KR102241626B1 - 박리된 테이프를 갖는 계자 코일 - Google Patents

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Abstract

구형 토카막에 사용하기 위한 환상 계자 코일이 개시된다. 환상 계자 코일은 중앙 칼럼 및 복수의 복귀 림을 포함한다. 중앙 칼럼은 복수의 박리된 HTS 테이프를 포함하고, 복귀 림은 복수의 기재형 HTS 테이프를 포함한다. 각각의 박리된 HTS 테이프는, ReBCO 층의 각 측 상에서 각각의 금속 계면 층에 결합된 ReBCO 층을 포함하며, 각각의 금속 계면 층은 금속 안정화제 층에 결합된다. 각각의 기재형 HTS 테이프는, 일 측 상에서 금속 계면 층에 결합되며 나머지 측 상에서 산화물 완충제 스택에 결합된 ReBCO 층을 포함하고, 금속 계면 층은 금속 안정화제 층에 결합되며, 산화물 완충제 스택은 기재에 결합된다.

Description

박리된 테이프를 갖는 계자 코일
본 발명은 핵융합로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 토카막 플라즈마 용기(tokamak plasma vessel)를 포함하는 핵융합로에 사용하기 위한 환상 계자 코일(toroidal field coil)에 관한 것이다.
초전도성 재료는 전형적으로 "고온 초전도체" (HTS) 및 "저온 초전도체" (LTS)로 나뉜다. LTS 재료, 예컨대 Nb 및 NbTi는 이의 초전도도가 BCS 이론에 의해 설명될 수 있는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30K 미만의 임계 온도 (이보다 높은 온도에서 재료는 심지어 제로 자기장(zero magnetic field)에서도 초전도성일 수 없음)를 갖는다. HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, 이러한 재료는 약 30K 초과의 임계 온도를 가질 수 있다 (그렇지만, HTS 재료를 규정하는 것은 임계 온도이라기보다는 초전도성 동작(operatoin) 및 조성의 물리적 차이라는 것이 주목되어야 한다). 가장 흔히 사용되는 HTS는 "쿠프레이트 초전도체(cuprate superconductors)" - 쿠프레이트 (산화구리 기를 함유하는 화합물)계 세라믹, 예컨대 BSCCO 또는 ReBCO (여기서, Re는 희토류 원소, 흔히 Y 또는 Gd임)이다. 다른 HTS 재료는 철 닉타이드(iron pnictide) (예를 들어, FeAs 및 FeSe) 및 이붕산마그네슘 (MgB2)을 포함한다.
ReBCO는 전형적으로, 도 1에 도시된 것과 같은 구조를 갖는 테이프로서 제조된다. 이러한 테이프(500)는 일반적으로 대략 100 미크론의 두께이며, 기재(501) (전형적으로, 대략 50 미크론 두께의 전해연마된 하스텔로이(hastelloy))를 포함하고, IBAD, 마그네트론 스퍼터링 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 대략 0.2 미크론 두께의, 완충제 스택(502; buffer stack)으로서 알려져 있는 일련의 완충제층이 이 위에 증착된다. 에피택시얼(epitaxial) ReBCO-HTS 층(503) (MOCVD 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 증착됨)이 완충제 스택에 오버레이(overlay)되고(15), 전형적으로 1 미크론 두께이다. 1 내지 2 미크론의 은 층(504)이 스퍼터링 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 HTS 층 상에 증착되고, 구리 안정화제 층(505; copper stabilizer layer)이 전기도금 또는 또 다른 적합한 기술에 의해 테이프 상에 침착되며, 상기 구리 안정화제 층(505)은 종종 테이프를 완전히 밀봉(encapsulation)한다.
기재(501)는 제조 라인을 통해 공급될 수 있는 기계적 백본(mechanical backbone)을 제공하며, 후속 층의 성장을 허용한다. 완충제 스택(502)은, 그 위에 HTS 층을 성장시키기 위한 이축 텍스처화된 결정질 템플레이트(biaxially textured crystalline template)를 제공하기 위해 요구되며, 기재로부터 HTS로의 원소의 화학 확산 (이는 이의 초전도성 특성을 손상시킴)을 방지한다. 은 층(504)은 REBCO로부터 안정화제 층으로의 낮은 저항의 계면을 제공하기 위해 요구되고, 안정화제 층(505)은 ReBCO의 임의의 부분의 초전도성이 멈추는 ("정상(normal)" 상태에 들어가는) 경우 대안적인 전류 경로를 제공한다.
본 발명에 따르면, 구형 토카막(spherical tokamak)에 사용하기 위한 환상 계자 코일이 제공된다. 환상 계자 코일은 중앙 칼럼 및 복수의 복귀 림(return limb)을 포함한다. 중앙 칼럼은 복수의 박리된 HTS 테이프(exfoliated HTS tape)를 포함하고, 복귀 림은 복수의 기재형 HTS 테이프(substrated HTS tape)를 포함한다. 각각의 박리된 HTS 테이프는, ReBCO 층의 각 측 상에서 각각의 금속 계면 층에 결합된 ReBCO 층을 포함하며, 각각의 금속 계면 층은 금속 안정화제 층에 결합된다. 각각의 기재형 HTS 테이프는, 일측 상에서 금속 계면 층에 결합되며 나머지 측 상에서 산화물 완충제 스택에 결합된 ReBCO 층을 포함하고, 금속 계면 층은 금속 안정화제 층에 결합되며, 산화물 완충제 스택은 기재에 결합된다.
각각의 금속 계면 층은 은으로 형성될 수 있다. 각각의 금속 안정화제 층은 구리, 알루미늄, 은, 스테인리스강 또는 황동으로 형성될 수 있다.
일 구현예에서, 각각의 복귀 림은 퀀칭가능한 구획(quenchable section)을 포함하며, 퀀칭가능한 구획은 기재형 HTS 테이프 및 기재형 HTS 테이프에 인접하게 놓인 히터를 포함한다.
도 1은 "기재형" ReBCO 테이프의 구조를 나타내고;
도 2는 테이프의 ReBCO 층의 도식이다.
ReBCO 테이프의 제조에서의 최근의 발전은 ReBCO의 긴 구획이 "박리되도록" - 즉 기재 층으로부터 무손상(intact)으로 제거되도록 하였다. 생성된 박리된 ReBCO는, 이전에 기재에 부착된 측 상에서 은으로 코팅되고, 상기 측 상에서 은에 제2 안정화제 층 (예를 들어 구리, 황동, 알루미늄, 은 또는 스테인리스강)이 부착되어 (또는 은-코팅된 ReBCO는 안정화제 내에 밀봉될 수 있음), "박리된 HTS 테이프"를 형성할 수 있다. 안정화제의 전기 저항은 일반적으로 적합한 기재 재료 (예를 들어, 하스텔로이)의 전기 저항보다 상당히 더 작을 것이기 때문에, 다수의 테이프가 스택 또는 케이블로 배열되는 경우, 박리된 HTS 테이프들 사이의 전류 전달은 동일한 횡단면을 갖는 "기재형" HTS 테이프 (즉, 기재를 갖는 종래 HTS 테이프)보다 상당히 더 클 수 있다. 이는 스택에서의 퀀치 전파(quench propagation)의 감소된 가능성 및 따라서 개선된 안정성으로 이어질 수 있다. 대안적으로, 기재형 HTS 테이프와 동등한 안정성을 제공하는 박리된 HTS 테이프는 더 작은 횡단면을 갖도록 제조되어, 박리된 HTS 테이프로부터 제조된 케이블에서 상당히 더 큰 전류 밀도를 가능하게 할 수 있다.
도 2는 테이프를 가로질러 도중에 연장되는 결함(202; flaw)을 갖는 테이프의 ReBCO 층(203)의 모식도이다. 결함은 균열, 결정 결함, 화학적 결함, 또는 작은 영역이 정상 (즉, (비(非)초전도성)이 되도록 하는 테이프에서의 일부 다른 결함일 수 있다. 모델링을 통해, 개별 결함(202)의 폭 WC이 ReBCO 층(203)의 폭 WT의 (100-X)%인 경우, 전류 I가 임계 전류 IC의 X% 미만인 경우 ReBCO로부터 인접 층 내로의 전류의 빠져나감(escape)이 없으며, 즉 (WT-WC)/WT < I/IC인 경우 전류 빠져나감이 없다는 것이 발견되었다. 더 큰 전류 값의 경우, 전류의 일부 비율은 안정화제 층 내로 빠져나갈 것이다. 전류가 구리 내로 빠져나가는 테이프를 따르는 거리는 I/IC 및 (WT-WC)/WT 사이의 비에 의존성이다: 전류 비가 결함 폭 비에 근접한 경우, 전류는 보다 긴 거리에 걸쳐 빠져나갈 것이며, 전류 비가 증가함에 따라, 전류가 빠져나가는 거리는 감소한다. 기재형 HTS 테이프의 경우, 전류 빠져나감은 주로 안정화제 층 내로 일어날 것이며, 상대적으로 높은 저항의 기재 내로의 전류 빠져나감은 매우 적다. 박리된 HTS 테이프의 경우, 테이프의 양측에 낮은 전기 저항을 갖는 안정화제 층이 존재하기 때문에, 전류는 양측 상에서 빠져나갈 수 있다. 이는, 빠져나가는 전류가 경험하는 저항은 기재형 HTS 테이프와 비교하여 더 낮으며, 전류 빠져나감으로 인한 손실이 감소된다는 것을 의미한다. 이는, 국부화된 가열 효과를 감소시키며, 따라서 안정성을 향상시키도록 작용한다.
박리된 HTS 테이프의 다층이 적층되거나 또는 다르게는 조합되어 케이블을 형성하는 경우, 균열로 인하여 하나의 테이프로부터 빠져나가는 전류는 케이블 내 다른 테이프로 전달될 수 있고, 테이프들은 케이블의 전체 저항을 최소화하도록 전류를 공유하는 경향을 가질 것이다. 이에 따라, 박리된 테이프를 사용하는 것의 이익은, 케이블 내 ReBCO의 밀도가 훨씬 더 높을 수 있고, 케이블 내 모든 HTS 테이프의 전체 전류 용량(full current capacity)이 이용될 수 있도록 한다는 것이다.
구형 토카막 반응기의 환상 계자 코일의 경우, 중앙 칼럼에 박리된 HTS 테이프를 사용하는 것은 중앙 칼럼에서의 전류 밀도가 기재형 HTS 테이프의 경우 달성될 수 있는 것보다 상당히 더 크도록 한다. 복귀 림에서는, 박리된 HTS 테이프를 사용하는 것에 대한 이점이 더 적다 (복귀 림에서의 전류 밀도는 중요한 설계 요인이 아니기 때문이다).
복귀 림은 퀀치 보호 시스템(quench protection system)에 사용될 수 있으며, 여기서 복귀 림은 "퀀칭가능한 구획"을 갖고, 이는 퀀치가 자석의 어느 곳에서 감지되는 경우 의도적으로 퀀칭되어, 자석의 에너지가 복귀 림의 안정화제 내로 덤핑되어(dumped) 전도체를 예열하도록 한다. 이는 특허 출원 번호 GB1703132.9에 기술되어 있다. 자석으로부터 에너지를 효과적으로 덤핑하기 위해, 퀀칭가능한 구획(122)은, 자석에서의 전류를 빠르게 감소시키기에 충분히 높은, 초전도성이 아닌 경우의 저항 ("정상 저항"), 및 확실히 용융되지 않으면서, 바람직하게는 실온 초과 또는 가장 바람직하게는 200℃ 초과로 상승하지 않으면서 자석의 저장된 에너지를 흡수하기에 충분히 높은 열용량을 가져야 한다. 본래 퀀치에서의 열점 온도(hot-spot temperature)는 퀀칭가능한 구획의 정상 저항 (이는 선택된 재료의 비저항(resistivity)에 의해 부분적으로 결정됨)에 의해 결정될 것이며, 퀀칭가능한 구획에서의 초전도체의 최대 온도는 주로 퀀칭가능한 구획의 열용량에 의해 결정될 것이다. 퀀칭가능한 구획의 길이는 공간에 제약이 있는 중앙 칼럼에서의 히터의 사용을 피하도록 어느 정도 제한될 것이기 때문에, 이들은 상충되는 요구사항이다. 열용량은 퀀칭가능한 구획의 횡단면을 증가시킴으로써 (예를 들어, 퀀칭가능한 구획에서의 비초전도성 안정화제의 횡단면을 증가시킴으로써) 증가될 수 있지만, 이는 또한 정상 저항(normal resistance)을 감소시킬 것이다.
이러한 퀀칭가능한 구획의 경우, 기재에 대한 전형적인 재료 (예를 들어, 하스텔로이)는 구리가 갖는 것보다 더 높은, 비저항 대 용적 열용량의 비를 갖기 때문에, 기재형 HTS 테이프에서의 기재는 실제로 이점이다. 또한, 기재형 HTS 테이프는, 박리된 HTS 테이프를 위한 제조 방법이 개선될지라도, 박리된 HTS 테이트보다 더 저렴하고 더 긴 길이로 얻어질 수 있는 가능성이 높으므로, 상기 개략화된 퀀치 보호 시스템이 사용되지 않을지라도 복귀 림에 기재형 HTS 테이프를 사용하는 것은 여전히 이점이 있다.
따라서, 중앙 칼럼이 박리된 HTS 테이프를 포함하며 복귀 림이 기재형 HTS 테이프를 포함하는, 구형 토카막을 위한 환상 계자 코일을 제공하는 것은 유리할 것이다.

Claims (4)

  1. 구형 토카막(spherical tokamak)에 사용하기 위한 환상 계자 코일(toroidal field coil)로서, 상기 환상 계자 코일은 중앙 칼럼 및 복수의 복귀 림(return limb)을 포함하며,
    상기 중앙 칼럼은 복수의 박리된 HTS 테이프(exfoliated HTS tape)를 포함하고;
    상기 복귀 림은 복수의 기재형 HTS 테이프(substrated HTS tape)를 포함하고;
    여기서
    각각의 박리된 HTS 테이프는, ReBCO 층의 각 측 상에서 각각의 금속 계면 층에 결합된 상기 ReBCO 층을 포함하며, 각각의 금속 계면 층은 금속 안정화제 층(metal stabiliser layer)에 결합되고;
    각각의 기재형 HTS 테이프는, 일 측 상에서 금속 계면 층에 결합되며 나머지 측 상에서 산화물 완충제 스택(buffer stack)에 결합된 ReBCO 층을 포함하고, 상기 금속 계면 층은 금속 안정화제 층에 결합되며, 상기 산화물 완충제 스택은 기재에 결합된, 환상 계자 코일.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 금속 계면 층이 은으로 형성된, 환상 계자 코일.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 금속 안정화제 층이 구리, 알루미늄, 은, 스테인리스강 또는 황동으로 형성된, 환상 계자 코일.
  4. 삭제
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