KR102316582B1

KR102316582B1 - 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼

Info

Publication number: KR102316582B1
Application number: KR1020207025033A
Authority: KR
Inventors: 로버트 슬레이드
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2021-10-22
Also published as: JP2021509543A; JP6824480B1; KR20200130268A; AU2019213541B2; AU2019213541A1; CN111758140A; GB2570666A; RU2742716C1; CA3090057C; EP3747035A1; US20200381154A1; WO2019150098A1; GB201801599D0; EP3747035B1; CN111758140B; CA3090057A1; US11049633B2

Abstract

중심 칼럼을 가진 토로이드 필드 코일에서 사용되는 HTS 조립체가 설명된다. HTS 조립체는 중심 칼럼을 통과하도록 배치된 복수개의 평행한 HTS 테이프들의 어레이(array)들을 포함하고, 각각의 어레이는 복수개의 HTS 테이프들을 포함하는데, 상기 HTS 테이프들은 어레이에 있는 모든 테이프들의 c 축들이 서로 평행하도록 그리고 HTS 테이프들의 HTS 층들의 평면들이 중심 칼럼의 제 1 반경에 직각이도록 배치된다. 각각의 HTS 테이프는 c 각도를 가지며, 이것은 테이프의 c 축과 HTS 테이프의 HTS 층의 평면에 대한 직각 사이의 각도이다. 복수개의 어레이들은 어레이들의 제 1 세트 및 제 2 세트를 포함한다. 어레이들의 제 1 세트내의 각각의 어레이는 제 1 c 각도를 가진 제 1 유형의 HTS 테이프들을 포함하고, 어레이들의 제 2 세트내의 각각의 어레이는 제 1 각도보다 큰 제 2 의 c 각도를 가진 제 2 유형의 HTS 테이프들을 포함한다. 어레이들의 제 1 세트는 어레이들의 제 2 세트보다 제 1 반경에 인접하게 배치된다.

Description

토로이드 필드 코일의 중심 칼럼

본 발명은 고온 초전도체(high temperature superconductor, HTS)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 HTS 를 포함하는 토로이드 필드 코일(toroidal field coil)의 구조에 관한 것이다.

초전도 재료는 통상적으로 "고온 초전도체(high temperature superconductor, HTS)" 및 "저온 초전도체(low temperature superconductor, LTS)"로 나뉘어진다. Nb 및 NbTi 와 같은 LTS 재료들은 초전도성이 BCS 이론에 의해 설명되는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체들은 대략 30 k 미만의 임계 온도를 가진다 (임계 온도 보다 높은 온도에서 재료는 제로의 자기장에서도 초전도성일 수 없다). HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, (임계 온도 보다는, HTS 재료를 정의하는 초전도 작동 및 조성에서의 물리적인 차이점이라는 점이 주목되어야 할지라도) 그러한 재료들은 대략 30 K 를 초과하는 임계 온도를 가질 수 있다. 가장 통상적으로 사용되는 HTS 는 "컵레이트 초전도체(cuprate superconductor)"로서, 이것은 BSCCO 또는 ReBCO(여기에서 Re 는 희토류 요소로서, 통상적으로 Y 또는 Gd 이다)와 같은, 컵레이트(cuprate)(구리 산화물 그룹을 포함하는 화합물)들에 기초한 세라믹들이다. 다른 HTS 재료들은 철 프닉타이드(iron pnictides)(예를 들어, FeAs 및 FeSe)와 마그네슘 디보레이트(magnesium diborate, MgB2)를 포함한다.

ReBCO 는 통상적으로 테이프로서 제조되는데, 도 1 에 도시된 구조를 가진다. 그러한 테이프(500)는 일반적으로 대략 100 마이크론의 두께이고, 기판(501)을 구비하며(통상적으로 대략 50 마이크론 두께의 전해 연마된 하스테로이(electropolished hastelloy)), 상기 기판상에 IBAD, 전자관 스퍼터링 또는 다른 적절한 기술에 의하여 버퍼 스택(buffer stack, 502)으로 알려진 일련의 버퍼 층을 대략 0.2 마이크론의 두께로 증착한다. (MOCVD 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착된) 에피택시얼 ReBCO-HTS 층(503)은 15 의 버퍼 스택 위에 놓이고, 전형적으로는 1 마이크론의 두께를 가진다. 1-2 마이크론의 실버 층(504)은 스퍼터링 또는 다른 적절한 기술에 의해 HTS 층에 증착되고, 구리 스테빌라이저 층(505)은 전기 도금 또는 다른 적절한 기술에 의하여 테이프상에 증착되는데, 이것은 종종 완전하게 테이프를 엔캡슐레이션한다.

기판(501)은 제조 라인을 통해 공급될 수 있고 차후의 층들이 성장할 수 있게 하는 기계적인 중추(mechanical backbone)를 제공한다. 버퍼 스택(buffer stack, 502)은, HTS 층을 그 위에서 성장시키는, 2 축 조직 결정(biaxially textured crystalline)의 템플레이트(template)를 제공할 필요가 있으며, 초전도 특성들을 손상시키는, 기판으로부터 HTS로의 요소들의 화학적 확산을 방지한다. 실버 층(504)은 ReBCO 로부터 스태빌라이저 층으로의 낮은 저항의 인터페이스를 제공할 필요가 있고, 스태빌라이저 층(stabilizer layer, 505)은 ReBCO 의 그 어떤 부분이라도 초전도를 중단시킬 경우에 ("정상" 상태로 진입할 경우에) 대안의 전류 경로를 제공한다.

더욱이, "박리된(exfoliated)" HTS 테이프가 제조될 수 있는데, 이것은 기판 및 버퍼 스택이 결여된 것이고, 대신에 HTS 층의 양측면에 실버 층을 가진다. 기판을 가진 테이프는 "기판" HTS 테이프("substrated" HTS tape)로서 지칭될 것이다.

도 2 는 ReBCO 테이프(200)를 도시하며, 이것은 본 명세서에 사용될 x,y,z 좌표 시스템을 나타낸다. y 축은 테이프의 길이(즉, 테이프를 사용할 때 전류의 방향)를 따른 것이고, x 축은 테이프의 폭(즉, 테이프의 평면에서, y 축에 직각인)을 따른 것이고, z 축은 x 및 y 축들에 직각이다(즉, 테이프의 평면에 법선이다).

도 3 은 x/z 평면에서 예시적인 ReBCO 의 단면을 도시한다. ReBCO 층 자체는 크리스탈라인(crystalline)이고, ReBCO 크리스탈의 주 축들은 테이프에서 하나의 지점에 대하여 도시되어 있다. ReBCO 테이프는 HTS 층(301), 구리 클래딩(copper cladding, 302) 및 기판(303)을 가진 단순화된 형태로 도시되어 있다. ReBCO 의 크리스탈 구조는 서로 직각인 3 개의 주 축들을 가지는데, 이들은 당해 기술 분야에서 a, b 및 c 로 지칭된다. 개시를 목적으로, 임계 전류가 ab 평면에 있는 자기장 성분의 방위에 의존하는 것을 무시함으로써, a 및 b 축들은 상호 교환 가능한 것으로 간주될 수 있고, 이들은 a/b 평면으로서만 (즉, a 및 b 축에 의해 정해진 평면으로서만) 간주될 것이다. 도 3 에서 ReBCO 층(301)의 a/b 평면은 c 축(320)에 직각인, 단일의 선(310)으로서 도시되어 있다.

테이프의 임계 전류는 ReBCO 결정 두께 및 품질에 달려있다. 이것은 또한 주위 온도 및 인가된 자기장의 크기에 대략 역으로 의존한다. 마지막으로, 이것은 c 축에 대하여 인가된 자기장의 방위에 달려있다. 인가된 자기장 벡터가 a/b 평면(310)에 놓일 때, 임계 전류는 인가된 필드 벡터가 c 축(320)을 따라서 정렬될 때보다 상당히 더 높다. 임계 전류는 2 개의 극단 사이에서 "a/b 평면 밖으로의(out of a/b plane)" 필드 방위(field orientation)로 매끄럽게 변화된다. (실제에 있어서, 임계 전류가 정점(peak)을 나타내는 하나 보다 많은 각도가 있을 수 있다. 더욱이, 정점들의 진폭 및 폭은 인가된 필드 및 온도와 함께 변화되지만, 설명의 목적을 위하여, 최대의 임계 전류를 제공하는 인가된 B 필드의 최적 방위(optimum orientation)를 정의하는 단일의 주된 정점(single dominant peak)을 가진 테이프를 고려할 수 있다).

ReBCO 테이프들은 c 축이 테이프의 평면에 가능한 한 직각에 가깝도록 보통 제조된다. 그러나, 일부 상업적으로 이용 가능한 테이프들은 x/y 평면에서 직각으로부터 최대 35 도의 각도인 c 축을 가진다.

HTS 테이프들은 HTS 케이블로 배치될 수 있다. HTS 케이블은 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하며, 이들은 도전성 재료(보통 구리)를 통해 길이를 따라서 연결된다. HTS 테이프들은 적층될 수 있거나 (즉, HTS 층들이 평행하도록 어레이(array)를 이루어 배치되거나), 또는 케이블의 길이를 따라서 변화될 수 있는, 테이프들의 일부 다른 구성을 가질 수 있다. HTS 케이블들의 주목할만한 특별한 경우는 단일의 HTS 테이프들 및, HTS 쌍들이다. HTS 쌍들은 한쌍의 HTS 테이프를 포함하며, 이것은 HTS 층들이 평행하도록 배치된다. 기판 테이프(substratated tape)가 사용되는 경우에, HTS 쌍들은 타이프 - 0 (서로를 향하는 HTS 층들이 있음), 타이프-1 (하나의 테이프의 HTS 층이 다른 테이프의 기판을 향한다) 또는 타이프 2 (기판들이 서로를 향한다)일 수 있다. 2 개보다 많은 테이프들을 포함하는 케이블들은 일부 테이프 또는 모든 테이프들을 HTS 쌍들에 배치할 수 있다. 적층된 HTS 테이프들은 HTS 쌍들의 다양한 구성들을 포함할 수 있으며, 대부분 보통 타이프 1 쌍들(type-1 pairs)의 어레이 또는 타이프 0 쌍들(type- 0 pairs)의 어레이(array)이고, 그리고(또는 등가적으로 타이프 2 쌍들(type-2 pairs)이다). HTS 케이블들은 기판이 있고(substrated) 그리고 박리된(exfoliated) 테이프의 혼합을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 필드 코일을 설명할 때, 다음의 용어들이 사용될 것이다.

· "HTS 케이블(HTS cable)" - 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블. 이러한 정의에서, 단일의 HTS 테이프는 HTS 케이블일 수 있다.

· "턴(turn)" - 필드 코일의 내부를 에워싸는 필드 코일내의 HTS 케이블의 섹션(즉, 완전한 루프(loop)로서 모델이 될 수 있다).

· "아크(arc)" - 전체 필드 코일보다 작은 필드 코일의 연속적인 길이.

· "내측/외측 반경(inner/outer radius)" - 필드 코일의 중심으로부터 HTS 케이블들의 내측/외측까지의 거리.

· "내측/외측 주위 거리(inner/outer perimeter)" -필드 코일의 내측/외측 둘레에서 측정된 거리

· "두께(thickness)" - 필드 코일의 모든 턴(turn)들의 반경 방향 폭, 즉, 내측 반경과 외측 반경 사이의 차이

·"임계 전류(critical current)" - 주어진 온도 및 외부 자기장에서 HTS 가 정상(normal)이 되는 전류 (테이프가 미터 당 E₀볼트를 발생시키는, 초전도 천이(superconducting transition)의 특징적인 지점에서 HTS 는 "정상(normal)이 되는" 것으로 간주된다. E₀의 선택은 임의적이지만, 항상 미터 당 10 또는 100 마이크로볼트이도록 취해진다).

· "임계 온도(critical temperature)" - 주어진 자기장 및 전류에서, HTS 가 정상(normal)이 되는 온도.

넓게 이야기하자면, 자기장 코일 구조의 2 가지 유형이 있으며, 감김(winding)에 의한 구조 또는 몇 개의 섹션들을 조립한 것에 의한 구조가 있다. 감긴 코일들은, 도 2 에 도시된 바와 같이, HTS 케이블(201)을 형성자(former, 202) 둘레에 연속적인 나선형으로 감쌈으로써 제작된다. 형성자는 필드 코일에서 요구되는 내측 주위 거리(inner perimeter)를 제공하도록 형상화되며, 최종적인 감김 코일의 구조 부분일 수 있거나, 또는 감김 이후에 제거될 수 있다. 섹션 코일(sectional coils)들은 도 3 에 개략적으로 도시된 바와 같이 몇 개의 섹션(301)들로 구성되며, 섹션들 각각은 몇 개의 케이블 또는 미리 형성된 버스바(preformed busbar, 311)를 포함할 수 있고 전체적인 코일의 아크(arc)를 형성할 것이다. 섹션들은 조인트(joint, 302)들에 의해 연결되어 완성된 코일을 형성한다. 도 2 및 도 3 의 코일들의 턴(turns)들은 명확성을 위하여 이격된 것으로 도시되었지만, 일반적으로는 코일의 턴들을 연결하는 재료가 있을 것이다. 코일들은 "절연"될 수 있거나, "비 절연(non-insulated)될 수 있거나, 또는 "부분적으로 절연"될 수 있는데, 상기 절연은 코일의 턴들 사이에 전기 절연되는 재료를 가지는 것이고, 상기 비 절연은 코일의 턴들이 (예를 들어, 솔더링(soldering) 또는 직접 접촉에 의해 케이블들의 구리 스테빌라이저 층(copper stabilizer layers)들을 연결함으로써) 케이블을 따라서 연결될 뿐만 아니라 반경 방향으로 전기적으로 연결되는 것이고, 상기 부분적으로 절연은 턴들 사이의 재료가, 예를 들어 금속과 같은 전통적인 도전체의 저항과 세라믹 또는 유기 절연체와 같은 전통적인 절연체의 저항 사이의 중간인 저항을 가지는 것이다. 절연되지 않은 코일들은 아래에서 보다 상세하게 설명되는 이유들 때문에 대형의 필드 코일(large field coil)들에 대하여 일반적으로 적절하지 않다.

도 4 는 "팬케이크 코일(pancake coil)"로서 알려진, 감긴 코일의 특정 유형에 대한 단면을 도시하며, 여기에서 HTS 케이블(401)은 리본의 실패(spool)와 유사한 방식으로 평탄한 코일을 형성하도록 감싸인다. 팬케이크 코일들은 그 어떤 2 차원 형상인 내측 주위 거리(inner perimeter)를 가지고 만들어질 수 있다. 종종, 도 5 의 단면에서 도시된 바와 같이 팬케이크 코일들은 "2 중 팬케이크 코일(double pancake coil)"로서 제공되며, 이것은 반대쪽으로 감긴 2 개의 팬케이크 코일(501,502)을 포함하고, 절연체(503)가 팬케이크 코일들 사이에 있고, 내측 터미널들이 함께(504) 연결된다. 이것은 코일의 턴들을 통해 전류를 드라이브하고 자기장을 발생시키도록, 일반적으로 보다 접근 가능한 외측 터미널(521, 522)에 오직 전압이 공급될 필요가 있음을 의미한다.

감긴 코일들은 조인트 접합된 버스바로부터 조립된 코일들보다 현저하게 용이하게 제조될 수 있지만, 일부 제한이 있다. 예를 들어, 코일 둘레에 고도로 비대칭적인 필드 분포를 가진 자석들에서, 자석에 있는 케이블(또는 버스바)에서 "등급(grade)"을 부여하여, 높은 필드(high field)(따라서 테이프 당(當) 낮은 임계 전류)의 영역에 더 많은 HTS 를 제공하고, 낮은 필드(low field) (따라서 테이프 당 높은 임계 전류)의 영역에 더 적은 HTS 를 제공하는 것이 유리하다. 그것은 단일의, 균일한 케이블로부터 연속적으로 감긴 코일에서는 명백히 불가능한데, 왜냐하면 필드 코일을 통한 그 어떤 주어진 단면에서도 HTS 의 양은 (단일 케이블 단면내에서의) 전체 코일 둘레에서 같을 것이기 때문이다.

섹션 코일(sectional coil)들은, HTS 의 상이한 양들을 각각의 섹션에 또는 각각의 섹션에 있는 상이한 지점들에서 단순히 제공함으로써, 등급이 이루어진 케이블/버스바로써 용이하게 만들어질 수 있다. 그러나, 섹션 코일들에 필요한 조인트들은 현저한 전기 공학적 및 기계 공학적 문제점을 나타내는데, 왜냐하면 저항이 최소화되어야 하고, 종종 커다란 기계적 부하를 겪어야 하고, 정확한 정렬을 필요로 할 수 있기 때문이다. 더욱이, 섹션 코일은 조인트들 때문에 항상 등가의 감긴 코일(equivalent wound coil)보다 더 많은 저항을 가질 것인데, 왜냐하면 모든 전류는 하나의 케이블/버스바에서 HTS 로부터, 조인트에 있는 (구리와 같은) 저항성 재료의 짧은 거리를 통하여, 다음에 제 2 케이블/버스바에 있는 HTS 로 다시 통과하기 때문이다; 개별적인 HTS 테이프들 내부에 있는 ReBCO-Ag 인터페이스의 저항은 HTS 케이블/버스바 조인트들의 디자인에서 제한 인자(limiting factor)를 나타낸다는 점이 알려져 있다.

본 발명의 목적은 개선된 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상에 따르면, 중심 칼럼을 가진 토로이드 필드 코일에서 사용되는 HTS 조립체가 제공된다. HTS 조립체는 중심 칼럼을 통과하도록 배치된 HTS 테이프들의 복수개의 평행한 어레이들을 포함하고, 각각의 어레이(array)는, 어레이에 있는 모든 테이프들의 c- 축들이 서로 평행하도록, 그리고 HTS 테이프들의 HTS 층들의 평면들이 중심 칼럼의 제 1 반경에 직각이도록 배치된, 복수개의 HTS 테이프들을 포함한다. 각각의 HTS 테이프는, HTS 테이프의 HTS 층의 평면에 대한 직각과 테이프의 c 축 사이의 각도인 c 각도를 가진다. 복수개의 어레이들은 어레이들의 제 1 세트 및 제 2 세트를 포함한다. 어레이들의 제 1 세트내의 각각의 어레이는 제 1 의 c 각도를 가진 제 1 유형의 HTS 테이프들을 포함하고, 어레이들의 제 2 세트내의 각각의 어레이는, 제 1 의 c 각도보다 큰 제 2 의 c 각도를 가진 제 2 유형의 HTS 테이프들을 포함한다. 어레이들의 제 1 세트는 어레이들의 제 2 세트보다 제 1 반경에 인접하게 배치된다.

다른 양상에 따르면, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼은 위에서 설명된 복수개의 HTS 조립체들을 포함하되, HTS 조립체들은 중심 칼럼의 세그먼트(segment)로서 배치된다.

다른 양상에 따르면, 위에서 설명된 중심 컬럼을 포함하는 토로이드 필드 코일(toroidal field coil)이 제공된다.

다른 실시예들은 청구항 제 2 항 이후에 제시되어 있다.

도 1 은 HTS 테이프의 개략적인 도면이다.
도 2 는 좌표축을 나타내는 HTS 테이프의 도면이다.
도 3 은 테이프의 a-b 평면 및 c 축을 나타내는 HTS 테이프의 다이아그램이다.
도 4 는 감겨진 HTS 코일의 개략적인 도면이다.
도 5 는 섹션 HTS 코일의 개략적인 도면이다.
도 6 은 팬케이크 HTS 코일의 단면의 개략적인 도면이다.
도 7 은 2 중 팬케이크 HTS 코일의 단면의 개략적인 도면이다.
도 8 은 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼의 단면에 대한 개략적인 도면이다.
도 9 는 토로이드 필드 코일의 개략적인 도면이다.
도 10 은 예시적인 중심 칼럼의 세그먼트의 단면에 대한 개략적인 도면이다.
도 11 은 다른 예시적인 중심 칼럼의 단면에 대한 개략적인 도면이다.
도 12 는 도 11 의 중심 칼럼과 토로이드 필드 코일의 복귀 가지들 사이의 천이에 대한 개략적인 도면이다.

토카막 플라즈마 챔버(또는 다른 적용예)의 토로이드 필드 코일(toroidal field coil)은 중심 칼럼 및 복수개의 복귀 가지(return limb)를 포함한다. 도 8 은 중심 칼럼의 단면을 도시하는데, 이것은 N 개의 세그그먼트(802)로 분할된다(이러한 예에서 N=8). 각각의 세그먼트는 2α 의 각도로 마주하며, 여기에서 2α=360/N 도이다. 각각의 세그먼트(802)는 복귀 가지들중 하나 이상에 대응하며, 도 9 에 도시된 바와 같이 복귀 가지(902) 각각은 개별의 세그먼트(802)를 가진 코일을 형성한다.

토로이드 필드 코일을 제조하는 하나의 방법은 어레이(arrayed)를 이룬 HTS 케이블을 이용하여 N 개의 D 형상으로 감긴 코일을 제조하되, 각각의 D 형상 코일의 "직립부(upright)"가 중심 칼럼의 1/N 인 세그먼트이고, 완전한 토로이드 필드 코일을 형성하도록 코일들을 조립하는 것이다. 그러나, 그러한 구성은 2 가지 문제들중 하나를 겪는다.

* 만약 HTS 테이프들이 자기장과 밀접하게 정렬되도록(즉, C 축들이 중심 칼럼으로부터 대략 반경 방향으로 지향되도록) 개별의 코일들이 배치된다면, 각각의 감긴 코일은 오직 단일의 HTS 테이프일 것이며(또는 통상적으로 그러하듯이, 만약 2 중 팬케이크 코일(double pancake coil)들이 사용된다면 2 개의 HTS 테이프일 것이며), 필요한 코일들의 수는 많아질 것이다 (예를 들어 200 보다 많을 것이다). 그러한 구성은 제조하는데 문제가 되며, 복귀 가지들 사이에 공간을 제한하여 토로이드 필드 코일들내의 구성 요소들(예를 들어, 플라즈마 챔버 및/또는 폴로이달 필드 코일(poloidal field coil)에서 작업하는 것을 곤란하게 한다.

* 만약 복귀 가지들이 적은 구성을 허용하기 위하여 코일들이 다수 테이프의 폭이 되도록 구성된다면(즉, 2 중 팬케이크의 적층으로부터 구성된다면), 각각의 적층체에서 외측 팬케이크들에 있는 HTS 테이프들은 자기장과 정렬되지 않을 것이며(오정렬(misalignment)의 정도는 적층체의 가장자리를 향하여 증가한다), 이것은 HTS 의 임계 전류를 감소시킬 것이다.

대안의 구성은 HTS 테이프의 여러 가지 유형들을 이용하여 아래에 제안되는데, 각각의 유형은 상이한 c 각도(HTS 테이프의 평면에 대한 직각과 c 평면 사이의 각도)를 가진다. 감겨진 HTS 코일들과 관련된 문제가 위에서 설명되었지만, 당업자는 상기 구성이 섹션 HTS 코일(sectional HTS coil)에서도 사용될 수 있다는 점을 이해할 것이며, 여기에서는 중심 칼럼 섹션이 아래에 제시된 감겨진 HTS 코일들의 중심 칼럼의 특성들을 가진다.

도 10 은 예시적인 중심 칼럼의 하나의 세그먼트(1001)의 단면이다. 각각의 세그먼트는 동일한 구조를 가질 수 있다. 세그먼트(1001)는 HTS 테이프의 몇 개의 평행한 어레이(1011, 1012, 1013, 1014, 1015, 1016)를 포함하고, 이들은 세그먼트를 통과하는(예를 들어, 접선상으로 측정될 때 어레이들의 중심 지점을 통과하는) 반경(1010)에 직각인 HTS 층들을 가지고 지향된다. 이러한 예에서 6 개의 어레이들이 도시되었지만, 어레이들의 수는 세그먼트 및 HTS 테이프의 치수들에 의존한다. 어레이들은 단일 또는 2 중 팬케이크 코일들의 부분일 수 있다.

HTS 테이프의 2 가지 유형들은 어레이(1011 내지 1016)에서 사용된다. HTS 테이프의 제 1 유형은 c 각도 (β)를 가지고, HTS 테이프의 제 2 유형은 HTS 테이프의 제 1 유형의 c 각도(β)보다 큰 c 각도(γ)를 가진다. 세그먼트의 중심을 향한 어레이(1013,1014)는 제 1 유형의 HTS 테이프로부터 만들어진다. (접선상으로 측정된) 세그먼트의 외측 가장자리를 향하는 어레이(1011, 1012, 1015, 1016)는 제 2 유형의 HTS 테이프로부터 만들어진다. 세그먼트 중심의 좌측으로의 어레이들은 좌측으로 지향되는 c 축을 가지고, 세그먼트의 중심의 우측으로의 어레이들은 우측으로 지향되는 c 축을 가진다.

일반적으로 각각의 어레이를 위해 사용된 HTS 테이프의 유형은 중심 칼럼의 자기장과 어레이에 있는 HTS 테이프들의 a/b 평면들 사이의 최상의 정렬을 제공하도록 선택될 수 있다. 그러나 "최상의 정렬"은 중심 칼럼의 특정한 디자인에 의존할 것이다. 오직 자기장만을 고려하면, 최상의 정렬은 (자기장은 중심 칼럼의 외측을 향하여 가장 높으므로) 일반적으로 상기 정렬에 대하여 c-축과 중심 칼럼의 반경 사이의 각도가 각각의 어레이의 반경 방향 외측 단부를 향하여 최소화되는 것이지만, 중심 칼럼이 겪는 응력 및 열 부하(heat load)에 따라서, 어레이에 있는 어떤 다른 지점에서 중심 칼럼의 반경과 c-축 사이의 각도를 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 일반적으로, HTS 테이프에 직각인 중심 칼럼의 반경(1010)으로부터 멀리의 거리에 있는 어레이들은 상기 반경에 인접한 어레이들보다 큰 c 각도를 가질 것이다.

HTS 테이프의 2 개 보다 많은 유형들이 사용될 수 있는데, 각각은 상이한 c 각도를 가지고, 더 큰 c 각도를 가진 HTS 테이프들은 HTS 테이프들에 직각인 반경으로부터 더 멀리에 위치한다.

세그먼트들의 수(N)는 최대 c 각도가 대략 α 인 것을 보장하도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 10 도의 α 이도록 선택될 수 있다. 감겨진 코일들에 대하여, 세그먼트들이 적을수록 복귀 가지(return limbs)들은 적어질 것이다. 토로이드 필드(toroidal field)의 균일성을 향상시키기 위하여, 도 11 에 도시된 바와 같이, 세그먼트들의 2 개 층을 제공함으로써 세그먼트 각도(α)를 감소시키지 않으면서 복귀 가지들의 수는 증가될 수 있다. 도 11 은 중심 칼럼(1100), 세그먼트(1101)의 제 1 층 및 세그먼트(1102)의 제 2 층의 단면을 도시하며, 이들 각각은 위에서 설명된 세그먼트(1001)와 같은 방식으로 구성된다. 세그먼트(1101)들의 제 1 층은 세그먼트들의 제 2 층의 반경 방향 외측으로 위치되고, 세그먼트 각도(α)로 세그먼트(1102)들의 제 2 층으로부터 오프셋됨으로써, 하나의 층의 각각의 세그먼트의 중간 지점은 다른 층의 세그먼트들 사이의 접합부(join)와 같은 반경상에 놓인다. 이러한 배치는 각각의 세그먼트에 대응하는 복귀 가지들이 토로이드 필드 코일 둘레에 균일하게 펼쳐지는 것을 보장한다.

도 12 는 도 11 에 따른 중심 칼럼의 상부를 개략적으로 도시하며, 중심 칼럼 세그먼트(1101, 1102)로부터 대응하는 복귀 가지(1201, 1202)로의 천이를 나타낸다. 중심 칼럼의 외측 세그먼트(1101)들에 대응하는 복귀 가지(1201)들은 중심 칼럼의 내측 세그먼트(1102)들에 대응하는 복귀 가지(1202)들보다 높이가 짧아서, 토로이드 필드 코일이 보다 용이하게 조립될 수 있게 한다. 이것은 토로이드 필드 코일에서 높은 열 부하의 영역이 되는 경향이 있는, 각각의 복귀 가지와 각각의 중심 칼럼 세그먼트 사이의 천이 영역들을 분리하는 장점을 가진다. 복귀 가지(1201, 1202)들은 동일한 각도로 이격되고 중심 평면에서 동일한 반경을 가진다. 다시, 감겨진 코일들과 관련하여 문제점이 설명되었지만, 도 11 및 도 12 의 구성은 섹션 코일들에서 되풀이될 수 있다.

1001. 세그먼트
1011,1012, 1013,1014,1015, 1016. HTS 테이프 어레이
1010. 반경 1201.1202. 복귀 가지

Claims

복수개의 세그먼트들(1001)을 포함하는, 토로이드 필드 코일(toroidal field coil)의 중심 칼럼(central column)으로서, 각각의 세그먼트는 HTS 테이프들의 평행한 어레이들의 제 1 세트 및 제 2 세트를 포함하고, 각각의 어레이 안에 있는 HTS 테이프들의 ReBCO 크리스탈 구조들의 c-축들이 서로 평행하도록, 그리고 각각의 세그먼트 안에 있는 HTS 테이프들의 HTS 층들의 평면들이 세그먼트를 통과하는 중심 칼럼의 개별적인 반경(1010)에 직각이도록, HTS 테이프들이 구성되고,
각각의 HTS 테이프는 테이프의 ReBCO 크리스탈 구조의 c 축과 HTS 테이프의 HTS 층의 평면에 대한 직각 사이의 각도인 c 각도를 가지고;
어레이들의 제 1 세트 안에 있는 각각의 어레이(1013)의 HTS 테이프들은 제 1 의 c 각도를 가진 제 1 유형의 HTS 테이프들이고,
어레이들의 제 2 세트 안에 있는 각각의 어레이(1011, 1012)의 HTS 테이프들은, 제 1 의 c 각도보다 큰, 제 2 의 c 각도를 가진 제 2 유형의 HTS 테이프들이고,
각각의 세그먼트내에서, 어레이들의 제 1 세트는 어레이들의 제 2 세트보다 개별의 반경에 더 인접하게 배치되는, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼.
제 1 항에 있어서, 각각의 세그먼트는 개별의 다른 C 각도들을 가진 다른 유형의 HTS 테이프를 구비한 어레이들의 하나 이상의 다른 세트들을 포함하고, 각각의 세그먼트내에서, 어레이들의 각각의 세트는 더 큰 c 각도들을 가진 HTS 테이프를 구비한 어레이들의 세트들보다 개별적인 반경에 더 인접하게 배치되는, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
어레이들중 적어도 하나의 HTS 테이프들의 c- 축들은 중심 칼럼의 반경을 따라서 지향되는, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼.
제 1 항에 있어서, 세그먼트들의 2 개 층들을 포함하고, 세그먼트들의 제 1 층은 세그먼트들의 제 2 층의 반경 방향 외측으로 위치되는, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼.
제 1 항에 있어서, 토로이드 필드 코일의 복수개의 복귀 가지들에 접합되도록 구성된, 토로이드 필드 코일의 중심 칼럼.
제 1 항에 따른 중심 칼럼을 포함하는 토로이드 필드 코일.
제 1 항에 따른 중심 칼럼을 포함하는 토로이드 필드 코일로서, HTS 테이프들의 각각의 어레이(array)는 감긴 HTS 코일(wound HTS coil)의 아크(arc)인, 토로이드 필드 코일.
제 4 항에 따른 중심 칼럼을 포함하는 토로이드 필드 코일로서, 제 2 층의 HTS 조립체들에 연결된 토로이드 필드 코일의 복귀 가지들은, 제 1 층의 HTS 조립체들에 연결된 토로이드 필드 코일의 복귀 가지보다 더 큰 수직 방향의 범위를 가지는, 토로이드 필드 코일.
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