KR20090002770A - 초전도 ｃｓ 코일 시스템의 자동 중심 회복 장치 - Google Patents

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KR20090002770A
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Abstract

본 발명은 초전도 CS코일 시스템의 자동 중심 회복 장치에 관한 것으로, 지진하중 및 전자기하중과 같은 횡방향 하중, 반경방향 변위하중 등을 견디도록 하는 데 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 TF코일 구조물의 하단부에서 전치하중구조물(30)의 변형에 따라 슬라이딩되는 리센터링장치(40)를 포함하는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물로써, 상기 리센터링장치(40)는, 전치하중구조물(30) 하부에 연결되는 하우징(43);과 하우징(43)의 내부에 설치되는 디스크스프링(41);과 하우징(43)과 디스크스프링(41)에 관통되면서 일단은 하우징(43) 내부에 디스크스프링(41)을 구속시키는 센터로드(44);와 센터로드(44)의 일단에 연결되어 TF코일 구조물에 대해 전치하중구조물(30) 하부를 지지시키는 라운드헤드볼트(42)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 ＣＳ 코일 시스템의 자동 중심 회복 장치 {AUTOMATIC RE-CENTERING DEVICE OF SUPERCONDUCTING CENTRAL SOLENOID SYSTEM}
본 발명은 초전도 토카막장치의 TF코일 구조물들의 내측 중심에 설치되어 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 CS코일 구조물에 있어서, 열적, 구조적, 전기적 변형에 따른 안정성을 확보하는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물에 관한 것이다.
핵융합 실험 장치인 토카막 장치는 플라즈마 상태의 중수소를 강한 자기장으로 가두기 위한 토로이달 코일, 플라즈마를 발생시키고 그 위치와 모양을 제어하기 위한 폴로이덜 코일 및 전류의 값을 변화시켜 전자기유도법칙에 따라 플라즈마에 전류를 유도시키는 중앙 솔레노이드 코일로 구성된다. 이들 대형 코일의 중량과 강한 자기장에 의한 자기력을 지지하기 위한 코일 구조물은 각 코일의 특성에 맞게 제작된다. 토카막 장치는 코일 구조물의 정밀도에 따라 조립 오차가 결정되므로 정밀도를 향상시키기 위해서는 조립의 특성을 고려하여 구조물이 제작되어야 한다.
종래의 토카막 장치는 상전도 도체를 이용하여 고전류에 의한 주울열 손실로 인해 장시간 운전이 어려웠으나, 최근에는 전기적 저항이 없는 초전도 도체를 이용하여 연속적인 운전이 가능하도록 설계가 이루어지고 있다. 상전도 토카막 장치는 상온에서 운전되므로 코일 구조물의 열적 특성은 주요 고려사항이 아니었으며, 또한 상전도 코일은 초전도 코일과는 달리 자기력에 의한 응력으로 인해 운전 능력이 현격히 저하되지 않는 특성을 가지고 있었다.
도 1은 초전도 토카막장치의 초전도코일 구조물을 도시한 것이다. 상술한 바와 같이 토카막 장치의 초전도 코일 구조물은 토로이달코일 구조물(60)을 포함하는데, 이는 초전도 선재를 사각형의 금속관으로 둘러싸는 방식인 관내 연선도체(CICC)로 만든 후 그 도체를 와인더 장비에 의해 D형으로 감아 만든 코일을 포함하며, 이러한 D형상의 코일이 16 개 조립되어 이루어진다. 이 관내연선도체로 초임계 액체헬륨을 약 5 기압의 압력으로 흘려보내 초전도 선재를 극저온으로 냉각하면 초전도 코일이 된다. 여기에 약 35 kA 직류전류를 흘리면 자기장의 세기는 최대 7.2 T가 되고 그 자기장에 의해 플라즈마는 토카막 속에 갇히게 된다. 토로이달 코일은 연속적으로 토로이달 자기장을 형성시킨다. 중앙 솔레노이드(CS) 코일과 폴로이덜 코일은 폴로이덜 자기장을 급격히 변화시켜 플라즈마를 생성하고, 플라즈마의 위치와 형상을 제어한다.
토카막장치의 자석시스템은 상기의 토로이달 코일, 중앙 솔레노이드 코일 및 폴로이덜 코일로 구성된다. 상기 중앙솔레노이드 코일과 구조물은 토카막 장치의 중심에 있고, 폴로이덜 코일(도시 생략)과 PF코일 구조물(100)은 외곽을 둘러싸면 서 상하 대칭으로 3쌍(5,6,7번 PF코일 구조물)이 있으며, 플라즈마가 가두어 지는 진공용기가 D형상의 TF코일 구조물의 내부 공간에 도너스 형태로 구성되어 있다.
초전도 토카막 장치의 초전도 코일은 운전온도가 약 4.5K의 극저온에서 운전되고 구조적 변형에 취약하며, 열적으로 불안정한 단점이 있어서 토카막 운전의 안정성을 제고하기 위해서는 운전 조건을 만족하는 환경 구축이 필요하다.
초전도 코일은 중심으로부터 상·하 대칭구조로 8개의 CS 코일과 6개의 PF 코일로 구성되며 극저온 및 고자장에서 운전되기 때문에 이것을 구조적, 열적 및 전기적으로 보호할 수 있는 지지구조물을 필요로 한다. 또한 이러한 지지구조물은 열적인 안정성을 위하여 동일한 온도에서 운전되는 TF코일 구조물에 연결구조물을 통하여 설치된다.
CS 코일은 토카막 중심에 위치하며 다른 코일에 비해 전류인가율의 변화와 여러 개의 코일이 적층됨에 따라 유발되는 전자기력의 분포로 인하여 주 구조물의 설계는 어느 다른 자석 구조물보다 제한된 설계요구조건을 가지고 있다. 이러한 설계 요구조건 중에 하나는 다양한 운전 시나리오에 따라 코일들이 서로 다른 전자기력을 갖는다는 것이다.
그러나 반경방향 전자기력은 코일 계면에서의 미끄럼을 유발시킬 수 있으며, 수직방향의 전자기력은 코일 계면의 분리를 일으킬 수 있다. 뿐만 아니라 플라즈마 붕괴나 코일 조립단계에서의 불완전한 정렬은 코일의 횡방향 거동까지도 발생시킬 수 있는 문제점이 있었다.
한편 CS코일 구조물의 신축변형에 따른 변위에 유동적으로 반응하면서 TF코 일 구조물과 접촉하면서도 TF코일 구조물에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있는 CS코일구조물이 요구된다.
따라서 본 발명에서 이루고자하는 기술적 과제는, 극저온(4.5K)에서 운전되는 초전도 토카막 장치의 중앙 솔레노이드 코일의 열적, 구조적, 전기적 안정성을 확보하여 전자기력에 견딜 수 있는 충분한 강도와 수축변형을 흡수하는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공하는데 있다.
디스크스프링이 내설된 리센터링장치가 전치하중구조물의 하부에 설치되어 CS코일 구조물의 변형에 따른 변위를 흡수시키면서 TF코일 구조물에 미치는 영향을 최소화시키는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 초전도 토카막장치의 CS코일 구조물은, 초전도 토카막장치의 TF코일 구조물들의 내측 중앙에 설치되어 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 CS코일 구조물에 있어서, 상기 CS코일 구조물은 TF코일 구조물(60)의 내측 상부와 연결되고, 상기 연결부위에는 상기 CS 코일 구조물이 상기 TF코일 구조물에 대해 횡방향의 변위를 흡수하는 유동판(20)을 구비하며, 상기 CS코일 구조물은 상기 TF코일 구조물에 대해 종방향의 변위를 흡수하도록 CS코일 구조물의 종방향으로는 슬라이딩되는 리센터링장치(40)를 포함하여 이루어지고, 상기 리센터링장치(40)의 내부에는 디스크스프링(41)이 설치되고 라운드헤드볼트(42)가 디스크스프링(41)의 일측에 연결되면서 리센터링장치(40)의 일측으로 돌출 형성되어 CS코일 구조물과 TF코일 구조물이 일정간극을 유지하는 것을 특징으로 한다.
초전도 토카막장치의 TF코일 구조물들의 내측 중앙에 설치되어 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 CS코일 구조물에 있어서, TF코일 구조물(60)의 내측 상부에 일체 결합되는 지지러그(10);와 상기 지지러그(10) 하측에 연결되는 유동판(20);과 상기 유동판(20) 타단에 연결되어 상기 TF코일 구조물 내측에 위치하는 전치하중구조물(30);과 상기 전치하중구조물(30) 하부에 연결되고 TF코일 구조물의 하단부에서 전치하중구조물(30)의 변형에 따라 슬라이딩되는 리센터링장치(40)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 리센터링장치(40)는 전치하중구조물(30) 하부에 연결되는 하우징(43);과 상기 하우징(43)의 내부에 설치되는 디스크스프링(41);과 상기 하우징(43)과 디스크스프링(41)에 관통되면서 일단은 상기 하우징(43) 내부에 디스크스프링(41)을 구속시키는 센터로드(44);와 상기 센터로드(44)의 일단에 연결되어 TF코일 구조물에 대해 전치하중구조물(30) 하부를 지지시키는 라운드헤드볼트(42)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 하우징(43) 외부로 관통 돌출된 센터로드(44)의 외주연에는 록킹너트(45)가 끼움 결합되어 센터로드(44)가 디스크스프링(41)에 의해 수축되는 범위를 한정시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 센터로드(44)에 있어 라운드헤드볼트(42)의 반대쪽 단부에는 센터너트(46)가 나사결합되어 센터로드(44)를 하우징(43)에 결합시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 하우징(43)의 내부 일측에는 고정키홈(47)이 요홈 형성되고 상기 센터로드(44)의 외부 일측에는 고정키(48)가 돌출 형성되어 록킹너트(45)나 센터너트(46)의 회전시 센터로드(44)가 헛도는 것을 방지시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 전치하중구조물(30)의 하단에 절연판(49)이 위치되고, 절연판의 하부에 용접판의 수평부재(56)가 위치되며, 절연판은 전치하중구조물과 TF코일 구조물의 사이에 전기가 통하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 전치하중구조물(30) 하부에는 용접판(56)에 의해 하우징(40)이 연결되되, 전치하중구조물과 용접판이 스터드볼트(53)와 헥스너트(53a)에 의해 나사결합되며, 헥스너트들의 사이에는 플랫바(54)가 연결되어 헥스너트들을 서로 지지시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 라운드헤드볼트(42)의 단부는 센터로드의 일측에 나사결합되고, 라운드헤드볼트에서 나사결합되는 않는 부분은 플랫바(55)에 의해 수평으로 지지되되, 플랫바(55)는 수평으로 위치되어 일단은 센터로드의 일측에 부착되고 타단은 라운드헤드볼트의 헤드측부에 부착되는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
상기 센터너트(46) 하부의 하우징(43)에 록킹플레이트(52)가 부착되는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물을 제공한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물은 TF코일 구조물에 연결되는 지지러그가 유동판에 의해 전치하중구조물과 연결되고, 전치하중구조물 하부에 TF코일 구조물 하부를 지지하는 리센터링장치를 설치함으로써, 극저온에서 운전되는 초전도 토카막 장치의 중앙 솔레노이드 코일의 열적, 구조적, 전기적 안정성을 확보하여 전자기력에 견딜 수 있는 충분한 강도와 수축변형을 흡수할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
디스크스프링이 내설된 리센터링장치가 전치하중구조물의 하부에 설치됨으로써 CS코일 구조물의 변형에 따른 변위를 흡수시키면서 TF코일 구조물에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 CS코일 구조물의 단면상태도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 토카막장치의 CS코일 구조물은 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 것으로, 운전 중 전자기하중과 열하중으로부터 각 코일들을 구조적/열적으로 보호하며, 지진하중 및 전자기하중과 같은 횡방향 하중, 반경방향 변위하중 등을 견디도록 이루어진다.
초전도 토카막장치의 CS코일 구조물은 기능에 따라 전치하중구조물, TF 연결 구조물, 코일 리드 지지 구조물과 같이 크게 세가지로 구분된다.
전치하중구조물은 코일에 인접하여 직접적으로 작용하중을 견디어야 하고, TF 연결구조물은 상부/하부에서 TF코일 구조물과 볼트 체결되거나 센터링을 한다. 리드지지구조물은 코일리드를 지지하기 위한 것이다.
본 발명의 TF 연결 구조물은 상부의 연결구조물인 지지러그(10), 유동판(20) 및 하부 연결구조물인 리센터링장치(40)로 이루어진다.
지지러그(10)는 TF코일 구조물의 전기절연을 위하여 평면상 8개의 요소로 이루어지고, 조립 시 볼트 체결된다. 지지러그(10)는 TF코일 구조물의 상부와 볼트 체결되어 수직방향 전자기 하중을 지탱한다.
유동판(20)은 코일과 구조물들의 자중뿐 아니라 냉각 및 운전 중 CS와 TF 코일 구조물의 변위차를 흡수하도록 반경방향으로 유연한 구조를 갖는다. 유동판(20)은 지지러그(10)와 전치하중구조물의 상부블록(33)에 볼트 체결된다.
리센터링장치(40)는 냉각 및 운전 중에 수직방향 변형이 가능하도록 하기 위해 수직방향 고정점이 없어야 하며, 지진하중, 플라즈마 붕괴, 코일 리드의 전자기력, 각 코일의 정렬 상태에 따라 발생할 수 있는 횡방향 하중에도 시스템을 항상 원위치를 시킬 수 있도록 설계된다.
전치하중구조물(30)은 유동판(20) 타단에 연결되어 TF코일 구조물(60) 내측에 위치한다. 전치하중구조물(30)은 지지러그(10)와 유동판(20)에 의해서 TF코일 구조물과 연결 고정된다.
전치하중구조물(30)은 외측에 외부쉘(31)이 형성되고 내측에 내부쉘(32)이 형성된다. 전치하중구조물(30)은 상측에 상부블록(33)이 형성되고 하측에 하부블록(34)이 형성된다. 상부블록의 상측에는 유동판(20)이 연결되고, 하부블록의 하측에는 리센터링장치(40)가 연결된다.
도 3은 본 발명에 따른 CS코일 구조물의 리센터링장치(40)의 확대단면상태를 나타낸다.
도 3에서 보는 바와 같이 리센터링장치(40)는 전치하중구조물(30) 하부에 연결되고, TF코일 구조물의 하단부에서 전치하중구조물(30)의 변형에 따라 슬라이딩된다.
리센터링장치(40)는 탄성력으로 토로이달코일(60)의 내측과 접하는 탄성지지부재를 구비하며, 탄성지지부재에 의해 CS코일 구조물과 TF코일 구조물이 일정간극을 유지하도록 한다. 탄성지지부재는 일예로 디스크스프링(41)과 라운드헤드볼 트(42)를 포함하여 이루어진다.
리센터링장치의 주요 기능은 CS 코일 구조물을 중심방향으로 항상 유지시켜주고 외부 하중으로부터 과다한 횡방향 움직임을 제한하는 것이다. CS 코일 구조물에 작용하는 하중들은 지진하중, 플라즈마 붕괴에 따른 횡방향 하중, TF코일 구조물과의 열수축차이에 의한 변위 등이 있다. 따라서 이러한 하중을 고려한 설계가 필요하다.
수평방향 지진하중은 아래와 같다.
North-South : 0.2 g, East-West : 0.4 g, 여기서 g는 중력가속도(=9.81 m/sec2)이다.
지진에 의한 횡방향 힘은 다음과 같은 식에 의해 계산되며, 그 결과는 약 0.112 MN이다.
Figure 112007048816952-PAT00001
CS코일에 작용하는 최대 횡방향 전자기하중은 플라즈마가 Radial Drift할 때 약 0.25MN정도 발생된다. 이러한 횡방향 전자기하중은 CS코일 구조물의 상부와 하부에서 지지하도록 되어 있기 때문에 리센터링장치에 작용하는 설계 하중은 계산된 전자기 하중의 반 값인 0.125 MN가 사용된다.
CS코일 구조물의 냉각 후 변위를 살펴볼 때 TF구조물과 연결되는 위치는 약 2.43 mm가 중심으로 수축되며, CS코일은 약 1 ~ 1.5 mm 정도 수축되며, 리센터링장 치의 라운드헤드볼트 단부에서는 약 1.5 ~ 2 mm 정도의 중심방향 변형이 발생된다.
또한 TF코일 구조물의 경우 수직상 중앙 위치에서는 냉각(Cool Down)일 경우 약 1.73 mm이고 TF코일 전원인가에서는 2.3 mm의 변위가 일어난다. 이것은 면내 전자기력이 중심위치에서 가장 큰 변형을 유발시키기 때문이다. 반면, 상하부(CS코일 구조물의 연결부)는 CD, TF on 모두 약 2.2 mm의 변위가 일어난다.
이상에서 살펴보았듯이, 리센터링장치가 조립되는 위치에서 CS코일 구조물과 TF코일 구조물의 변위차는 1 mm 내외일 것으로 판단되며, 이러한 변위는 리센터링장치의 디스크스프링(41)에서 흡수될 것이며, 이 때문에 센터로드(44)의 축력은 증가될 것이다.
도 4a 및 도 4b는 리센터링장치에 작용하는 하중분포를 나타낸 것이다. 리센터링장치의 최대하중은 두 가지 경우에 대하여 아래와 같은 계산될 수 있다.
Case (1) (도 4a)
Figure 112007048816952-PAT00002
Case (2) (도 4b)
Figure 112007048816952-PAT00003
본 발명의 구성에 대해 보다 상세히 설명하면, 리센터링장치(40)는 하우징(43), 디스크스프링(41), 센터로드(44), 라운드헤드볼트(42), 록킹너트(45) 및 센터너트(46)를 포함하여 이루어진다.
하우징(43)은 전치하중구조물(30) 하부에 연결된다. 본 발명에서 하우징(43)의 일측이 볼트결합에 의해 전치하중구조물(30) 하부에 체결 연결된다.
하우징(43)의 상하부에는 수직수평부재로 구성되는 용접판이 각각 부착되어 하우징을 다른 부재에 연결시키는 연결재역할을 한다. 용접판(56,57)은 하우징의 상부에 부착되고, 다른 용접판(58,59)은 하우징의 하붕에 부착된다. 용접판의 수직부재(57,58)는 하우징의 상하에 수직으로 위치된다. 용접판의 수평부재(56,59)는 수직부재의 양측에 각각 연결되고, 수평부재의 중간에는 복수의 구멍이 관통되어 다른 부재와 볼트결합된다.
전치하중구조물(30)의 하단에 절연판(49)이 위치되고, 절연판의 하부에 용접판의 수평부재(56)가 위치된다. 절연판에도 수평부재에 관통된 구멍과 동일한 위치 에 동일한 크기의 구멍이 관통된다. 절연판은 전치하중구조물과 TF코일 구조물의 사이에 전기가 통하지 않도록 한다.
수평부재(56)와 절연판(49)의 구멍에는 부시(51)가 장착되고, 부시 내에는 스터드볼트(53)가 관입되어 수평부재와 전치하중구조물을 볼트결합시킨다. 스터드볼트의 단부에는 헥스너트(53a)가 결합되며, 헥스너트들의 사이에는 플랫바(54)가 연결되어 헥스너트들을 서로 지지시킨다.
하우징(43)의 일측 내부에는 디스크스프링(41)의 크기만한 중공이 관통 형성된다. 하우징(43)의 중공 일측에는 디스크스프링(41)을 구속시키는 경계부(43a)가 내측으로 돌출 형성된다. 경계부(43a) 중앙에는 센터로드(44)가 관통될 수 있는 크기의 중공이 형성된다.
본 발명의 하우징(43)에서 경계부(43a)는 하우징(43)의 중공 중간에 형성되어 경계부(43a)의 양측에 디스크스프링(41)이 설치된다. 디스크스프링(41)은 도 5에서 보는 바와 같이 와셔형상으로 이루어지고, 단면상 와셔의 중공부분에서 일정한 각도를 이루며 일측으로 접힌다. 이 형상은 단면상 디스크스프링(41)의 중공 내측이 외측보다 돌출되는 형상이다. 도 5는 본 발명에 따른 리센터링장치(40)의 디스크스프링(41)의 확대단면상태도이다.
디스크스프링의 재질로 Inconel 718이 사용된다. Inconel 718은 매우 강도가 높고, 비자성이며, 고온 및 저온에서 널리 사용되는 재료이다. 외경과 내경이 각각 80 mm, 41 mm이고, 두께는 5 mm이다. 최대 변형량은 1.7 mm이고, 최대로 변형되었을 때의 축하중은 4500 kgf 이상이다. 본 발명의 수치제시는 일예일 뿐이며, 그 수 치를 한정하지 않는다.
디스크스프링(41)은 하우징(43)의 내부에 내설시 접힌 방향을 달리해서 내설시켜 자체적으로 탄성력을 가지도록 한다. 하나 이상의 디스크스프링(41)은 중공 내측이 돌출되는 방향을 동일하게 설치시키고, 그 다음 하나 이상의 디스크스프링(41)은 중공 내측의 돌출 방향을 반대로 하여 설치시킨다. 이러한 방법으로 하우징(43)의 내부에 적당한 개수의 디스크스프링(41)을 내설시킨다.
센터로드(44)는 하우징(43)과 디스크스프링(41)에 관통되면서 일단은 하우징(43) 내부에 디스크스프링(41)을 구속시킨다. 센터로드(44)의 일단부는 디스크스프링(41)과 경계부(43a)의 중공에 관통되는 크기로 형성된다. 센터로드(44)의 타단부는 하우징(43)에서 경계부(43a)의 중공을 제외한 중공에 관통되는 크기로 형성된다. 센터로드(44)의 타단부는 하우징(43)을 관통하여 하우징(43)의 외부로 돌출된다. 센터로드(44)의 양단 일부구간에는 나사선이 형성된다. 경계부(43a)와 하우징(43)의 중공 크기로 형성된 센터로드(44) 사이에 디스크스프링(41)이 다수 내설된다.
라운드헤드볼트(42)는 센터로드(44)의 일단에 연결되어 TF코일 구조물에 대해 전치하중구조물(30) 하부를 지지시킨다. 라운드헤드볼트는 헤드부분이 라운드지게 형성되어 도 3에서 보는 바와 같이 수평으로는 TF코일 구조물에 지지되고, 수직으로는 슬라이딩이 가능하다.
라운드헤드볼트(42)의 단부는 센터로드의 일측에 나사결합되고, 라운드헤드볼트에서 나사결합되는 않는 부분은 플랫바(55)에 의해 수평으로 지지된다. 플랫 바(55)는 도 3에서 수평으로 위치되어 일단은 센터로드의 일측에 부착되고 타단은 라운드헤드볼트의 헤드측부에 부착된다.
하우징(43) 외부로 돌출된 센터로드(44)의 외주연에는 록킹너트(45)가 끼움 결합되어 센터로드(44)가 디스크스프링(41)에 의해 수축되는 범위를 한정시킨다. 록킹너트(45)는 내부 나사산의 방향이 반대인 2개의 너트로 이루어진다. 록킹너트(45)는 나사산의 방향이 반대인 2개의 너트로 이루어져 센터로드(44)에 체결됨으로써 체결위치의 변동없이 고정된다.
센터로드(44)에 있어 라운드헤드볼트(42)의 반대쪽 단부에는 센터너트(46)가 나사결합되어 센터로드(44)를 하우징(43)에 결합시킨다. 센터너트(46)는 경계부(43a)의 좌측(도 3상)에 내설되는 디스크스프링(41)을 센터로드(44)에 결속시키는 역할도 한다. 록킹플레이트(52)는 센터너트의 조임이 끝난 후 센터너트(46) 하부의 하우징(43)에 부착되어 진동에 의한 센터너트의 풀림을 방지한다.
하우징(43)의 중공 일측에는 고정키홈(47)이 요홈 형성되고 센터로드(44)의 외부 일측에는 고정키(48)가 돌출 형성된다. 고정키(48)는 고정키홈(47) 내에 위치되어 록킹너트(45)나 센터너트(46)의 회전시 센터로드(44)가 헛도는 것을 방지한다. 도 7은 도 6b의 A-A에서 본 리센터링장치(40)의 고정키(48)의 측면상태도로써, 센터로드(44)의 상측에만 고정키(48)가 형성되어 센터로드(44) 자체가 회전되는 것을 방지한다.
하우징(43)의 내부구조를 종합해서 정리하면, 하우징(43)의 내부 경계부(43a)의 양측에 복수의 디스크스프링(41)이 중공부 돌출방향으로 달리하여 내설 된다. 디스크스프링(41)의 중공에 센터로드(44)가 관통되되, 센터로드(44)에 있어서 외주연의 크기가 상대적으로 큰 단부가 전치하중구조물(30)의 외측에 위치되도록 디스크스프링(41)의 중공에 센터로드(44)가 관통된다. 센터로드(44)의 전치하중구조물(30)의 외측부에는 라운드헤드볼트(42)이 설치되어 TF코일 구조물에 전치하중구조물(30)을 지지시킨다. 센터로드(44)의 전치하중구조물(30)의 외측부에 록킹너트(45)가 결합되고, 센터로드(44)의 전치하중구조물(30)의 내측부에 센터너트(46)가 결합된다.
디스크스프링(41)의 배열예와 조립순서를 살펴보면, 도 3의 좌측 스프링(disk A)은 4개가 직렬로 배열되고, 도 3의 우측 스프링(disk B)은 3개씩 직렬로 하여 8개가 조립된다.
이때 우측 스프링에서 디스크스프링의 돌출부위가 3개씩 동일한 방향으로 포개지게 배열되고, 그룹을 이룬 3개의 디스크스프링 8그룹은 디스크스프링의 돌출부위를 반대로 배열시킨다. 이렇게 되면 디스크스프링 3개의 한 그룹의 돌출부위는 돌출부위끼리 맞대지고, 외측단부는 외측단부끼리 맞대진다. 3개의 디스크스프링 그룹이 8그룹이면 도 5에서 보는 바와 같은 d간격 8개가 직렬 배열되므로 8d 만큼의 신축성이 생긴다.
센터로드의 센터너트(46)에는 변위 제한을 위하여 이중 너트가 사용되고, 센터너트 조임 시 회전방지를 위하여 고정키(48)가 설계된다.
센터링장치의 조립은 아래와 같은 순서로 수행된다.
센터로드에 24개의 스프링(disk B)을 적층하고 우측에서 좌측으로 하우징에 삽입한다. 여기서 고정키는 사전에 조립하고 삽입 시 고정키홈에 맞도록 한다. Disk A(4개) 및 평와셔(41a)를 적층한 후 센터너트를 체결한다. 그 다음 센터너트를 토크렌치로 조인다. 토크량은 여러 단계로 하며, 센터로드의 우측 끝단에서 변위를 측정한다.
Disk A와 Disk B는 힘의 평형을 이루게 되며 다음식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007048816952-PAT00004
여기서,
Figure 112007048816952-PAT00005
,
Figure 112007048816952-PAT00006
는 디스크스프링의 그룹(disk A, disk B)에 작용하는 하중이고
Figure 112007048816952-PAT00007
는 한 개의 스프링이 최대로 변형되었을 경우, 즉 최대변위(
Figure 112007048816952-PAT00008
)일 경우의 하중 값을 나타낸다. 또한 A는 스프링의 단위 배열 수이며 N은 단위배열의 반복수이다. 실제 조립에 사용된 변수를 적용하였을 경우, 두 그룹의 변형 관계는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007048816952-PAT00009
만약
Figure 112007048816952-PAT00010
가 0.5
Figure 112007048816952-PAT00011
로 적용된다면 각 그룹의 변형량 및 작용 하중은 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112007048816952-PAT00012
센터로드의 축력을 측정하는 방법은 하중측정장치(load cell)를 사용하거나 이론적 계산에 의해 계산할 수 있다. 리센터링장치의 조립에서는 작업의 용이성 때문에 이론적 계산방법에 근거하여 축력을 계산하였다. 하우징과 센터로드의 단부에 다이얼 게이지를 설치한 후 토크변화에 따른 변위값을 측정한다. 리센터링장치의 조립에서는 아래와 같은 계산절차 및 결과에 근거하여 전체 변형량을 8 mm가 될 때까지 토크를 적용하였으며 최대 토크는 150 kgf m 정도이다.
먼저 전체 변형량이 8 mm 일 경우 disk B의 변형은 다음식과 같이 약 7.1 mm이며 또한 disk B에 작용하는 축력은 다음식에서와 같이 약 7 tons이다.
Figure 112007048816952-PAT00013
조립절차에 따라 CS코일 구조물이 TF코일 구조물 위에 안착된 후 리센터링장 치는 최종적으로 전치하중(preload)이 적용되어야 한다. 이러한 전치하중는 아래와 같은 순서로 적용된다.
CS 조립시 라운드헤드볼트는 조립 간섭을 피하기 위해 최대한 중심쪽으로 깊게 체결한다. 그 다음 본 조립 후 라운드헤드볼트는 TF코일 구조물의 내경부(R726 mm)에 접촉이 되도록 한다.
초기 설계에서는 라운드헤드볼트를 TF코일 구조물에 접촉시킨 후 전치하중를 적용하는 공정이 존재 하였다. 즉, 전치하중를 주기 위해서 센터너트를 체결 반대방향(반시계 방향)으로 회전 시킨다. 그러나 라운드헤드볼트는 이미 TF코일 구조물에 접촉되어 있기 때문에 disk B는 변형이 거의 없을 것이고 disk A의 경우, 0.9 mm의 변형량이 감소되면서 disk A의 축력은 감소하게 된다. 또한 TF코일 구조물과 CS코일 구조물과의 수축에 의한 변위차 때문에 냉각 후에 추가적인 전치하중가 가해지게 된다. 따라서 상온조립에서의 전치하중 공정은 불필요하게 된다.
앞서 설명된 바와 같이 냉각과 함께 리센터링장치에 가해지는 추가적인 변위는 최대 1 mm로 예측되었다. 이러한 변위가 추가 작용하게 되면 전체 변형은 9 mm 이고 Disk B에서의 변형량과 축력은 아래식에 따라 각각 계산된다. 결론적으로 운전 중에 각 리센터링장치에 작용하는 축력은 약 8 tons 내외일 것이며, 최대 5.3 tons의 횡방향 하중(지진하중 또는 플라즈마 붕괴에 따른 전자기하중)을 지탱하고 있을 것이다.
Figure 112007048816952-PAT00014
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 초전도 토카막장치의 CS코일 구조물의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
리센터링장치(40)의 조립상 작용을 간단히 살펴보면 하우징(43)이 전치하중구조물(30)에 볼트결합되고 디스크스프링(41)이 하우징(43)에 내설된 상태에서 센터로드(44)가 디스크스프링(41)에 관통된다.
센터로드(44)에 있어 라운드헤드볼트(42)의 반대쪽 단부에는 센터너트(46)가 나사결합된다. 센터너트(46)는 풀리지 않도록 2중으로 결합되어 센터로드(44)를 하우징(43)에 결합시킨다.
록킹너트(45)는 하우징(43) 외부로 관통 돌출된 센터로드(44)의 외주연에 나사결합된다. 록킹너트(45)는 풀리지 않도록 2중으로 결합되어 센터로드(44)가 디스크스프링(41)에 의해 수축되는 범위를 한정시킨다.
하우징(43)의 내부 일측에는 고정키홈(47)이 요홈 형성되고 상기 센터로드(44)의 외부 일측에는 고정키(48)가 돌출 형성되어 록킹너트(45)나 센터너트(46)의 회전시 센터로드(44)가 헛도는 것을 방지시킨다.
본 발명에 따른 초전도 토카막장치의 CS코일 구조물의 전치하중구조물(30)이 수평적으로 변형되면 전치하중구조물(30)의 상부에서는 유동판(20)이 유동하여 그에 따른 변위를 흡수한다. 여기서 수평적으로 작용하는 하중은 지진하중 및 전자기하중과 같은 횡방향 하중, 반경방향 변위하중 등이다.
전치하중구조물(30)이 수평적으로 변형시 전치하중구조물(30)의 하부에서는 복수의 디스크스프링(41)의 탄성력에 의해 그에 따른 변위를 흡수한다. 디스크스프링(41)이 수축될 때에는 록킹너트(45)에 의해 수축범위가 한정되고 록킹너트(45)에 의한 수축범위 이상은 수축되지 않는다. 이는 CS코일구조물과 TF코일 구조물 간의 간격을 일정하게 유지하기 위해서이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 리센터링장치(40)의 디스크스프링(41)의 작동 전후상태를 나타낸다. 전치하중구조물(30)이 수평으로 압축되는 경우 리센터링장치(40)본체와 록킹너트(45)가 일정간격(g) 벌어져 있다가 일정간격(g)만큼 디스크스프링(41)들이 수축된다.
전치하중구조물(30)이 수직적으로 변형되면 전치하중구조물(30)의 상부에서는 유동판(20)이 유동하여 그에 따른 변위를 흡수한다.
전치하중구조물(30)이 수직적으로 변형시 전치하중구조물(30)의 하부에서는 리센터링장치(40)의 라운드헤드볼트(42)가 변위에 따라 슬라이딩한다. 라운드헤드볼트(42)는 디스크스프링(41)과 연결되어 디스크스프링(41)에 의해 신축성을 가지면서 슬라이딩된다.
전치하중구조물(30)이 사선방향으로 변형되면 상기와 같은 전치하중구조물(30)의 수직방향의 변형과정과 수평방향의 변형과정이 합성되어 유동판(20), 리 센터링장치(40)의 디스크스프링(41) 및 라운드헤드볼트(42)가 함께 작용한다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 CS코일 구조물이 설치된 초전도 토카막장치의 사시상태도.
도 2는 본 발명에 따른 CS코일 구조물의 단면상태도.
도 3은 본 발명에 따른 CS코일 구조물의 리센터링장치의 확대단면상태도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 리센터링장치에 작용하는 하중분포상태도.
도 5는 본 발명에 따른 리센터링장치의 디스크스프링의 확대단면상태도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 리센터링장치의 디스크스프링의 작동 전후상태도.
도 7은 본 발명에 따른 리센터링장치의 고정키의 측면상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10. 지지러그 20. 유동판
30. 전치하중구조물 40. 리센터링장치

Claims (10)

  1. 초전도 토카막장치의 TF코일 구조물들의 내측 중앙에 설치되어 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 CS코일 구조물에 있어서,
    상기 CS코일 구조물은 TF코일 구조물(60)의 내측 상부와 연결되고,
    상기 연결부위에는 상기 CS 코일 구조물이 상기 TF코일 구조물에 대해 횡방향의 변위를 흡수하는 유동판(20)을 구비하며,
    상기 CS코일 구조물은 상기 TF코일 구조물에 대해 종방향의 변위를 흡수하도록 CS코일 구조물의 종방향으로는 슬라이딩되는 리센터링장치(40)를 포함하여 이루어지고,
    상기 리센터링장치(40)의 내부에는 디스크스프링(41)이 설치되고 라운드헤드볼트(42)가 디스크스프링(41)의 일측에 연결되면서 리센터링장치(40)의 일측으로 돌출 형성되어 CS코일 구조물과 TF코일 구조물이 일정간극을 유지하는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  2. 초전도 토카막장치의 TF코일 구조물들의 내측 중앙에 설치되어 전류값의 변화에 따라 플라즈마를 유도하는 CS코일 구조물에 있어서,
    TF코일 구조물(60)의 내측 상부에 일체 결합되는 지지러그(10);
    상기 지지러그(10) 하측에 연결되는 유동판(20);
    상기 유동판(20) 타단에 연결되어 상기 TF코일 구조물 내측에 위치하는 전치하중구조물(30); 및
    상기 전치하중구조물(30) 하부에 연결되고 TF코일 구조물의 하단부에서 전치하중구조물(30)의 변형에 따라 슬라이딩되는 리센터링장치(40)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 리센터링장치(40)는
    전치하중구조물(30) 하부에 연결되는 하우징(43);
    상기 하우징(43)의 내부에 설치되는 디스크스프링(41);
    상기 하우징(43)과 디스크스프링(41)에 관통되면서 일단은 상기 하우징(43) 내부에 디스크스프링(41)을 구속시키는 센터로드(44); 및
    상기 센터로드(44)의 일단에 연결되어 TF코일 구조물에 대해 전치하중구조물(30) 하부를 지지시키는 라운드헤드볼트(42)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 하우징(43) 외부로 관통 돌출된 센터로드(44)의 외주연에는 록킹너 트(45)가 끼움 결합되어 센터로드(44)가 디스크스프링(41)에 의해 수축되는 범위를 한정시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 센터로드(44)에 있어 라운드헤드볼트(42)의 반대쪽 단부에는 센터너트(46)가 나사결합되어 센터로드(44)를 하우징(43)에 결합시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 하우징(43)의 내부 일측에는 고정키홈(47)이 요홈 형성되고 상기 센터로드(44)의 외부 일측에는 고정키(48)가 돌출 형성되어 록킹너트(45)나 센터너트(46)의 회전시 센터로드(44)가 헛도는 것을 방지시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 전치하중구조물(30)의 하단에 절연판(49)이 위치되고, 절연판의 하부에 용접판의 수평부재(56)가 위치되며, 절연판은 전치하중구조물과 TF코일 구조물의 사이에 전기가 통하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 전치하중구조물(30) 하부에는 용접판(56)에 의해 하우징(40)이 연결되되, 전치하중구조물과 용접판이 스터드볼트(53)와 헥스너트(53a)에 의해 나사결합되며, 헥스너트들의 사이에는 플랫바(54)가 연결되어 헥스너트들을 서로 지지시키는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 라운드헤드볼트(42)의 단부는 센터로드의 일측에 나사결합되고, 라운드헤드볼트에서 나사결합되는 않는 부분은 플랫바(55)에 의해 수평으로 지지되되, 플랫바(55)는 수평으로 위치되어 일단은 센터로드의 일측에 부착되고 타단은 라운드헤드볼트의 헤드측부에 부착되는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 센터너트(46) 하부의 하우징(43)에 록킹플레이트(52)가 부착되어 센터너트의 풀림을 방지하는 것을 특징으로 하는 변위가 흡수되는 초전도 토카막장치의 ＣＳ코일 구조물.
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