KR20190094457A - 초전도자석에서의 퀸칭 보호 - Google Patents

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KR20190094457A
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Abstract

토로이드형(toroidal) 필드 코일은 중심 기둥, 복수의 리턴 림(return limb)들, 퀸칭 보호 시스템 및 냉각 시스템을 포함한다. 중심 기둥은 HTS 물질을 포함한다. 각각의 리턴 림들은 퀸칭가능한 부분, 두 개의 HTS 부분들, 퀸칭 시스템(5)을 포함한다. 퀸칭가능한 부분은 초전도 물질을 포함하며, 토로이드형 필드 코일의 자기장에 기여하도록 구성된다. HTS 부분은 HTS 물질을 포함한다. HTS 부분들은 퀸칭가능한 부분을 중심 기둥에 전기적으로 연결하고 중심 기둥과 퀸칭가능 부분에 직렬이다. 퀸칭 시스템은 퀸칭가능한 부분(10)과 연관되고 퀸칭가능한 부분을 퀸칭하도록 구성된다. 퀸칭 보호 시스템은 토로이드형 필드 코일에서 퀸칭을 탐지하여, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 에너지를 토로이드형 필드 코일로부터 하나 또는 그 이상의 퀸칭가능한 부분들로 버리기 위해 퀸칭 시스템이 하나 또는 그 이상의 퀸칭가능한 부분들에서 초전도 물질의 퀸칭을 야기하도록 구성된다. 냉각 시스템은 초전도 물질이 초전도 상태인 온도로 각각의 퀸칭가능한 부분(15)을 냉각하도록 구성된다. 각각의 퀸칭가능한 부분은 에너지가 퀸칭가능한 부분의 온도가 토로이드형 필드 코일로부터 퀸칭가능한 부분으로 버려졌을 때 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 야기하기에 충분한 열용량을 가지며, HTS 부분의 퀸칭된 부분의 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있기에 충분하도록 자석의 전류가 빨리 감소하도록 하기에 충분한 저항을 가진다.

Description

초전도자석에서의 퀸칭 보호
본 발명은 초전도자석에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 그러한 자석들, 특히 핵융합 반응기에서 사용되는 자석들에서 퀸칭 보호(quenching protection)를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
초전도 자석은 초전도 물질로 된 코일들로부터 형성된 전자석이다. 자석 코들들이 저항을 가지지 않기 때문에, 초전도 자석은 손실 없이 높은 전류를 전달할 수 있고(비록 비-초전도체 부품들로부터 약간의 손실은 있을 수 있지만), 따라서 종래의 전자석들 보다 적은 손실로 높은 자기장에 도달할 수 있다.
초전도는 특정한 물질들에서만, 그리고 저온에서만 발생한다. 초전도 물질은 초전도체의 임계 온도(critical temperature, 자기장이 가해지지 않았을 때 물질이 초전도체가 되는 가장 높은 온도) 및 초전도체의 임계 자기장(0K의 온도에서 물질이 초전도체가 되는 가장 높은 자기장)으로 정의되는 영역 내에서 초전도체로 거동한다. 초전도체의 온도 및 자기장은 초전도체가 저항성(resistive, 또는 "보통(normal)", 여기서는 "초전도체가 아닌"이라는 뜻으로 사용됨)이 되지 않고 전달할 수 있는 전류의 한계를 제시한다. 초전도체 물질에는 두가지 종류가 있는데: 1종 초전도체(type I superconductor)는 자속(磁束, magnetic flux) 투과를 완전히 차단하고 낮은 임계 자기장을 가지며, 2종 초전도체(type II superconductor)는 자속 와류(flux vortex)라 불리는 국소화된 보통 영역들 내에서 낮은 임계 자기장 보다 높은 자속이 초전도체를 통과하도록 허용한다. 그들은 임계 자기장 상단에서 초전도체가 되기를 중단한다. 이 특징은 초전도체가 초전도 자석의 제조를 위한 전선으로 쓰이게 한다. 자속 와류 위치를 원자 격자 쪽에 고정시키기 위하여 상당한 노력이 있었는데, 이것은 고자기장 및 고온에서 임계 전류값을 향상시키기 때문이다.
대략적으로 말하면, 2종 초전도체에는 2개의 범주가 있다. 저온 초전도체(low temperature superconductors, LTS)는 전형적으로 (자기장이 없을 때) 20K 이하의 임계 온도를 가지며, 고온 초전도체(high temperature superconductors, HTS)는 전형적으로 40K 이상의 임계 온도를 가진다. 현재의 많은 HTS 물질들은 77K 이상의 임계 온도를 가져서, 액체 질소를 냉각에 사용할 수 있다. 그러나, 당업자라면 LTS와 HTS가 임계 온도가 아닌 기준으로 구별되고, HTS와 LTS는 물질의 특정한 종류에 대한 용어임을 인식할 것이다. 보통(그러나 배타적인 것은 아닌), HTS 물질은 세라믹스이며, LTS 물질은 금속류이다.
초전도 자석에서 발생하는 문제 중의 하나는 퀸칭(quenching)이다. 퀸칭은 초전도 전선이나 코일의 일부분이 저항 상태로 진입할 때 발생한다. 이것은 온도나 자기장, 또는 물리적 손상이나 초전도체 내의 결함들 때문에(예컨대 자석이 핵융합 반응기에서 사용될 때 중성자 조사(neutron irradiation)에 의해) 발생할 수 있다. 자석 내에 존재하는 높은 전류 때문에, 초전도체의 작은 부분만 저항성이 되더라도 급격히 가열된다. 모든 초전도 전선은 퀸칭 보호를 위해 구리 안정기를 구비한다. 구리는 초전도체가 보통이 될 때 전류에 대한 대안적인 경로를 제공한다. 더 많은 구리가 존재할 수록, 퀸칭된 도체 주위에 형성되는 핫스팟의 온도가 적게 올라간다.
LTS 자석에서, 퀸칭이 발생하면 "보통 영역"이 빠르게 전파된다 - 초당 몇 미터 수준의 속도로. 이것은 저온에서 모든 물질의 비열(heat capacity)이 낮은 것 때문이며, LTS 물질이 일반적으로 임계 온도에 훨씬 가까운 채로 다뤄지기 때문이다. 이것은 퀸칭이 LTS 자석 내에서 빠르게 전파됨을 의미하며, 퀸치로 인한 저장되어 있던 자기장 에너지의 방산(dissipation)은 자석을 통과하며 퍼지면서, 자석을 가열시킨다.
HTS 물질은, 고온에서 다뤄지는데, 더 높은 비열을 가지며, 따라서 전선 부분을 보통 상태로 가져오기 위해 요구되는 에너지가 훨씬 크다. 이것은 LTS 자석에 비해 HTS 자석에서는 퀸치가 일어날 가능성이 낮음을 의미한다. 그러나, 이것은 또한 보통 영역이 전파되는 속도가 훨씬 더 낮음을 의미하는데 - LTS 자석의 초당 몇 미터 수준과 비교할 때 초당 몇 밀리미터 수준이다. 퀸치가 처음에는 자석의 작은 체적에만 영향을 주기 때문에, 그 부분만이 저항성이 되며 - 따라서 퀸치 동안 방산되는 에너지가 그 작은 체적으로(또는, 좀 더 구체적으로는, 보통 영역으로부터 전류가 우회되는 구리로) 버려진다. 이 에너지의 집중은 HTS 테이프에 영구적인 손상, 예컨대 용융이나 아크 방전 등을 초래할 수 있다. 이것은 HTS 자석이 통상 액체 냉각제의 용기 내에 잠겨지기보다는 간접적으로 냉각된다는 - 그리하여 LTS 자석에 비하여 특정 지점에 대한 냉각 성능이 떨어진다는 점에서 - 더 복합적이다.
자기장에 저장된 에너지는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00001
즉, 자속밀도가 크고 체적이 클 수록, 자석에 저장된 에너지가 더 크다. 큰 자석에 의해 풀려난 에너지는 다이너마이트 막대와 비슷한 수준일 수 있다. LTS 자석에 대하여, 이 에너지는 자석 전체를 가열하면서 방산될 수 있다. 퀸치 보호가 없는 HTS 자석에 대하여, 이 에너지는 자석 체적의 작은 부분 내에서 방산될 수 있다. 일반적으로 큰 HTS 자석은 능동적인 퀸칭 보호 시스템을 요구하는데, 이것은 심각한 가열이 발생하기 전에 퀸칭을 감지하는 감지 페이스(detection phase)와 그에 이어 핫스팟 온도가 너무 높게 올라가기 전에 자석 전류가 빠르게 하강하는 방산 페이스(dissipation phase)를 포함한다.
지금까지 제작된 HTS 자석들은 (BSCCO나 ReBCO로 코팅된 것들) 사실 퀸치 보호를 갖고 있지 않았다. 이것은 그들이 대부분 작고, 저비용 유형이며, 저장하는 에너지가 적기 때문이며, 또한 잘 설계도니 HTS 자석에서 퀸칭이 전술한 것과 같이 매우 낮은 확률을 가지기 때문이다. HTS 자석의 퀸칭 보호를 할 지 여부는 따라서 본질적으로 경제적인 것이다: 작은 원형(原型)의 자석은 퀸칭이 일어나는 드문 사건에서 상대적으로 십게 수리될 수 있다. 결과적으로, HTS 자석들에 대한 퀸칭 보호 기술은 여전히 성숙되지 않은 상태이다.
HTS 자석들이 응용되는 것 중의 하나는 토카막 융합 반응기(tokamak fusion reactor)에서이다. 토카막은 핵융합이 발생할 수 있도록 고온의 안정적인 플라스마를 제공하기 위하여, 강력한 환형 자기장(toroidal magnetic field), 높은 플라스마 전류 및 통상 큰 플라스마 부피 및 상당한 보조 가열을 특징으로 한다. (예컨대 고에너지 H, D 또는 T와 함께 수십 메가와트 수준의 중성자 빔을 통한) 보조 가열은 온도를 핵융합이 발생할 때 필요한 충분히 높은 값으로 증가시키기 위해 필요하며, 그리고/또는 플라스마 전류를 유지하기 위해 필요하다.
문제는, 커다란 크기, 큰 자기장, 높은 플라스마 전류가 보통 요구되기 때문에, 건설비와 유지비가 높고, 자석과 플라스마 모두에 존재하는 커다란 저장된 에너지에 대응하기 위해 공학적으로 강건해야 하는데, 예컨대 격렬한 불안정성 하에서 메가-암페어(mega-ampere) 수준의 전류들이 천분의 몇 초 수준의 시간에 0으로 떨어지는 '붕괴(disrupting)'와 같은 현상이 발생하곤 한다.
이런 상황은 도넛-형상의 원환체(圓環體)인 전통적인 토카막을 그 한계까지 축소시켜, 과심이 제거된 사과(cored apple) 형상 - '구체형 토카막(spherical tokamak, ST)' - 으로 만듦으로써 개선될 수 있다. 이 컨셉을 처음 실현시킨 컬햄(Culham)에서의 START 토카막은 커다란 효율 증가를 보여주었다 - 고온 플라스마를 유지하기 위해 필요한 자기장이 1/10로 감소하였다. 게다가, 플라스마 안정성이 향상되고 건설비가 감소했다.
경제적인 전력 생산(즉 출력 전력이 입력 전력보다 훨씬 많은)을 위해 요구되는 핵융합 반응을 얻기 위하여, 전통적인 토카막은 거대하여 에너지 가둠 시간(energy confinement time)(대략 플라스마 부피에 비례함)이 충분히 커서 플라스마가 핵융합이 발생할 만큼 충분히 뜨거울 수 있었다.
WO 2013/030554는 대안적인 접근을 설명하는데, 소형화된 구체형 토카막을 중성자원과 에너지원으로서 사용하는 것을 포함한다. 구체형 토카막에서의 낮은 종횡비의 플라스마 형상은 입자 가둠 시간을 향상시키고 훨씬 더 작은 기계에서 총 전력 생산을 가능케 한다. 그러나, 작은 직경의 중심 기둥이 필수적이며, 플라스마 가둠 자석의 설계에 도전을 제시한다.
토카막을 위한 HTS의 주요 장점은 강한 자기장에서 고전류를 전달할 수 있는 HTS의 능력이다. 이것은 특히 컴팩트한 구체형 토카막(STs)에서 중요한데, 여기서 중심 기둥의 표면 상의 자속 밀도가 20T를 넘기 때문이다. 두번째 장점은 LTS 보다 높은 온도, 예컨대 ~20K에서 고자기장에서 고전류를 전달하는 HTS의 능력이다. 이것은 더 얇은 중성자 차폐막의 사용을 가능케 하며, 중심 기둥의 더 높은 중성자 가열을 낳아, 액체 헬륨을 사용하는(즉, 4.2K 또는 그 이하) 가동을 하지 않게 된다. 이것은 다시 주요 플라스마 반경이 약 2m 미만인, 예컨대 약 1.4m인 구체형 토카막의 설계를 가능케 한다; 그러한 장치는 그 출력의 몇 퍼선트를 저온 냉각을 위해 재사용할 것이다.
그럼에도 불구하고, 그러한 자석들은 HTS 물질을 사용하여 이전에 설계된 것들보다 훨씬 크다. 심지어 비교적 소형의 토카막에 사용되는 토로이드형 자기장(toroidal field, TF) 자석도 현재까지 만들어진 최대 크기의 HTS 자석보다 훨씬 크며, 심지어 LTS 표준에 따르더라도 많은 에너지가 저장된 커다란 자석을 나타낸다. 전도체에서 임계 전류 열화에 대응할 수 있는 완전히 발전된 퀸칭 보호 시스템은 필수적이다. 60cm의 주반경을 가지고 가동하는 구체형 토카막을 위한 TF 자석(~4.5T)에 저장된 에너지는 150~200MJ일 것이며, 140cm 토카막에 대한 TF 자석(~3T)은 1200MJ을 초과할 것이다.
퀸칭 보호 시스템의 역할은 국소 퀸칭, 또는 "핫 스팟(hot spot)"을 탐지하여, 시작한 후에는 가능한 빨리 피해를 최소화하고, 또는 시작 전이라면, 초전도체로부터 구리 안정기로의 전류의 흐름을 감지함으로써, 회로 차단기를 열어 자석의 저장된 에너지를 저항성 부하로 넘기도록 하는 것이다. 에너지를 넘기는 것은 자석의 저온유지장치(cryostat) 외부에 실온으로 있는 저항을 통해 전류를 발송시키거나, 또는 자석의 "냉괴(cold mass)"를 가열하여 저항성으로 만듦으로서, 선택적으로는 자석의 자체 저장 에너지를 인공적으로 초전도 코일을 통해 퀸칭보다 빠르게 전파시킴으로서(그리하여 에너지가 자석 전체를 통해 방산되도록, 핫-스팟에서의 가파른 온도 상승을 초래하기보다는 서서히 데워지도록 함으로써) 달성될 수 있다. 인공적인 전파는 HTS 자석들에서는 어려운데, 자석 전체를 퀸칭하는데 필요한 열이 LTS에서 보다 훨씬 크고 현실에서 구현되기가 어렵기 때문이다.
E3SPreSSO 시스템은, CERN에서 개발되고 그 세부사항이 논문 "E3SPreSSO: A Quench Protection System For High Field Superconducting Magnets"(http://edms.cern.ch/ui/#lmaster/navigator/document?D:1052094071:1052094071:subDocs)에 있는데, HTS 코일들과 직렬로 하나 또는 그 이상의 비-유도성으로 감아진 LTS 코일들을 제공함으로써 HTS 자석들에서 인공적인 퀸칭 전파 문제를 회피한다. 퀸칭(핫 스팟)이 HTS 부분들에서 감지되면, LTS 코일(들)은 재빨리 퀸칭되어(가열기나 다른 수단을 사용하여, 예컨대 CERN에서 개발된 CLIQ AC-감기 방법과 같은) 자석의 저장된 에너지가 HTS 보다는 LTS로 넘겨지도록 보장한다. 전술한 바와 같이, LTS 코일들에서 퀸칭들은 일반적으로 비-파괴적이며, 비-유도성으로 감아진 LTS 코일은 에너지 전달로 인한 온도 상승이 아무런 피해를 야기하지 않을 만큼 작도록 설계될 수 있다. E3SPreSSO 방법은 버림 저항(dump resistor)과 회로 차단기의 기능들을 차가운 LTS 부분으로 조합하고 그들을 자석의 냉각장치 내부로, 또는 열적으로 연결된 별도의 냉각장치로 옮기는 것이다.
그렇게, E3SPreSSO 유닛은 자기 공명 용도로 사용되는 LTS 자석들의 영구 모드에서 초전도 자석 회로를 폐쇄하는데 전형적으로 사용되는 초전도 스위치들과 매우 비슷하게 거동한다. 그러나, 그러한 스위치의 열용량은 작아서 에너지 넘기기 용으로 의도된 것이 아니다. HTS 자석의 에너지를 알려진 LTS 스위치로 넘기는 것은 용융을 유발할 가능성이 있고, 스위치와 임의의 주변 부품들 모두에 심각한 손상을 유발한다.
본 발명은 초전도자석에서의 퀸칭 보호를 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 토로이드형 필드 코일이 제공된다. 토로이드형 필드 코일은 중심 기둥, 복수의 리턴 림들, 퀸치 보호 시스템 및 냉각 시스템을 포함한다. 중심 기둥은 HTS 물질을 포함한다. 각각의 리턴 림은 퀸칭가능한 부분, 두 개의 HTS 부분들 및 퀸칭 시스템을 포함한다. 퀸칭 가능한 부분은 초전도 물질을 포함하며, 상기 토로이드형 필드 코일의 자기장에 기여하도록 구성된다. HTS 부분들은 HTS 물질을 포함한다. HTS 부분들은 상기 퀸칭가능한 부분을 상기 중심 기둥으로 전기적으로 연결하고 상기 중심 기둥 및 상기 퀸칭가능한 부분과 직렬이다. 퀸칭 시스템은 퀸칭가능한 부분과 연관된고 퀸칭가능한 부분을 퀸칭하도록 구성된다. 퀸칭 보호 시스템은 상기 토로이드형 필드 코일에서 퀸칭을 탐지하도록 구성되고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 상기 퀸칭시스템으로 하여금 에너지를 상기 토로이드형 필드 코일로부터 하나 또는 그 이상의 상기 퀸칭가능한 부분들로 버리기 위해, 상기 하나 또는 그 이상의 퀸칭가능한 부분들의 상기 초전도 물질을 퀸칭하도록 야기하도록 구성된다. 냉각 시스템은 상기 초전도 물질이 초전도 상태에 있는 온도로 각각의 퀸칭가능한 부분을 냉각하도록 구성된다. 각각의 퀸칭가능한 부분은, 에너지가 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 퀸칭가능한 부분으로 버려질 때, 상기 퀸칭가능한 부분의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 HTS 부분의 상기 퀸칭된 부분의 상기 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 토로이드형 필드 코일이 제공된다. 토로이드형 필드 코일은 중심 기둥과 복수의 리턴 림들을 포함하고, 상기 복수의 리턴 림들은 고온 초전도(HTS) 물질의 권선(turns)을 포함한다. 상기 중심 기둥은 LTS 코어 및 HTS 외측 레이어를 포함한다. 상기 LTS 코어는 LTS 물질을 포함하고 상기 토로이드형 필드 코일의 자기장에 기여하도록 구성된다. 상기 HTS 외측 레이어는 상기 LTS 코어를 둘러싸고, HTS 물질을 포함한다. 상기 LTS 코어는 상기 리턴 림들의 적어도 일부 권선들과 직렬이고, 상기 LTS 코어에서의 퀀칭을 야기하도록 구성된 퀀칭 시스템을 포함한다. 상기 토로이드형 필드 코일은 퀸칭 보호 시스템과 냉각 시스템을 더 포함한다. 퀸칭 보호 시스템은 퀸칭들을 탐지하고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 에너지를 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 LTS 코어로 버리기 위해 상기 퀸칭 시스템으로 하여금 상기 LTS 코어를 퀸칭하도록 야기하도록 구성된다. 냉각 시스템은 상기 LTS 코어를 상기 LTS 물질이 초전도 상태로 있는 온도로 냉각시키도록 구성된다. 상기 LTS 코어는, 에너지가 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 LTS 코어로 버려질 때, 상기 LTS의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 리턴 림들이나 HTS 외측 레이어의 상기 퀸칭된 부분의 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가진다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 구체형 토카막에 사용되기 위한 폴로이드형 필드 코일 조립체가 제공된다. 폴로이드형 필드 코일 조립체는 제1 폴로이드형 필드 코일, 제2 폴로이드형 필드 코일, 퀸칭 시스템, 퀸칭 보호 시스템 및 냉각 시스템을 포함한다. 제1 폴로이드형 필드 코일은 고온 초전도(HTS) 물질을 포함한다. 제2 폴로이드형 필드 코일은 저온 초전도(LTS) 물질을 포함하고 상기 제1 폴로이드형 필드 코일과 직렬로 연결된다. 퀸칭 시스템은 상기 제2 폴로이드형 필드 코일과 연관되고 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 퀸칭시키도록 구성된다. 퀸칭 보호 시스템은 상기 제1 폴로이드형 필드 코일의 퀸칭들을 탐지하고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 저장된 자기 에너지를 상기 제2 폴로이드형 필드 코일로 버리기 위해, 상기 퀸칭 시스템으로 하여금 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 퀸칭시키도록 야기하도록 구성된다. 냉각 시스템은 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 상기 LTS 물질이 초전도 상태로 있는 온도로 냉각시킨다. 상기 제2 폴로이드형 필드 코일은, 에너지가 상기 제2 폴로이드형 필드 코일로 버려질 때, 상기 LTS의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 제1 폴로이드형 필드 코일의 상기 퀸칭된 부분의 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가진다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 위 측면들 중의 어느 하나에 따른 토로이드형 필드 코일 및/또는 폴로이드형 필드 코일 조립체를 포함하는 핵융합 반응기가 제공된다.
본 발명의 추가적인 실시예들은 청구항 제2항 이하에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면 초전도자석에서의 퀸칭 보호가 달성된다.
도 1a 및 1b는 일 실시예에 따른 예시적인 토로이드형 필드 코일들의 개념적 도면이다.
도 2a및 2b는 퀸칭가능한 HTS 부분을 개념적으로 도시한 것이다.
도 3은 퀸칭가능한 HTS 부분을 개념적으로 도시한 것이다.
도 4는 스테인레스 스틸과 구리의 비열을 온도에 대해 도시한 그래프이다.
도 5는 스테인레스 스틸과 구리의 저항률을 온도에 대해 도시한 그래프이다.
도 6은 퀸칭 탐지 후 시간에 따른 온도와 전류를 도시한 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 리턴 림(retrun limb)에서의 온도를 도시한 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 접점의 개념적인 다이어그램이다.
도 9는 일 실시예에 따른 리턴 림의 부분의 개념적인 다이어그램이다.
원래 제안된 것과 같이 E3SPreSSO 코일들은 자기장에 기여하지 않고, 비-유도성으로 감아진다. 가속 자석들에서 HTS 코일들은 흔히 더 큰 Nb3Sn LTS 코일 내부에 끼워진 삽입 코일의 형태로 사용되어 쌍극자 자석(dipole magnet)의 자기장을 증가시킨다. 이 경우 이들은 LHe(액체 헬륨)에서 4.2K 또는 이하로 구동된다. E3SPreSSO 코일들은 HTS 및 LTS 자석들과 냉각장치(cryostat) 및/또는 냉각 수단을 공유한다.
토카막에 적용되었을 때, E3SPreSSO 시스템에 여러 개선사항이 만들어질 수 있다. 토카막의 토로이형 자기장 코일은 직선 부분이 중심 기둥에 클러스터된 특징적인 "D-형상"을 가지며, 여기서 그들의 자기장은 중첩되고, 자기장이 상대적으로 고립된 리턴 림으로 분리된다. 이것은 중심 기둥에서의 전체적인 자기장이 중심 기둥으로부터 이격된 리턴 림에서의 자기장 보다 훨씬 강하게 되는 결과를 낳는다. 이에 더하여, 토카막의 중심 기둥의 직경을 가능한 한 작게 유지하여, 중심 기둥의 공간이 프리미엄에 있도록 하는 것이 필수적인데, 그러나 리턴 림에서의 공간 상의 제약은 훨씬 덜 심각하다. 이것은 E3SPreSSO와 같은 퀸칭가능한 부분을 리턴 림의 부분으로 포함하는 가능성을 열어 준다. 퀸칭가능한 부분은 LTS나 HTS일 수 있으며, 이하에서 설명될 것이다.
고의적으로 퀸칭가능한 HTS의 사용은 이전에는 당업자에게 가능할 것으로 여겨지지 않았는데, HTS가 LTS보다 몇 자리수 만큼 높은 최소 퀸칭 에너지 강도(minimum quench energy)를 가지고 있었기 때문이다. 그리하여, HTS 코일들의 의도적으로 퀸칭된 큰 부분들은 코일들 내에서 HTS 테이프들에 열적으로 긴밀하게 결합된 가열기로부터 큰 에너지 펄스를 주입할 것을 요구하고, 따라서 몇 밀리초 만에 코일의 넓은 부분에 걸쳐 온도가 상승하기 때문이다. 코일 꼬임 내부에 가열기의 존재는 전류 밀도 엔지리어링을 감소시킨다. 만약 이 코일들이 자기장에 기여하면 자석의 전류당 자기장(tesla-per-amp) 효율은 심각하게 열화될 것이다. 그러나, 토로이드형 자기장 코일의 리턴 림에서, HTS의 엔지니어링 전류 밀도는 덜 중요한데, 왜냐하면 리턴 림이 효율적으로 중심 기둥에 대한 반환 전류 경로를 제공하는 것만을 필요로 하며, 주요 플라스마 반경에서 자속 밀도에 상당한 기여를 하지 않기 때문이다. 따라서, HTS 테이프들을 코일들 내에 공간적으로 이격시켜 테이프들에 열적으로 단단하게 결합된 테이프들 사이에 가열기를 위한 공간이 삽입되는 것이 가능케 하는 것이 수용가능하다. 사실, HTS 테이프들을 림들에 분산시키는 것은 피크 B-필드를 리턴 림들을 감소시키기에 어느 정도 유리하다.
대안으로서, 리턴 림들에서의 낮은 자기장은 저렴한 NbTi이 6K나 그 이하에서 (또는 다른 LTS 도체가 적절한 온도에서) 리턴 림의 낮은 자기장 부분들에서 사용되는 것을 가능케 하는데, 반면 가장 높은 자속 밀도를 보이는 중심 기둥과 리턴 림들의 부분들에는 HTS 유지하게 된다. 공개된 E3SPreSSO 컨셉과 대조적으로, 리턴 림들의 LTS 부분들은 자기장에 기여한다. LTS 부분들은 그러므로 인덕턴스(inductance)를 가진다. 더 큰 주요 반경(> ~ 2 ~ 3m)를 가지는 ST 장치에는 초전도 중심 기둥과 플라스마 사이에 두꺼운 중성자 차폐막을 위한 충분한 반경 공간이 있어서, HTS와 LTS 부분들 모두에서, NbTi을 위한 6K이나 그 미만의 동일한 온도로 자석 전체의 거동이 허용된다. 그러나, 약 1.4~2m의 플라스마 반경을 가지는 작은 장치가 최적화된 비용/성능을 제공하는 것으로 생각된다. 이 경우에 중성자 차폐막은 너무 얇아서 비용 효율적인 HTS 중심 기둥의 냉각이 LTS 리턴 림들과 같은 6K 또는 그 미만의 온도에서 가능하지 않다. 그러므로 HTS 중심 기둥이 LTS 부분들 보다 높은 온도에서, 6K 내지 20K 범위에서 작동하는 것이 선호된다. 이것은 다시 리턴 림들의 수평형 HTS 부분이 그들을 따라 온도 경사(gradient)를 가지고, 전류 리드(current lead)로서 동작하는 것을 필요로 한다. 중심 기둥으로부터 리턴 림들의 LTS 부분들로 열의 순 흐름이 있게 되며, 이 흐름은 전체적인 저온 냉각 성능을 생성되는 핵융합 전력의 몇 퍼센트 이하로 유지하기 위하여 최소화되어야만 한다.
E3SPreSSO에서 사용되는 CLIQ 가열기와 같은 신속 퀸칭 보호 방법은 리턴 림들의 LTS 부분 내에 직접적으로 통합되어, HTS 부분들 중의 어떤 곳에라도 퀸칭이 탐지되었을 때 동시적으로 그들을 퀸치할 수 있다. 보여지겠지만, 이 혁신은 여러 다른 장점들로 연결된다.
어느 경우에나, 기본 개념은 동일하다 - 리턴 림(return limb)들은 초전도 물질을 포함할 수 있고, 자석의 저장된 에너지를 흡수할 수 있을 만큼 충분한 열용량을 가지도록 제조되며, 핫 스팟이 토로이드형 필드 코일에서 감지되었을 때 "요구 즉시" 이 리턴 림들의 초전도 물질을 퀸치하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
두 접근법 사이의 근본적인 차이점은 핫-스팟이 자석의 임의의 곳에서 탐지되었을 때 리턴 림들을 빨리 퀸칭하기 위해 요구되는 열의 양이다. HTS의 최소 퀸칭 에너지가 LTS 보다 몇자리 수만큼 크다는 사실은 HTS 코일들이 LTS 코일들에 비교할 때 본질적으로 안정적임을 의미한다. 사실, LTS 코일들이 동시적으로, 특히 자석의 램핑 동안에 퀸칭한다는 사실은 잘 알려져 있다. 이것은 HTS 자석에서는 관찰되지 않는다. 퀸칭 부분에 HTS를 사용하는 것은 이 이유에서 선호되지만, 이것은 HTS로 인한 추가 비용 및 필요에 따라 퀸칭가능한 부분들을 퀸칭하는데 필요한 상당히 더 큰 열전력과 균형을 이루어야 한다.
도 1a는 컴팩트 구체형 토카막의 단면(정면도, 절반 부분)을 개념적으로 도시한 것이다. 토카막은 1.4m 범위에서 주요 반경 Rp에서 3~4 테슬라의 정적 토로이드형 자속 밀도 BT를 생성할 수 있는 플라스마 가둠 자석을 포함한다. 이 자기장을 생성하기 위하여, 약 20~30MA의 전류가 토로이드형 필드(toroidal field, TF) 자석(100)의 중심 기둥(101)에서 축방향으로 흘러야만 한다. 도 1a는 TF 자석(101)의 하나의 코일을 보여준다: 토카막 둘레에 방위각으로 배치된 많은 그러한 코일들이 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 도 1은 또한 TF 코일의 리턴 림(102)과 폴로이달(poloidal) 필드 코일들(107)을 보여주는데, 이것은 플라스마 전류의 위치와 안정성을 제어하기 위하여 사용되는 축방향 자기장을 생성한다.
파일럿 자석(pilot magnet)을 위한 초전도 코어(102)를 위한 최소 반경은 피크 자기 응력(magnetic stress) 및 HTS의 퀸칭 동안 핫 스팟 온도의 상승률을 제한하기 위한 충분한 구리 안정기의 제공에 의해 약 20~25cm로 제한된다. 이것은 플라스마 챔버(104)의 열차폐(103) 및 자석 저온냉각기 더하기 중성자 차폐막(105)을 위한 반경 공간을 약 ~40cm 남기게 된다. 이 반경에서, 코어에 요구되는 엔지니어링 전류 밀도 Je는 약 ~150~200 A/mm2이고 코어 표면에서의 피크 자속 밀도는 20~25T가 된다.
도 1b는 토로이드형 필드 자석을 통하는 단면을 좀 더 개념적으로 표시한 것인데, 두 개의 리턴 림들(102)을 더 자세히 도시하고 있다. 리턴 림들이 도 1b에서 실질적으로 사각형 단면으로 보여지지만, 당업자라면 도 1a에서의 D-형상 단면을 포함한 많은 다른 단면들이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 토로이드형 필드 자석은 중심 기둥(101)과 복수의 리턴 림들(102)을 포함한다. 리턴 림들은 각각 하나 또는 그 이상의 HTS 부분들(112)과 "퀸칭가능한(quenchable)" 부분(122)을 갖는다(여기서 "퀸칭가능한"은 "필요에 따라 퀸칭될 수 있는"으로 이해되어야 한다). 접점(132)이 HTS와 퀸칭가능한 부분들을 연결하기 위하여 제공된다. 퀸칭가능한 부분은 HTS 부분들과 직렬로 제공되며, 필요에 따라 퀸칭될 수 있도록 구성된다(예컨대 가열기나 당업게에 알려진 다른 전자기/AC 감기 수단들을 사용하여).
퀸칭가능한 부분들(122)은 LTS 물질을 포함할 수 있다. 이것은 자석의 HTS 중의 일부가 LTS로 대체될 수 있도록 하여, 시스템의 전선 비용을 절감하지만 저온냉각장치의 냉각 비용을 증가시킨다. LTS 물질은 바람직하게는 6K 또는 그 미만의 냉각을 요구하는 NbTi이다. 중성자 차폐막을 위한 한정된 반경 공간을 가진 작은 ST(도 1a에 보여짐)에서 HTS 중심 기둥은 LTS 부분들 보다 높은 온도에서 작동할 수 있다.
대안으로서, 퀸칭가능한 부분들(122)은 HTS 물질을 포함할 수 있다. 이것은 LTS 부분들에서의 원치않는 퀸칭들의 가능성이 증가하는 것과 LTS의 냉각 전력 요구량이 증가하는 것을 회피한다. HTS 퀸칭가능 부분들은 토로이드형 필드 코일의 고자기장 부분들에서와 같은 온도에서 작동할 수 있다(예컨대 중심 기둥 및 리턴 림들의 다른 부분들).
예시적인 LTS 퀸칭가능 부분들을 포함하는 토로이드형 필드 코일이 이제 설명될 것이다. 토로이드형 필드 코일은 도 1b에 보여진 구조를 가지는데, 즉 LTS 퀸칭가능 부분들(122)을 가진 사각형 단면이 리턴 림들의 수직 부분들 상에 제공되나, 임의의 지오메트리에도 동일한 고려를 할 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 이 모델의 목적을 위해, 접점들(132)의 효과는 무시한다.
LTS 부분들은 6K 또는 그 미만으로 냉각된다. 이 예시에서 우리는 LTS가 약 4.2K으로 냉각되었다고 가정하지만, 다양한 선택이 가능하며, 대기압에서 끓는 액체 헬륨 용기에 담겨진 것(4.2K), 직간접적인 헬륨 증기 냉각(> 4.2K), 또는 케이블 도관 방식(cable-in-conduit method)을 사용하여 과냉각된 LHe(<= 4.2K)에 의하는 것과 같은 것이다. 열은 극저온플랜트(cryoplant)에 의해 헬륨 냉각재로부터 제거된다. HTS 중심 기둥의 냉각이 필요할 경우, 동일한 극저온-플랜트가 LTS와 중심 기둥 모두를 냉각하기 위하여 채용될 수 있으며, 더 큰 토로이드형 필드 코일에서는 동일한 온도로, 또는 더 작은 토로이드형 필드 코일, 예컨대 구체형 토카막에서는 바람직하게는 10~20K과 같은 더 높은 온도로 냉각된다(즉, 극저온-플랜트는 여러 온도들로의 냉각을 제공하기 위해 채택될 수 있다). 리턴 림들의 수평형 부분들(112)은 구리 매트릭스의 HTS이며, 퀸칭 안정화를 위해 필요하고, HTS 중아심 기둥과 LTS 사이의 열전류 전선으로 작용한다. 수평형 부분들의 온도는 LTS가 접촉하는 부분에서의 4.2K으로부터 중심 기둥에 접촉하는 부분의 10~20K까지 가변할 것이다. HTS 중심 기둥으로부터 LTS 부분의 4.2K으로의 총 열 누설은 전류 전선 부분의 길이, 구리와 다른 안정기 물질로 사용되는 것의 양에 따라 100W와 수 kW 사이일 것이다. LTS를 4.2K에 유지하기 위해 필요한 냉각 전력은 0.05MW 이하에서 몇 MW까지 가변하며, 작은 ST의 예상 핵융합 전력 출력의 5% 미만이다.
HTS 퀸칭가능 부분들을 포함하는 예시적인 토로이드형 필드 코일이 이제 설명될 것이다. 토로이드형 필드 코일은 도 1b에 보여진 구조를 가지는데, 즉 리턴 림들의 수직 부분들 상에 제공된 HTS 퀸칭가능 부분들(122)을 가진 사각형 단면이지만, 임의의 지오메트리에 대해 동일한 고려를 할 수 있음이 인식될 것이다. 이 모델의 목적을 위해, 접점들(132)의 효과는 무시한다.
HTS 퀸칭가능 부분들은 그 부분들의 HTS 물질들이 초전도가 되기에 충분한 온도에 있어야만 한다. 각각의 HTS 퀸칭가능 부분들은 그 부분에서 각각의 HTS 테이프를 따라 놓인 가열기 띠를 가진다 - 그래서 모든 HTS는 한번에 퀸칭될 수 있다. 선택적으로, 일정한 마진이 가열기가 제공되지 않는 HTS 퀸칭가능 부분의 각 단부에 제공될 수 있다. 가열기들은 (원하는 케이블 지오메트리에 따라 배향된) HTS 테이프의 쌍들 사이에 배치된 가열 띠들(예컨대 캡톤(kapton)으로 코팅되거나 다른 절연 스테인레스 스틸 테이프)의 형태일 수 있다. 예시적인 띠가 도 2a 및 2b에 도시되는데, 여기서 HTS 테이프(202)는 기판(202a)과 HTS 레이어(202b)를 포함하고 타입-0 쌍들(200)에 놓여있어서, 즉 인접한 끈들의 HTS 레이어들(202b) 서로 마주보도록 놓이고, 그들 사이에 두꺼운 구리 레이어(204)가 있고 (인전한 타입-0 쌍들에 전류 경로를 제공하는) 각 방향에 구리의 오버행(205)이 있다. 절연 코팅(203)을 가진 가열기 띠들(201)이 타입-0 쌍의 HTS 테이프들(202) 사이에 배치되며, 두꺼운 구리 레이어에 내장되어 있다. 도 2a는 단일 타입 0 쌍이 그 안에 내장된 가열기와 함께 있는 것을 보여주며, 도 2b는 그러한 레이어들의 스택을 보여준다.
가열기 띠들(201)은 비-유도적(non-inductively)으로 연결되어야 해서, 커다른 전류 펄스가 짧은 시간 동안 그들을 통해 유도될 수 있다. 도 3은 이것을 달성하는 배치를 보여준다. 각각의 타입 0 쌍(200)은 각각의 단부(토로이드형 필드 코일의 다른 부분들을 연결하는데 사용됨)에 구리 커넥터(301)를 구비한다. 가열기 띠들(201)은 구리로부터 절연된 전선들(302)을 통해 연결되어, 전류가 흐르는 방향이 한 가열기 띠들로부터 다른 띠들로 교번한다(예컨대 첫번째와 세번째 가열기 띠에서는 전류가 위로 흐르고, 두번째와 네번째에서는 아래로 흐른다). 첫번째와 마지막 가열 띠들은 스위치(303)를 통해 필요한 전류 펄스를 제공하는 캐패시터 뱅크(capacitor bank)(304)로 연결된다.
각각의 HTS 테이프들의 쌍 사이에 가열기 띠들을 추가하는 것은 각각의 쌍의 테이프들 사이의 저항을 증가시키며, 이것은 퀸칭동안 전류가 HTS 테이프들 사이를 이동할 때, 또는 자석의 램핑(ramping) 동안의 손실을 증가시킨다. 이것은 테이프 스택의 에지에서 구리 오버행(205)의 두께(즉, 테이프에 수직인 두께)를 증가시킴으로써 보상될 수 있다.
HTS 코일을 퀸칭시키기 위한 가열기의 공지된 용도에서(예컨대 NMR 자석 삽입시에), 엔지니어링 (순) 전류 밀도는 상당히 희석될 수 없어서 HTS를 가열하는 능력과 순 전류 밀도 사이에 타협이 이루어져야만 한다. 토카막의 경우에, 엔지니어링 전류 밀도가 리턴 림들에 대하여 중요한 고려사항이 아니기 때문에, HTS 퀸칭가능 부분들의 각 테이프와 가깝게 열 접촉을 하는 가열기가 있는 최적화된 가열기 배치가 사용된다.
퀸칭가능 부분들에서 HTS 물질을 퀸칭하기 위해 요구되는 열은 상당할 것이다 - 에너지는 캐패시터 뱅크와 퀸칭이 토로이드형 필드 코일의 어디에서든 탐지되면 가열기 스위치를 통해 큰 전류 펄스를 구동하기 위한 신속 작동 스위치에 의해 제공될 수 있다.
이 기법은 퀸치 전파와 퀸칭가능 부분(들)의 HTS 물질이 퀸치가 토로이드형 필드 코일의 어디에서 탐지되든 간에 퀸칭된다는 점에서 차이가 난다 - 예컨대 퀸칭이 중심 기둥에서, 작은, 국소화된 핫 스팟의 형태로 탐지되면, 원래 탐지된 퀸칭을 전파시키려고 시도하기 보다는 퀸칭가능 부분들의 HTS 물질이 퀸칭되는 것으로써 반응할 것이다.
자석으로부터의 에너지를 효율적으로 버리기 위하여, 퀸칭가능 부분들(122)은 초전도가 아닐 때("보통 저항") 자석의 전류를 빨리 줄이기에 충분할 만큼의 저항을 가져야만 하며, 자석에 저장된 에너지를 흡수하기에 충분할 만큼 큰 열용량을 가져서, 용융되거나, 바람직하게는 실온 이상으로 온도가 올라감이 없어야 한다. HTS 퀸칭에서 핫-스팟 온도는 퀸칭가능 부분들의 보통 저항에 의해 결정될 것이며(부분적으로는 선택된 물질의 저항에 의해 결정됨), 퀸칭가능한 부분들에서 초전도체의 최고 온도는 주로 퀸칭가능한 부분들의 열용량에 의해 결정될 것이다. 이 예시에서 퀸칭가능 부분들의 길이가 제한되기 때문에(그리고 통상, LTS를 고자기장 영역에 두는 것을 피하기 위해, 또는 공간이 한정되는 영역들에서 가열기들의 사용을 피하기 위해 다소 제한되므로), 이들은 모순적인 요구사항이 된다. 열용량은 퀸칭가능한 부분의 단면적을 증가시킴으로써 증가될 수 있으나(예컨대, 퀸칭가능한 부분에서 비-초전도체 안정기의 단면적을 증가시킴으로써), 이것은 또한 보통 저항을 감소시킨다. 비-초전도체 안정기로 구리가 아닌 다른 물질을 사용하는 것은 보통 저항을 너무 낮지 않게 만들지 않으면서 열용량을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 도 4 및 도 5에 보여지듯이, 스테인레스 스틸(401)의 열용량은 구리(402)의 그것과 유사하나, 스테인레스 스틸(501)의 저항은 구리(502)의 그것보다 높다. 일반적으로, 저항률과 금속의 부피 열용량의 비율이 구리의 그것보다 큰 금속이 적합할 것이다.
비-구리 안정기는 구리 안정기에 덧붙여 통합될 수 있으며 - 예컨대 1:1 비율의 구리:초전도체, 또는 다른 상업적으로 사용가능한 구리 안정기가 된 초전도체를, 스테인레스 스틸 매트릭스 내에 제공함으로서 그러하다. 만약 코일의 모든 에너지가 퀸칭가능 부분으로 버려진다면, 충분한 스테인레스 스틸이 초전도체의 온도를 특정값 예컨대 300K으로 제한하기 위해 추가되어야 한다. 전류의 감쇄는 퀸칭가능 부분들의 인덕턴스 및 온도 의존적인 저항에 의존한다. 구리와 NbTi 초전도체를 1:1로 사용한 그러한 구성에서(NbTi는 보통의 LTS 물질임) 퀸칭 동안의 HTS 핫 스팟 온도는 약 100K으로 제한될 것이며, 시뮬레이션된 퀸칭에 대하여 전류(601), 피크 HTS 핫 스팟 온도(602) 및 피크 NbTi 온도(603)를 보여주는 도 6의 시뮬레이션이 보여진다. 낮은 구리:초전도체를 사용하는 구성은 HTS 핫 스팟 온도를 더 감소시킬 수 있는데, 예컨대 구리:초전도체를 0.1:1로 하면 약 50K이지만, 퀸칭가능한 부분의 안정성을 보존하기 위한 필요와 균형을 이루어야만 한다.
종래의 HTS 코일들을 사용한 토로이드형 필드 자석은 전은 권선수(number of turns)로 설계될 수 있으며, 각각은 높은 전류를 전달한다(예컨대: 20번 감은 12개 코일들 각각은 ~3T의 자기장에서 1.4m의 주요 반경에 대하여 ~100kA를 전달함). 이 접근은 인덕턴스를 최소화하고 따라서 자석 전류가 빠르게 방전될 때 외부 버림 저항(dump resistance)을 가로질러 형성되는 전압을 최소화한다. 빠른 버림이 핫 스팟 온도를 제한하기 위하여 요구되지만, 높은 dl/dt 따라서 높은 고전압(=L.dl/dt)을 낳는다. 심지어 100kA의 구동 전류에서도, 1.4m의 주요 반경을 갖는 TF 자석의 인덕턴스는 ~240mH이고 버림 저항을 가로지르는 피크 전압은 ~1초의 버림 시간에 대해 ~24kV일 것이다. 이것은 단일 버림 저항을 여러 개별적인 낮은값의 저항들이 코일 부분들 사이에 분포되도록 분할함으로서 감소될 수 있는데, 예컨대: TF 코일당 하나이다. 12개의 코일을 가진 TF 자석에 대하여 이 방법은 피크 전압을 예시값으로부터 2kV로 감소시키는데, 높지만 수용가능한 수준이다. 그러나, 각각의 개별 TF 코일은 그후 저온냉각기를 관통하는 100kA의 전류 리드(current lead)들의 쌍을 요구하며, 하나는 자석의 온도에 그리고 다른 하나는 실온에 있는 것이다. 그러한 리드들은 매우 부피가 크고 비싸며, 중성자 빔 가열 등을 하는데 필요한 토카막 주변의 소중한 공간을 차지한다. 게대가, 보통 동작시에 전체 자석 전류는 버림 저항들을 바이패스하기 위해 비-초전도 회로 차단기들을 통과해 지나가야만 한다. 이 회로 차단기들은 상당한 전력 손실을 낳는다. 그들은 또한 신뢰성이 높아야만 한다.
제안된 설계에서, 외부 버림 저항들과 회로 차단기들은 퀸칭가능한 초전도 코일 부분들로 대체된다. 게다가 토로이드형 필드 코일들과 통합된 퀸칭가능한 부분들의 사용은 원할 경우 각 코일의 각 권선 상에 스위치가능한 버림 저항이 제공되도록 할 수 있어서, 전류 버림 동안 생성되는 전압이 퀸칭가능한 부분들을 가로질러 퍼질 수 있다. 이것은 "버림 저항"을 제공하는 퀸칭가능한 부분들이 통합된 HTS 토로이드형 필드 코일이 이 더 많은 권선수로 제작될 수 있고, 기존의 외부 버림 퀸치 보호를 가진 HTS 토로이드형 필드 코일과 비교하여 낮은 전류에서 동작가능하도록 해준다. 최대 권선수의 한계는 퀸칭가능한 부분들과 자석의 나머지 사이의 접점 숫자가 되며, 한 권선당 두 번이 있다. 이것들은 본질적으로 손실성이어서(실제로는 HTS-구리-(HTS나 LTS)가 됨), 총 저온냉각기 열 부하를 더하게 된다. 적은 수송 전류의 비용 절감과 추가적인 접점 및 접점 냉각의 균형을 가지는 최적화된 권선수를 선택하는 것이 가장 적은 시스템 비용을 달성하게 할 것이다.
접점들은 HTS-구리-구리-(HTS 또는 LTS) 접점들로 제조될 수 있으며, 예컨대 도 8에서 구리 종말부(803)를 가진 HTS 부분(801)을 구리 종말부(803)를 가진 HTS나 LTS 퀸칭가능 부분(802)과 접합시키는 것이 보여진다. 이 부분들은 구리 코어 상에 HTS/LTS 테이프의 레이어로서 보여지나, 다른 방식의 제조도 가능하다. 구리-구리 접점은 솔더링될 수 있으며, 또는 퀸칭가능한 부분이 쉽게 탈착될 수 있도록 가압될 수 있다(예컨대 코일 내의 부품들에 접속하기 위하여 토로이드형 필드 코일을 분해하기 위하여). 최적으로는, 개별 HTS 테이프들의 스택들이나 안정기로부터 회전 도체들을 조립하는데 사용되는 것보다 저온 용융점 솔더링을 사용하여 접점들이 솔더링될 것이다.
LTS가 퀸칭가능 부분들에 사용되는 경우, 리턴 림들의 HTS 요소들은 LTS 부분들 상의 열 부하를 감소시키고 그리고/또는 비용을 더 줄이기 위해 제조될 수 있다. 예컨대, 황동이 구리 대신 HTS 부분들(122)의 매트리스로서 사용될 수 있다 - 황동은 구리와 유사한 전기적 성질을 가지나, 낮은 열전도율을 가지며, 중심 기둥으로부터 LTS 부분으로 더 적은 열이 전도되는 결과를 낮는다. 대안으로서 또는 추가적으로, HTS 전도체 부분은 도 9에 개념적으로 도시된 것처럼 온도 경사의 장점을 취하기 위해, HTS 부분을 따라 감소될 수 있다. 사용되는 HTS 테이프들의 숫자는 중심 기둥(701)(20K에 있음) 방향으로 더 크고 LTS 부분(4.2K에 있음) 방향으로는 감소된다. 기존의 구리 매트리스를 사용한 HTS 리턴 림 부분에 대한 온도 경사가 도 7에 도시된다. HTS의 회로 전류가 온도 감소에 따라 증가하므로, LTS 부분들에 가까우면 더 적은 HTS가 필요하며, 중심 기둥에 가까우면 더 많이 필요하다. 이 감소는 중심 기둥으로부터 더 감소된 자기장 세기의 장점을 취하기 위한 HTS 전도체 부분 내에서 임의의 감소에 더한 것일 수 있다.
리턴 림들을 가진 퀸칭가능한 부분의 대안 또는 통합에 더하여, 퀸칭가능한 LTS는 중심 기둥에 통합될 수 있다. 이것은 LTS를 중심 기둥의 중앙에 제공함으로써(즉, 그 축을 따라) 될 수 있는데, 중심 기둥 외부와 비교하여 자기장이 감소될 것이다. 충분한 매트리스 물질이 LTS를 위하여 제공되어 퀸칭의 에너지를 흡수하기에 충분한 열용량을 가지도록 보장되어야만 하며, 토로이드형 필드 코일이 감겨서 임의의 HTS가 LTS와 직렬로 연결되어야 한다(동일한 감기 상에 있을 필요는 없지만).
LTS는 또한 HTS를 포함하는 폴로이드형 필드 코일들에 통합될 수 있다. 그러나, 폴로이드형 필드 코일들이 전형적으로 LTS가 적합하지 않은(예컨대 고자기장 때문에) 영역에서 사용되는 HTS와만 만들어지기 때문에, 코일의 LTS 부분을 제공하는 것은 토로이드형 필드 코일에 대해 위에서 설명한 방법으로 가능할 것 같지 않다. 대신, 고자기장 위치에서의 폴로이드형 필드 코일은 낮은 자기장 위치에서의 폴로이드형 필드 코일과 쌍을 이룰 수 있다. 고자기장 위치에서의 폴로이드형 필드 코일은 HTS를 포함하며, 낮은 자기장 위치에서의 폴로이드형 필드 코일은 LTS를 포함한다. 고자기장과 낮은 자기장 필드 코일들은 서로 직렬이다. 퀸칭이 HTS 폴로이드형 필드 코일에서 탐지되면, LTS 폴로이드형 필드 코일이 퀸칭된다(위에서 설명된 토로이드형 필드 코일의 LTS 부분이 퀸칭되는 것과 동일한 방식으로). 효율적으로, LTS 폴로이드형 필드 코일은 HTS 폴로이드형 필드 코일에 대한 저항성 부하처럼 작용한다.
일반적으로, 토로이드형 필드 코일의 LTS 퀸칭가능한 부분과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 설계 고려가 LTS 폴로이드형 필드 코일에도 적용될 수 있다 - 특히, 냉각을 위한 필요 및 LTS가 미리 정해진 온도값 이하로 유지되기 위한 LTS 코일 내의 충분한 열용량을 보장하기 위한, 그리고 HTS 부분의 퀸칭된 부분의 온도가 미리 정해진 값 이하로 유지되기에 충분할 만큼 자석의 전류가 빠르게 감쇄하도록 하기에 충분한 저항을 가진 비-초전도체 안정기에 대한 물질의 선택이 그러하다. 이 모순적인 요구사항들을 폴로이드형 필드 코일에 서 다루는 것은 토로이드형 필드 코일에 비해 쉬울 것으로 보이는데, 왜냐하면 대부분의 경우에 LTS 폴로이드형 필드 코일은 HTS 코일보다 클 것이기 때문이다.

Claims (20)

  1. 고온 초전도(high temperature superconducting, HTS) 물질을 포함하는 중심 기둥(central column)과 복수의 리턴 림(return limb)들을 포함하는 토로이드형 필드 코일(toroidal field coil)로서, 각각의 리턴 림들은:
    초전도 물질을 포함하는 퀸칭가능한 부분(quenchable section)으로서, 상기 퀸칭가능한 부분은 상기 토로이드형 필드 코일의 자기장에 기여하도록 구성되는, 퀸칭가능한 부분;
    HTS 물질을 포함하는 두 개의 고온 초전도(HTS) 부분들로서, 상기 HTS 부분들은 상기 퀸칭가능한 부분을 상기 중심 기둥으로 전기적으로 연결하고 상기 중심 기둥 및 상기 퀸칭가능한 부분과 직렬인, 두 개의 고온 초전도 부분들; 및
    상기 퀸칭가능한 부분과 연관되고 상기 퀸칭가능한 부분을 퀸칭하도록 구성되는 퀸칭 시스템(quenching system);를 포함하고,
    상기 토로이드형 필드 코일은:
    상기 토로이드형 필드 코일에서의 퀸칭을 탐지하도록 구성되고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 에너지를 상기 토로이드형 필드 코일로부터 하나 또는 그 이상의 상기 퀸칭가능한 부분들로 버리기 위해, 상기 퀸칭 시스템으로 하여금 상기 하나 또는 그 이상의 퀸칭가능한 부분들의 상기 초전도 물질을 퀸칭하도록 야기하도록 구성되는, 퀸칭 보호 시스템(quench protection system);
    상기 초전도 물질이 초전도 상태에 있는 온도로 각각의 퀸칭가능한 부분을 냉각하도록 구성되는 냉각 시스템;을 더 포함하고,
    각각의 퀸칭가능한 부분은, 에너지가 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 퀸칭가능한 부분으로 버려질 때, 상기 퀸칭가능한 부분의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 HTS 부분의 상기 퀸칭된 부분의 상기 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가지는, 토로이드형 필드 코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 미리 정해진 온도는 약 700K 또는 더 바람직하게는 약 300K인, 토로이드형 필드 코일.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 미리 정해진 온도는 약 300K, 더 바람직하게는 약 100K, 더 바람직하게는 약 50K인, 토로이드형 필드 코일.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 퀸칭가능한 부분은 비-초전도 안정기(non-superconducting stabiliser)를 더 포함하는, 토로이드형 필드 코일.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비-초전도 안정기는 스테인레스 스틸처럼, 구리보다 더 큰 저항 대 체적 열용량의 비율을 가지는 금속을 포함하는, 토로이드형 필드 코일.
  6. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HTS 부분들과 상기 중심 기둥은 상기 퀸칭가능한 부분들과의 열접촉에 의해서만 냉각되는, 토로이드형 필드 코일.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 상기 HTS 물질이 초전도 상태로 있는 온도로 상기 중심 기둥을 냉각시키도록 더 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  8. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 HTS와 퀸칭가능한 부분들은 상기 HTS 또는 초전도 물질에 전기적으로 연결되는 구리 요소들과의 접점(joint)을 더 포함하고, 상기 HTS와 퀀칭가능한 부분들은 상기 구리 요소들을 통해 연결되는, 토로이드형 필드 코일.
  9. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퀸칭가능한 부분들은 LTS(low temperature superconducting, 저온 초전도) 물질을 포함하는, 토로이드형 필드 코일
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 상기 퀸칭가능한 부분들을 4.2K으로 냉각하도록 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 상기 토로이드형 필드 코일이 작동하는 동안 상기 중심 기둥의 온도 보다 낮은 온도로 상기 퀸칭가능한 부분들을 냉각하여, 상기 두 개의 HTS 부분들이 그들을 따라 온도 경사(temperature gradient)를 가지는 전류 리드들(current leads)로서 작용하도록 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  12. 제9항 내지 제11항에 있어서,
    각각의 퀸칭 시스템은, 상기 LTS 물질을 가열하거나 또는 상기 LTS 물질에서의 교류 손실(alternating current losses)을 유도하는 것 중의 하나에 의해 퀸칭을 야기하도록 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퀸칭가능한 부분들은 HTS 물질과 상기 HTS 물질에 인접하게 놓인 가열기들을 포함하고, 제어기는 상기 가열기들이 상기 HTS 물질을 가열하도록 야기함으로써 상기 퀸칭가능한 부분들의 초전도 물질을 퀸칭시키도록 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 퀸칭가능한 부분들은 HTS 테이프들의 타입-0 쌍들의 스택(stack)들로서 제조되고, 각각의 타입-0 쌍은 상기 HTS 테입들 사이의 구리에 내장된 가열기 띠를 구비하는, 토로이드형 필드 코일.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가열기 띠들은 인접한 가열기 띠들을 따라 흐르는 전류가 반대 방향이 되도록 연결되는, 토로이드형 필드 코일.
  16. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퀸칭 탐지 시스템은 상기 중심 기둥 및/또는 HTS 부분들에서 퀸칭들을 탐지하도록 구성되는, 토로이드형 필드 코일.
  17. 중심 기둥과 복수의 리턴 림들을 포함하는 토로이드형 필드 코일로서, 상기 복수의 리턴 림들은 고온 초전도(HTS) 물질의 권선(turns)을 포함하고, 상기 중심 기둥은:
    저온 초전도(LTS) 물질을 포함하는 저온 초전도 코어로서, 상기 LTS 코어는 상기 토로이드형 필드 코일의 자기장에 기여하도록 구성되는, 저온 초전도 코어;
    상기 LTS 코어를 둘러싸고, HTS 물질을 포함하는, 고온 초전도(HTS) 외측 레이어;를 포함하고,
    상기 LTS 코어는 상기 리턴 림들의 적어도 일부 권선들과 직렬이고, 상기 LTS 코어에서의 퀀칭을 야기하도록 구성된 퀀칭 시스템을 포함하며;
    상기 토로이드형 필드 코일은:
    상기 리턴 림들이나 HTS 외측 레이어에서의 퀸칭들을 탐지하고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 에너지를 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 LTS 코어로 버리기 위해, 상기 퀸칭 시스템으로 하여금 상기 코어 내의 상기 LTS 물질을 퀸칭하도록 야기하도록 구성되는 퀸칭 보호 시스템;
    상기 LTS 물질이 초전도 상태로 있는 온도로 상기 LTS 코어를 냉각시키도록 구성되는 냉각 시스템;을 더 포함하고,
    상기 LTS 코어는, 에너지가 상기 토로이드형 필드 코일로부터 상기 LTS 코어로 버려질 때, 상기 LTS의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 리턴 림들이나 HTS 외측 레이어의 상기 퀸칭된 부분의 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가지는, 토로이드형 필드 코일.
  18. 구체형 토카막(spherical tokamak)에서 사용되기 위한 폴로이드형 필트 코일(poloidal field coil) 조립체로서, 상기 폴로이드형 필드 코일 조립체는:
    고온 초전도(HTS) 물질을 포함하는 제1 폴로이드형 필드 코일;
    저온 초전도(LTS) 물질을 포함하고 상기 제1 폴로이드형 필드 코일과 직렬로 연결되는 제2 폴로이드형 필드 코일;
    상기 제2 폴로이드형 필드 코일과 연관되고 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 퀸칭시키도록 구성되는 퀸칭 시스템;
    상기 제1 폴로이드형 필드 코일에서의 퀸칭들을 탐지하고, 퀸칭의 탐지에 대응하여, 저장된 자기 에너지를 상기 제2 폴로이드형 필드 코일로 버리기 위해, 상기 퀸칭 시스템으로 하여금 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 퀸칭시키도록 야기하도록 구성되는 퀸칭 보호 시스템;
    상기 LTS 물질이 초전도 상태로 있는 온도로 상기 제2 폴로이드형 필드 코일을 냉각시키기 위한 냉각 시스템;을 포함하고,
    상기 제2 폴로이드형 필드 코일은, 에너지가 상기 제2 폴로이드형 필드 코일로 버려질 때, 상기 LTS의 온도가 제1 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분한 열용량을 가지고, 상기 제1 폴로이드형 필드 코일의 상기 퀸칭된 부분의 온도가 제2 미리 정해진 온도 미만으로 남아있도록 하기에 충분할 만큼 빠르게 자석의 전류를 감쇄시키도록 야기하기에 충분한 저항을 가지는, 폴로이드형 필드 코일 조립체.
  19. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 따른 토로이드형 필드 코일 및/또는 폴로이드형 필드 코일 조립체를 포함하는, 핵융합 반응기.
  20. 제19항에 있어서,
    반응기는 구체형 토카막 반응기인, 핵융합 반응기.
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