작이 어려워 대량생산이 불가능하고 제작시간이 많이 소요되며, 플라즈마를 생성시키기 위한 헬륨 소모량이 많고, 강한 힘이 작용하는 환경 하에서 기계적으로 불안정하며, 전기 절연 강도를 낮은 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, 핵융합장치에 사용되는 초전도 도체를 조관방식에 의해 관내연선도체 형태로 제작하여 연속공정이 가능해짐으로써, 관내연선도체의 대량생산이 가능하고 제작시간을 단축하는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공하는데 있다.
또한 플라즈마를 생성시키기 위한 헬륨 소모량이 적고, 강한 힘이 작용하는 환경 하에서 기계적으로 안정되며, 절연이 용이하여 전기 절연 강도를 높이는 관내연선도체를 제작할 수 있는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초전도 관내연선도체의 조관장치는, 초전도 선재(11)를 케이블(12)로 연선하는 케이블링부(10);와, 상기 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸면서 스트립(21) 길이방향 단부를 용접하는 자케팅용접부(20);와, 스트립(21)으로 감싸서 용접한 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 사이징부(30);와, 원형단면의 케이블(12)을 사각단면으로 스퀘어링하는 스퀘어 링부(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
케이블링부(10)는 연선시 케이블(12)의 외경에 따라 3 보빈 연선기와 6 보빈 연선기를 선택하여 사용하고, 케이블 내 전압탭 센서의 삽입시 6 보빈 연합기를 사용하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치를 제공한다.
사이징부(30)는 한 쌍의 사이징롤(31)이 수직과 수평을 번갈아가며 다수 배치되어, 용접된 케이블(12)이 지나가면서 상하좌우 균일하게 원형단면으로 사이징되도록 하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치를 제공한다.
스퀘어링부(40)는 상하좌우에 스퀘어링롤러(41)의 단면을 배설하고 그 사이에 사이징된 케이블(12)을 지나게 하여 사각단면의 케이블(12)로 만드는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치를 제공한다.
한편 초전도 관내연선도체의 조관방법은, 초전도 선재(11)를 케이블(12)로 만드는 케이블링단계(S100);와, 상기 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸는 자케팅단계(S200);와, 감싸여진 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계(S300);와, 스트립(21)으로 감싸져 용접된 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계(S400);와, 원형단면의 케이블(12)을 사각단면으로 스퀘어링하는 스퀘어링단계(S500);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
용접단계는 스트립(21)의 길이방향 단부 및 폭방향 단부를 용접 후 용접부위를 급냉하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공한다.
용접단계는 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접시 액체질소와 물을 사용하는 냉각방식 중 어느 것 하나를 사용하여 급냉하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연 선도체의 조관방법을 제공한다.
용접단계는 용접전류 170∼190A, 용접전압 22V, 용접속도 0.47 m/min, Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar)+0.8 l/min(H2), Back shield gas(He) 4 l/min의 조관용접조건으로 스트립(21)의 길이방향 단부가 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공한다.
용접단계는 용접전류 140~160A, 용접전압 22V, 용접속도 15 cm/min, Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar)+0.8 l/min(H2), 용접봉 Incoloy 908 합금재질의 스트립 조인트 용접조건으로 스트립(21)의 폭방향 단부가 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공한다.
용접단계는 용접 후 발생되는 비드를 제거하여 관내연선도체 표면의 스크래치를 줄이고 전기적으로 단선되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법을 나타내는 단계도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 선재, 케이블 및 관내연선도체를 나타내는 구성상태도이다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 관내연선도체의 조관장치 및 그 조관방법은 케이블링, 자케팅, 용접, 사이징 그리고 스퀘어링단계의 연속적 인 공정을 통해 관내연선도체를 제작하여 TF 코일과 PF 코일에 적용하여 토카막장치를 구현하도록 이루어진다.
초전도 선재(11)를 케이블(12)로 만드는 케이블링(Cabling)부(10)가 구비되고, 상기 케이블링부(10)의 다음에는 상기 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸면서 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접하는 자케팅(Jacketing)용접(Welding)부(20)가 위치된다.
그리고 자케팅용접부(20)의 다음에는 스트립(21)으로 감싸서 용접한 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 사이징(Sizing)부가 위치되고, 사이징부(30)의 다음에는 원형단면의 케이블(12)을 사각단면으로 스퀘어링하는 스퀘어링(Rolling)부가 위치된다.
케이블링부(10)는 연선시 케이블(12)의 외경에 따라 3 보빈 연선기와 6 보빈 연선기를 선택하여 사용하고, 마지막 연선과정인 케이블(12) 내 전압탭 센서의 삽입시 6 보빈 연합기를 사용한다. 여기서 보빈 연선기와 보빈 연합기는 주지관용의 기술이므로 상세한 설명을 생략한다. 도 2a는 초전도 선재와 전압탭센서를 연합하는 케이블링부를 나타내고, 도 3a는 초전도 선재가 권취된 상태를 나타내며, 도 3b는 초전도 선재가 연선 연합되어 케이블이 된 상태를 나타낸다.
자케팅용접부는 일측에 권취된 상태의 케이블(12)이 위치하여 타측으로 풀리고, 케이블(12)의 하측에 권취된 상태의 스트립(21)이 위치하여 케이블(12)과 동일한 방향으로 풀리되 상기 스트립은 케이블(12)을 감싸면서 풀린다. 케이블(12)의 상측에는 용접기(22)가 설치되어 케이블(12)을 감싼 후 접하는 스트립(21)의 길이 방향 단부를 용접한다. 여기서 스트립은 미리 스트립 조인트가 연결된 스트립을 사용한다. 도 2b는 케이블을 스트립으로 자케팅하면서 용접하는 자케팅용접부를 나타낸다.
사이징부(30)는 한 쌍의 사이징롤(31)이 수직과 수평을 번갈아가며 다수 배치되어 스트립의 길이방향 단부가 용접된 케이블(12)이 지나가면서 상하좌우 균일하게 원형단면으로 사이징되도록 하는데, 본 발명에서는 일실시예로 사이징롤의 외주연 중간부위에 형상화하고자 하는 케이블(12)의 원형단면과 같은 형상으로 요홈이 형성되고, 한 쌍의 사이징롤(31)이 수직배치와 수평배치를 번갈아가며 형성되어 4단으로 이루어지되 갈수록 사이징롤(31)의 요홈 반경이 줄어들도록 형성된다. 여기서 수직배치된 사이징롤과 수평배치된 사이징롤은 서로 가이드역할을 하여 스트립이 사이징롤 사이에 찝히지 않도록 한다.
조관과정 중 관내연선도체의 두께가 증가하는 현상을 방지하도록 한 쌍의 사이징롤(31)을 8단으로 배치할 수 있다. 도 2c는 사이징롤 사이에 스트립으로 감싸여지면서 용접된 케이블이 원형단면으로 사이징되는 사이징부를 나타낸다.
스퀘어링부(40)는 상하좌우에 스퀘어링롤러(41)의 단면을 형성하고 그 사이에 사이징된 케이블(12)을 지나게 하여 사각단면의 관내연선도체로 만든다. 도 2d는 스퀘어링롤러를 통과하여 사각단면의 관내연선도체를 제작하는 스퀘어링부를 나타낸다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초전도 관내연선도체의 조관방법을 살 펴보면 다음과 같다. 도 2a는 케이블링단계를 나타내고, 도 2b는 자케팅단계와 용접단계를 나타내며, 도 2c는 사이징단계이면서 도 2d는 스퀘어링단계이다.
우선 첫 번째 단계는 케이블링(Cabling)단계(S100)로써, 선재(11)를 케이블(12)로 연선하는 단계이다.
초전도 관내연선도체(CCIC ; CABLE IN CONDUIT CONDUCTOR)를 만들기 위한 연선 작업에는 초전도 선재(11)가 필요한데, TF 및 PF1-5용 도체에는 Nb3Sn 선재(11)가 사용되고, PF6-7용 도체에는 NbTi 선재(11)가 사용된다. 이때 사용되는 Nb3Sn 선재(11)는 임계전류밀도가 12 T(테슬라: 자기장단위), 4.2 K(켈빈: 절대온도단위)에서 750 A/mm2보다 크고, ± 3 T(테슬라) 사이클에서 교류손실이 250 mJ/cc보다 작은 (KSTAR HP-III급이다 => 특성을 갖는다.) 여기서 TF는 토로이덜 코일용이고, PF는 폴로이덜 코일용이다.
집합연선(Cable)은 TF의 경우 486개의 선재(11)로 이루어지고, PF의 경우 360개의 선재(11)로 이루어진다. 최초 연선 과정인 3연선(Triplet)은 TF나 PF 모두 초전도 선재(11) 두 가닥과 무산소동 선재(11) 한 가닥으로 이루어진다. 따라서 최종적으로 만들어지는 케이블(12)은 초전도 선재(11)가 2/3 만큼 차지하고 무산소동 선재(11)가 1/3 만큼 차지한다.
TF 자석의 경우 기본적으로 직류전류로 운전되기 때문에 피치 길이가 그다지 중요하지 않으나, PF 자석의 경우에는 자장의 세기와 변화율이 매우 큰 영역에서 운전되므로 교류 손실을 줄이기 위해서는 피치 길이를 가능한 작게 하는 것이 중요하다.
마지막 연선 과정에서 케이블(12) 내부에 전압탭 센서(13)를 삽입하고 폭 30 mm, 두께 0.05 mm인 SS 316L(폭이316인 StainSteel-서스테잎) 테잎으로 초전도 선재(11)와 전압탭 센서(의 40%를=>를 서스테잎 폭의 40%씩)겹쳐서 케이블(12)의 외면을 나선형으로 감싼다.
사용되는 연선기는 마지막 연선 과정(케이블 내 전압탭센서의 삽입)을 제외하고 모두 관형식(Tubular Type)을 사용하는데, 관형식은 케이블(12) 외경에 따라 3보빈 연선기와 6보빈 연선기를 선택하여 사용한다. 마지막 연선 과정에서는 6보빈 연합기를 사용하되, 유성기어형식(Planetary Type)으로 운전한다. 도 2a의 케이블링부(10)는 6보빈 연합기를 나타낸다.
관형식과 유성기어형식은 연선 또는 연합 시에 선재(11)를 약간씩 풀어주는 원리를 이용하는데, 이렇게 해야 연선되어 나오는 케이블(12)이 비틀리려는 힘을 최소화시킬 수 있다.
케이블(12)의 특성은 선재(11)의 특성에 많이 좌우된다. 특성이 서로 다른 선재(11)를 사용하여 케이블(12)을 만들 때 어떤 특정 성질을 가진 선재(11)는 전체적으로 골고루 분산시켜야 전체의 성질이 균일한 케이블(12)을 만들 수 있다.
Nb3Sn 초전도 선재(11)는 MELCO (Mitsubishi Electric Corporation)와 IGC(Intermagnetics General Corporation)에서 공급되는 8mm 봉재로부터 만들어진다. 여기서 IGC는 현재 OAS( Outokumpu Advanced Superconductors)이다.)=> Nb3Sn 초전도 선재(11) 직경이 8mm 크기를 갖는 봉재를 사용하여 제작한다.
TF00용 케이블은 IGC 선재(11)와 MELCO 선재(11)를 반반씩 섞어 제작하고, 3연선 단계에서는 공급되는 길이가 다른 관계로 MELCO 선재(11)는 MELCO 선재(11)끼리 IGC 선재(11)는 IGC 선재(11)끼리 합하여 제작한다. 결과적으로 표 1에서 보는 바와 같은 방법으로 TF00 케이블 내에 선재(11)를 배치한다.
표 1. TF00 케이블 내 선재(11)배치
Stage No.Sub Num of Select Num of Strand Subcable Type
Type-up Type-lo I M C
3 162 2 0 1 I2C1
0 2 1 M2C1
3x3 54 3 0 6 0 3 I6C3
0 3 0 6 3 M6C3
3x3x3 18 2 1 12 6 9 I12M6C9
1 2 6 12 9 I6M12C9
3x3x3x3 6 2 1 30 24 27 I30M24C27
1 2 24 30 27 I24M30C27
3x3x3x3x6 1 3 3 162 162 162 I162M162C162
주) I: IGC, M: Mitsubishi, C: OFHC
TF01-04 케이블은 IGC 선재(11)를 혼합하여 표 2와 같이 선재(11)를 배치한다.
표 2. TF01-16 케이블 내 최적 선재배치
Stage No.Sub Num of Select Num of Strand Num Diff(M-I)
Type-up Type-lo M I C
3 120 2 0 1 138.0 2
0 2 1 24.0 -2
3x3 30 3 0 6 0 3 30.0 6
2 1 4 2 3 24.0 2
3x3x3 30 2 1 16 2 9 12.0 14
1 2 14 4 9 6.0 10.00
3x3x3x3 30 3 0 48 6 27 0.0 42
2 1 46 8 27 6.0 38.00
3x3x3x3x6 0 6 276 48 162 1.0 228
PF6-7 케이블은 IGC에서 공급하는 NbTi 선재(11)만을 사용하여 선재(11)를 배치한다. PF 코일은 상하로 똑같은 코일이 대칭되게 설치되는데, 위의 것에는 Upper의 U를 붙이고, 아래의 것에는 Lower의 L을 붙인다.
다음 단계는 자케팅(Jacketing)단계(S200)로써, 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸는 단계이다.
관내연선도체 자케팅 재료는 Nb3Sn 초전도 재료를 사용하는 TF 코일 및 PF 1~5 코일의 경우 Ni base super alloy의 일종인 Incoloy 908 합금을 사용하고, NbTi 초전도 재료를 사용하는 PF 6,7 코일의 경우 Austenite계 Stainless steel인 STS 316 LN을 사용한다.
Incoloy 908 합금은 관내연선도체 자케팅 재료를 위해 제작된 Ni-Fe 합금으로, 극저온인 4K까지 냉각시 초전도 선재(11)에 영향을 주지 않는 낮은 열팽창계수를 가짐과 함께 인장강도, 파괴인성, 피로특성 등이 우수하다. 이와 더불어 관내연선도체 제작을 위해 필수적으로 갖춰져야 할 용접성이 우수하며, 연성이 높기 때문에 성형성도 우수하다. 또한 Nb3Sn 초전도체를 위한 열처리 후 양호한 기계적 특성을 갖도록 설계된다. 따라서 Incoloy 908은 Nb3SN 초전도체 자케팅용 재료로서 가장 적합한 재료이다.
STS 316 LN의 경우 고온에서 발생하는 입계부식(Inter-granular corrosion)을 억제할 목적으로 C 함량을 0.02%이하로 조성을 낮추고 이에 따른 강도저하를 막기 위해 N 함량을 0.1 ~ 0.16으로 조절한 합금으로 저온에서의 기계적 특성이 우수한 특성이 있다. 따라서 STS 316 LN의 경우 열처리 과정이 수반되지 않는 NbTi 초 전도 선재(11)를 위한 자케팅 재료로서 적합한 재료이다.
다음 단계는 용접(Welding)단계(S300)로써, 감싸여진 스트립(21) 단부를 용접하는 단계이다.
용접 후 조성 및 조직의 불균일과 결함발생으로 인해 생기는 악영향들은 관내연선도체의 작업환경인 극저온과 고자장의 상태에서 치명적인 문제를 야기할 수 있으므로 이러한 용접 시공 후 재료의 기계적 특성, 열화에 대한 평가 등이 확보되어야 관내연선도체의 조관이 가능하다.
따라서 자케팅 재료의 용접조건을 제시하고 용접부의 기계적 성질과 미세조직의 변화를 관찰한 결과를 설명하고자 한다.
케이블을 스트립으로 자케팅한 후 접하는 스트립의 길이방향 단부를 용접하는 조관용접은 TIG용접기를 사용하여 버트(butt)용접을 행하고 있다. 이때의 용접변수로서 용접전류, 용접전압, 조관속도, Shield gas의 종류 및 유량, 피용접재 간의 거리등을 고려하여야 한다. 상기와 같은 여러 용접변수들을 고려하여 Incoloy 908 합금에 용접조건 설정을 위한 용접실험을 행한 결과 적정용접조건으로서 표 3과 같은 결과를 얻었다.
표 3. 조관 용접조건
용접 전류 170∼190A
용접 전압 22V
용접 속도 0.47 m/min
Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar) + 0.8 l/min(H2)
Back shield gas(He) 4 l/min
상기 용접조건에서 조관용접 후 용접부를 주사전자현미경으로 관찰한 사진을 도 4a에 나타내었다. 도 4a에서 보는 바와 같이 용접부 미세조직은 응고 조직인 덴 트라이트(dendrite ; 수지상 결정)상을 관찰할 수 있으며, EDS분석 결과 도 4a상의 군데 군데의 검은 상은 Nb탄화물로 사료된다. 또한 열영향부의 경우 도 4b에서 보는 바와 같이 용접부에 비해 조직이 조대화된 것을 관찰할 수 있다. 그리고 용접부, 열영향부에 모두 미세 크랙(crack)이나 기공 등의 용접결함은 관찰할 수 없었다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 Incoloy 908 합금의 조관 용접부 및 HAZ 미세조직을 나타내는 사진이다.
조관용접 후 용접부는 Nb3Sn 초전도 선재(11) 보호를 위해 용접부를 급냉 시켜야 한다. 급냉 방법은 액체 질소를 사용하는 방법과, 물을 사용하는 방법이 고려될 수 있는데, 용접 입열에 따른 각 물질의 기화열을 계산하면 다음과 같다.
* 용접시 발생되는 열량: Q(Arc voltage: 22V, Arc current: 200A인 경우) Q = 4.4 KW = 4.4KJ/sec = 4.4*103J*0.24cal*1/sec*3600/hr = 3801.6 Kcal/hr
* 시간당 LN2 소모예상량 (LN2 잠열: 48 Kcal/Kg)
Flow rate= Q / LN2잠열 = 3801.6 (Kcal/hr)/48 (Kcal/Kg) = 79.2 kg/hr = 79.2 kg/hr*1.238 l/kg = 98 l/hr = 1.63 l/min
* 시간당 물 소모예상량 (물 Cp: 1 Kcal/Kg K, Water latent heat: 539 kcal/kg, T (373K - 298K) = 75K)
Flow rate = Q /[ CpT + latent heat] = 3801.6 (Kcal/hr)/ [75K(kcal/kgK) +539 (Kcal/Kg)] = 6.2 kg/hr = 6.2 l/hr = 0.1 l/min
* 용접속도 50 cm/min인 경우 (LN2의 경우)
TF 코일(630m): 용접시간 21시간, LN2 예상 소모량 21 h*98 l/hr = 2058 l
* 용접속도 50 cm/min인 경우 (water의 경우)
TF 코일(630m): 용접시간 21시간, 물 예상 소모량 21 h*6.2 l/hr = 130 l
따라서 용접부 냉각은 시간당 LN2 소모예상량(98 l/hr)이 시간당 물 소모예상량(6.2 l/hr)보다 크므로, 액체질소를 사용하는 방법보다 물을 사용하는 방법이 설치나 효율 면에서 훨씬 효과적인 방법임을 알 수 있다.
한편 Incoloy 908 합금의 경우 공급되는 1 코일당 길이는 약 100m 정도이다. 따라서 TF, PF 코일의 제작시 스트립과 스트립의 폭방향 단부를 연결하여 사용해야 한다. 이러한 스트립 연결은 용접봉(Filler metal)을 사용하는 연결 용접을 통해 이루어지며 이에 대한 용접조건은 표 4와 같다.
용접전류 140~160A
용접전압 22V
용접속도 15 cm/min
Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar) + 0.8 l/min(H2)
용접봉(Filler metal) Incoloy 908 합금
표 4. 스트립 연결 용접조건
표 4와 같은 용접조건에서 용접한 결과 양호한 용접부를 얻을 수 있었다.
스트립(21) 폭방향의 단부 용접 후 용접부의 γ'(감마)상(매트릭스 조직γ(감마)를 지속적으로 열을 가한 후의 상태)의 생성에 의한 용접부 경화를 억제하기 위해 용접직후 용접부를 급냉한다. 도 5는 용접부의 경화정도를 측정하고자 경도를 시험한 결과이다. 거의 모재와 비슷한 수준의 경도값을 나타내고 있어 용접 후 급냉에 의해 용접부에 발생되는 γ'(감마')상의 생성이 억제되고 있음을 나타낸다. 따라서 스트립(21)의 폭방향 단부의 용접 후에도 용접부위가 모재와 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 스트립 연결 용접부와 모재의 경도를 비교한 그래프이다.
조관 용접 후 스트립의 외면에 발생하는 용접 비드는 모재에 비해 경도가 증가하므로 관내연선도체 성형과정에서 관내연선도체 표면의 스크래치 발생의 직접적인 원인으로 작용할 수 있다. 또한 관내연선도체 성형과정에서 외부 비드에 의해, 내면 비드가 관내연선도체 내부 케이블의 초전도 선재를 눌러 기계적 변형을 주어 전기적 특성에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 이유는 초전도선재인 Nb3Sn의 경우 금속간 화합물 초전도체이기 때문에 기계적으로 취화되는 특성이 있어서 적은 기계적 변형 하에서 쉽게 단선이 될 수 있고, 또한 단선이 되지 않더라도 기계적 스트레인(변형)을 받을 경우 Jc Degradation(Jc Degradation : 스트레인을 받으면 전류가 잘흐르지 않는 현상)이 일어날 우려가 있다. 따라서 이러한 관내연선도체 표면의 스크래치를 감소시키고 내면 비드로부터 케이블을 보호하기 위해 비드 그라인더(도시 생략)를 설치한다. 여기서 비드 그라인더는 주지관용의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
이를 통해 외부 비드를 제거하여 내면 비드의 크기를 줄여 기계적 영향으로부터 전기적 특성을 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 그리고 비드 그라인딩 후에도 일부 잔존해 있는 용접부의 경도증가로 인해, 완벽하지는 않으나 비드 그라인딩 전에 비해서는 양호한 관내연선도체 외관을 얻을 수 있다.
다음 단계는 사이징(Sizing)(S400)단계로써, 스트립(21)으로 감싼 후 용접한 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 단계이다.
용접단계를 거친 케이블(12)은 수직-수평-수직-수평의 4단의 사이징롤(31)을 통과하여 원형단면으로 사이징되고, 사이징롤(31)의 요홈 반경이 단계별로 줄어들도록 형성되어 케이블의 단면적을 감소시키고 전체 부피를 감소시킨다.
다음 단계는 스퀘어링(Rolling)단계(S500)로써, 용접한 케이블(12)을 원형단면으로 사이징한 후 상하좌우로 배설된 스퀘어링롤러(41)를 상기 케이블(12)이 통과하여 최종 사각단면의 관내연선도체(51)로 스퀘어링되는 단계이다.
표 5. 관내연선도체 설계사양 (Unit : mm)
TF PF
Strip size 2.86 x 94.54 2.41 x 82.1
Welding ID: 26.25 ID: 22.79
Reduction(8%) ID: 23.7 ID: 20.58
Squaring 25.65 x 25.65 22.3 x 22.3
Cable dia(Max.) 23.0±0.3 20.7±0.3
SUS tape 0.2(0.05 x 4) 0.2
Roll groove size 24 21.7
상기와 같이 제작된 관내연선도체의 바람직한 실시예를 살펴보면, TF 코일의 경우 표 5를 통해 알 수 있듯이 직경 23 mm의 초전도 케이블(12) 둘레를 두께 0.05 mm의 SUS 테잎으로 감싼 후, 이렇게 제작된 초전도 케이블(12)을 2.86 mmT 94.54 mmW 규격의 Incoloy 908 합금으로 자케팅하여 내경 26.25mm로 용접한 다음, 사각단면을 만들기 위한 스퀘어링과정을 통해 직경의 8%를 감소시킨다. 그리고 최종적으로 폭 25.65 mm의 관내연선도체를 제작한다.
PF 코일의 경우도 PF 제작을 위한 재료 및 크기를 맞추어 TF 코일과 동일한 절차를 거쳐 PF용 관내연선도체를 제작한다.
한편 Incoloy 908 합금의 경우 관내연선도체 제작 후 Nb3Sn 초전도체에 열처리하는 과정을 수반한다. Incoloy 908 합금 모재 및 용접부에 열처리 전, 후의 경도값을 측정한 결과를 표 6에 나타내었다.
표 6. 열처리 전, 후의 경도값 측정
열처리 전 열처리 후
모재 210 Hv 450 Hv
용접부 260 Hv 460 Hv
전체적으로 열처리 후 모재와 용접부 모두 경도값이 상승함을 관찰할 수 있는데, 이는 Incoloy 908 합금의 경우 시효경화성 합금으로 열처리에 따라 기지내에 형성되는 γ'(감마')상(표 7 참조)의 증가로 경도가 상승된다고 판단되며 이러한 γ'(감마')상의 생성으로 Incoloy 908 합금의 기계적 성질이 향상되어진다. 한편 열처리 후 모재와 용접부의 경도값은 비슷하게 450∼460 Hv(비커스경도단위)를 나타내고 있어 이것으로 판단할 때 용접부쪽이 국부적으로 취화되는(부서지기 쉬운) 현상은 없는 것으로 판단된다.
Predominent Phase Approximate volume(%) Structure Lattice parameter
γ 80 FCC 0.360nm
γ' 20 FCC(ordered) 0.359nm
표 7. Incoloy 908의 시효처리 후 조직
따라서 상기 조건에서도 용접한 직후나 열처리 후, 용접부에 결함이나 취화(Brittle)되는 현상은 없는 것을 관찰할 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 없이 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 관내연선도체의 조관방법은 핵융합장치에 사용되는 초전도 도체를 케이블링, 자케팅, 용접, 사이징 그리고 스퀘어링과정으로 이루어지는 조관방식에 의한 관내연선도체 형태로 제작함으로써, 연속공정이 가능해져 관낸연선도체의 대량생산이 가능하고 제작시간이 단축될 수 있다.
또한 조관방법으로 제작된 초전도 관내연선도체는 플라즈마를 생성시키기 위한 헬륨 소모량이 적고, 강한 힘이 작용하는 환경 하에서 기계적으로 안정되며, 절연이 용이하여 전기 절연 강도를 높이는 관내연선도체를 제작할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 초전도 선재(11)가 케이블(12)로 연선되도록 3 보빈 연선기나 6 보빈 연선기로 이루어지는 케이블링부(10);와,
    상기 케이블링부의 다음에 위치되어 상기 케이블(12)이 스트립(21)으로 감싸지면서 스트립(21)의 길이방향 단부가 용접되도록 용접기(22)가 포함되는 자케팅용접부(20);와,
    상기 자케팅용접부의 다음에 위치되어 상기 용접된 케이블(12)이 원형단면으로 사이징하도록 한 쌍의 사이징롤(31)이 수직과 수평을 번갈아가며 다수 배치되는 사이징부(30);와,
    상기 사이징부의 다음에 위치되어 상기 원형단면의 케이블(12)이 사각단면으로 스퀘어링되도록 스퀘어링롤러(41)가 상하좌우로 설치되는 스퀘어링부(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이블링부(10)는 연선시 케이블(12)의 외경에 따라 3 보빈 연선기와 6 보빈 연선기를 선택하여 사용하고, 케이블 내 전압탭 센서의 삽입시 6 보빈 연합기를 사용하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 사이징부(30)는 한 쌍의 사이징롤(31)이 수직과 수평을 번갈아가며 다수 배치되어, 용접된 케이블(12)이 지나가면서 상하좌우 균일하게 원형단면으로 사 이징되도록 하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스퀘어링부(40)는 상하좌우에 스퀘어링롤러(41)의 단면을 배설하고 그 사이에 사이징된 케이블(12)을 지나게 하여 사각단면의 케이블(12)로 만드는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관장치.
  5. 초전도 선재(11)를 케이블(12)로 만드는 케이블링단계(S100);와,
    상기 케이블(12)을 스트립(21)으로 감싸는 자케팅단계(S200);와,
    감싸여진 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접하는 용접단계(S300);와,
    스트립(21)으로 감싸져 용접된 케이블(12)을 원형단면으로 사이징하는 사이징단계(S400);와,
    원형단면의 케이블(12)을 사각단면으로 스퀘어링하는 스퀘어링단계(S500);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 용접단계는 스트립(21)의 길이방향 단부 및 폭방향 단부를 용접 후 용 접부위를 급냉하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 용접단계는 스트립(21)의 길이방향 단부를 용접시 액체질소와 물을 사용하는 냉각방식 중 어느 것 하나를 사용하여 급냉하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 용접단계는 용접전류 170∼190A, 용접전압 22V, 용접속도 0.47 m/min, Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar)+0.8 l/min(H2), Back shield gas(He) 4 l/min의 조관용접조건으로 스트립(21)의 길이방향 단부가 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 용접단계는 용접전류 140~160A, 용접전압 22V, 용접속도 15 cm/min, Shield gas(Ar+H2) 12 l/min(Ar)+0.8 l/min(H2), 용접봉 Incoloy 908 합금의 스트립 조인트 용접조건으로 스트립(21)의 폭방향 단부가 용접되는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 용접단계는 용접 후 발생되는 비드를 제거하여 관내연선도체 표면의 스크래치를 줄이고 전기적으로 단선되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 초전도 관내연선도체의 조관방법.
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