KR20220097987A

KR20220097987A - 변형률 또는 자기장 기반 ??치 검출

Info

Publication number: KR20220097987A
Application number: KR1020227019597A
Authority: KR
Inventors: 로버트 슬레이드; 로드 베이트만
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-07-08
Also published as: EP4059033B1; EP4059033A1; HRP20240095T1; SI4059033T1; CA3157997A1; TW202135095A; US20220384073A1; US11749434B2; MX2022005642A; AU2020384656A1; GB201916454D0; ES2971342T3; DK4059033T3; PL4059033T3; LT4059033T; IL292964A; JP2022551006A; WO2021094333A1; ZA202206480B; FI4059033T3

Abstract

HTS 계자 코일을 포함하는 초전도 자석에서 ??치 전 상태를 검출하는 방법이 개시되어 있다. 상기 계자 코일은 HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및 전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 방사상으로 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재;를 포함한다. 변형률(strain)은 HTS 계자 코일 및/또는 HTS 계자 코일의 지지 구조부들에 대해 모니터링된다. 모니터링된 변형률은 자석의 정상 작동 중 예상되는 변형률과 비교된다. 상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부가 결정된다. HTS 계자 코일의 자기장이 상기 변형률 대신에 ??치 전 상태를 검출하도록 모니터링되는 유사한 방법이 제공된다.

Description

변형률 또는 자기장 기반 ??치 검출

본 발명은 고온 초전도 자석 시스템에서의 ??치 검출에 관한 것이며, 구체적으로는 ??칭 검출 방법, 및 상기 방법을 구현하도록 구성된 자석 시스템에 관한 것이다.

핵융합 에너지를 생성하기 위한 문제는 매우 복잡하다. 토카막 외에 많은 대체 장치가 제안되었지만 JET와 같이 현재 작동되는 가장 양호한 토카막과 비교할 만한 결과가 아직 나와 있지는 않다.

세계 핵융합 연구(world fusion research)는 지금까지 건설된 것들 중 가장 크고 가장 비싼((c15bn Euros) 토카막인 ITER의 건조를 시작된 이후에 새로운 국면에 접어들었다. 상업용 핵융합로에 대한 성공적인 공정계획(route)은 경제적인 발전(發電)에 필요한 고효율과 결부된 긴 펄스의 안정적인 작동을 요구한다. 이러한 3가지 조건은 특히 동시에 달성하기가 어려우며 계획된 프로그램은 이론적이고 기술적인 연구뿐만 아니라 ITER 및 기타 핵융합 시설에 대한 다년간의 실험적 연구가 필요할 것이다. 이러한 공정계획을 통해 개발된 상업용 핵융합로는 2050년 이전에 건설되지 않을 것으로 널리 예상된다.

경제적인 발전(다시 말하면, 투입 전력보다 훨씬 큰 신출 전력)에 필요한 핵융합 반응을 획득하려면, 기존의 토카막이 (ITER에 의해 예시된 바와 같이) 거대하여야 하고, 그럼으로써 (플라즈마 체적에 대략 비례하는) 에너지 제한 시간(energy confinement time)은 플라즈마가 열융합이 일어나기에 충분히 뜨거울 수 있을 만큼 충분히 커야 한다.

WO 2013/030554에는 중성자 소스(neutron source) 또는 에너지 소스로서 사용하기 위한 소형인 구형 토카막을 사용하는 것을 포함하는 대안적인 수법이 기재되어 있다. 구형 토카막의 낮은 종횡비 플라즈마 형상은 입자 제한 시간을 개선하고 훨씬 더 작은 기계에서 순수한 발전을 허용한다. 그러나 작은 직경의 중앙 기둥(central column)이 필요하며, 이는 플라즈마 제한 자석의 설계에 대한 문제를 제시한다. 고온 초전도체(High Temperature Superconductor; HTS) 계자 코일들은 이러한 플라즈마 제한 자석에 대한 유망한 기술이다.

초전도 소재들은 일반적으로 "고온 초전도체"(HTS)와 "저온 초전도체"(Low Temperature Superconductor; LTS)로 나뉜다. Nb 및 NbTi와 같은 LTS 소재들을 BCS 이론에 의해 초전도성이 설명될 수 있게 하는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30K 보다 낮은 임계 온도(0(제로) 자기장에서도 소재가 초전도성을 발현할 수 없게 하는 온도)를 지닌다. HTS 소재의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며 이러한 소재는 약 30K 이상의 임계 온도를 지닐 수 있다(단, 여기서 유념하여야 할 점은 HTS 및 LTS 소재를 정의하는 임계 온도라기보다는 초전도 작동 및 구성의 물리적 차이이다는 것이다). 가장 일반적으로 사용되는 HTS는 BSCCO 또는 ReBCO(여기서, Re는 희토류 원소, 일반적으로 Y 또는 Gd임)와 같은, "쿠프레이트(cuprate) 초전도체" - 쿠프레이트를 기반으로 하는 세라믹(구리 산화물 그룹을 함유하는 화합물)이다. 기타 HTS 소재에는 철 프닉타이드(iron pnictide)(예컨대, FeAs 및 FeSe) 및 마그네슘 디보레이트(MgB₂)이 포함된다.

ReBCO는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 구조로 테이프들로서 제조된다. 이러한 테이프(100)는 일반적으로 두께가 대략 100미크론이고, 기판(101)(전형적으로 두께가 대략 50미크론인 전해 연마된 하스테로이(hastelloy))을 포함하며, 이 상부에는 대략적인 두께가 0.2미크론인 버퍼 스택(102)으로서 알려진 일련의 버퍼 층들이 IBAD, 마그네트론 스퍼터링, 또는 다른 적절한 기법에 의해 증착된다. (MOCVD 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착된) 에피택셜 ReBCO-HTS 층(103)은 상기 버퍼 스택을 오버레이(overlay)하고 일반적으로 두께가 1마이크론이다. 1-2미크론의 은(silver) 층(104)은 스퍼터링 또는 다른 적절한 기법에 의해 상기 HTS 층 상에 증착되고 구리 안정제 층(copper stabilizer layer; 105)은 종종 테이프를 완전히 캡슐화하는 전기도금 또는 다른 적절한 기법에 의해 테이프 상에 증착된다.

상기 기판(101)은 제조 라인을 통해 공급될 수 있고 후속 층들의 성장을 허용할 수 있는 기계적 백본(mechanical backbone)을 제공한다. 상기 버퍼 스택(102)은 상기 HTS 층을 성장시켜야 하는 2축 텍스처 결정 템플릿(biaxially textured crystalline template)을 제공하여야 하고, 상기 HTS의 초전도 특성을 손상시키는 상기 기판으로부터 상기 HTS로의 요소들의 화학적 확산을 방지한다. 상기 은 층(104)은 상기 ReBCO로부터 상기 안정제 층으로 저 저항 인터페이스를 제공하여야 하며, 상기 안정제 층(105)은 상기 ReBCO의 임의의 부분이 초전도를 나타내지 않게 하는 경우("정상(normal)" 상태로 진입되는 경우) 대체 전류 경로를 제공한다.

또한 "박리된(exfoliated)" HTS 테이프가 제조될 수 있고, 이러한 HTS 테이프에는 기판과 버퍼 스택이 없는 대신에 HTS 층의 양면 상에는 은 층들이 구비되어 있다. 기판을 지니는 테이프는 "기판화된(substrated)" HTS 테이프로서 언급된다.

HTS 테이프들은 HTS 케이블들로 구성될 수 있다. HTS 케이블은 하나 이상의 HTS 테이프들을 포함하며, 상기 하나 이상의 HTS 테이프들은 전도성 소재(일반적으로 구리)을 통해 길이를 따라 연결된다. 상기 HTS 테이프들은 적층될 수도 있고(다시 말하면, 상기 HTS 층들이 나란하도록 배치될 수도 있고) 상기 하나 이상의 HTS 테이프들은 상기 케이블의 길이를 따라 변할 수 있는 일부 다른 테이프 배치를 지닐 수도 있다. HTS 케이블들의 주목할만한 특정 사례들에는 단일 HTS 테이프들, 및 HTS 쌍들이 있다. HTS 쌍들은 상기 HTS 층들이 나란하도록 배치된 한 쌍의 HTS 테이프들을 포함한다. 기판화된 테이프가 사용되는 경우, HTS 쌍은 유형-0(HTS 층들이 서로 마주하는 것), 유형-1(한 테이프의 HTS 층이 다른 한 테이프의 기판을 향하는 것) 또는 유형-2(기판들이 서로 마주하는 것)일 수 있다. 3개 이상의 테이프로 구성된 케이블들은 HTS 쌍들로 상기 테이프들 중 일부 또는 모두를 배치할 수 있다. 적층된 HTS 테이프들은 HTS 쌍들의 다양한 배치를 포함할 수 있으며, 가장 일반적으로는 유형-1 쌍들의 스택 또는 유형-0 쌍들의 스택을 포함할 수도 있다 (또는 동등하게 유형-2 쌍들의 스택을 포함할 수도 있다). HTS 케이블들은 기판화된 테이프와 박리된 테이프를 믹스한 것을 포함할 수 있다.

하나의 일반적인 유형의 HTS 코일은, 리본 스풀과 유사한 방식으로 HTS 케이블들(201)이 평평한 코일을 형성하도록 감겨 있는 "팬케이크 코일"이다. 팬케이크 코일은 임의의 2차원 형상인 내부 주변으로 만들어질 수 있다. 종종 팬케이크 코일은 "이중 팬케이크 코일(double pancake coil)"로서 제공되며, 이는, 팬케이크 코일들 사이에 절연체가 있으며 내부 단자들이 함께 연결되어 있는 반대의 의미로 감긴 2개의 팬케이크 코일을 포함한다. 이것이 의미하는 것은 코일의 권선(turns)을 통해 전류를 구동하여 자기장을 생성하기 위해 일반적으로 더 접근하기 쉬운 외부 단자들에만 전압이 공급되어야 한다는 것이다.

HTS 코일은 코일의 권선 간에 전기 절연 소재를 지님으로써 "절연"되어 있을 수도 있고, 코일의 권선이 케이블을 따라 방사상으로 전기적으로 연결되어 있음으로써(예컨대, 납땜 또는 직접적인 접촉으로 케이블의 구리 안정제 층을 연결함으로써) "비-절연"되어 있을 수도 있다. 또한, 코일은 "부분적으로 절연"되어 있을 수 있는데, 다시 말하면 절연된 코일에 사용되는 절연체들 또는 비-절연 코일의 케이블들을 결합시켜주는 금속들 중간에 저항이 있는 층을 코일들 간에 지님으로써 "부분적으로 절연"되어 있을 수 있다. 예를 들어, 절연된 부분은 상대적으로 높은 저항 금속의 두꺼운 층, 반도체, 또는 상대적으로 높은 저항을 제공하도록 구성된 복합 층일 수 있다. 대안으로, 부분적으로 절연된 코일은 예컨대 계자 코일의 측면 상에 전도성 소재로 만들어진 다른 방사상 전류 경로들을 제공함으로써 형성될 수 있다.

제1 실시형태에 의하면, HTS 계자 코일을 포함하는 초전도 자석에서 ??치 전(pre-qench) 상태를 검출하는 방법이 제공된다. 계자 코일은 HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및 전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 방사상으로 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재를 포함한다. 변형률(strain)은 HTS 계자 코일 및/또는 HTS 계자 코일의 지지 구조부들에 대해 모니터링된다. 모니터링된 변형률은 자석의 정상 작동 중 예상되는 변형률과 비교된다. 상기 비교에 응답하여, 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부가 결정된다.

제2 실시형태에 의하면, HTS 계자 코일을 포함하는 초전도 자석에서 ??치 전 상태를 검출하는 방법이 제공된다. 계자 코일은 HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및 전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 방사상으로 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재를 포함한다. HTS 계자 코일의 자기장이 모니터링된다. 모니터링된 자기장은 자석의 정상 작동 중 예상되는 자기장과 비교된다. 상기 비교에 응답하여, 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부가 결정된다.

제3 실시형태에 의하면, HTS 계자 코일을 포함하는 고온 초전도(HTS) 자석 시스템이 제공된다. HTS 계자 코일은 HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및 전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재를 포함한다. HTS 자석 시스템은 ??치 보호 시스템 및 상기 HTS 계자 코일 상에나 또는 상기 HTS 계자 코일의 구조 지지부 상에 위치한 하나 이상의 변형률 센서들을 더 포함한다. ??치 보호 시스템은 하나 이상의 변형률 센서의 변형률 측정치들을 모니터링하고 자석의 정상 작동 중 예상되는 변형률과 상기 변형률 측정치들을 비교하며 상기 비교에 응답하여, 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성된다.

제4 실시형태에 의하면, HTS 계자 코일을 포함하는 고온 초전도(HTS) 자석 시스템이 제공된다. 상기 HTS 계자 코일은 HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및 전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재를 포함한다. 상기 HTS 자석 시스템은 ??치 보호 시스템 및 하나 이상의 자기장 센서들을 더 포함한다. 상기 퀀치 보호 시스템은 상기 하나 이상의 자기장 센서들의 자기장 측정치들을 모니터링하고, 자석의 정상 작동 중 예상되는 자기장과 상기 자기장 측정치들을 비교하며, 상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성된다.

제5 실시형태에 의하면, 상기 제3 또는 제4 실시형태에 따른 HTS 자석시스템을 포함하는 토카막이 제공되며, 상기 토카막의 토로이달 계자 코일 또는 폴로이드 계자 코일은 상기 HTS 계자 코일을 포함한다.

도 1은 HTS 테이프의 개략도이다.
도 2는 초전도 자석 시스템의 개략도이다.
도 3은 여러 개의 코일을 포함하는 초전도 자석 시스템의 개략도이다.

부분적으로 절연 및 비-절연된 코일들, 다시 말하면 권선들 간 방사상 전류 흐름을 허용하는 권선들 간 (비-초전도) 전도성 경로가 있는 코일들은 일반적으로 ??칭(자석이 작동 중 비-초전도 상태가 됨) 및 ??치(이것이 부분적으로 절연 코일의 권선들 간 아크 발생(arcing) 때문에 일어남으로 인한) 손상에 대한 내성을 지닌다. 그러나 지금까지 밝혀져 왔던 점은 자기장의 큰 이동으로 인한 부분적으로 비-절연된 코일들의 ??치들 및 나선형 경로(다시 말하면, 코일의 HTS를 이루는 나선형 경로)로부터 방사상 경로로(다시 말하면 금속 연결 또는 부분 절연을 통해 직접적으로) 전달되는 전류로 인한 결과적으로 생기는 변형률 때문에 상당한 손상이 발생할 수 있다는 것이다. 이는 특히 다중 코일 섹션들, 예컨대 토카막용 토로이달 계자(toroidal field; TF) 코일 세트들이 있는 자석 시스템들에서 주목할만하다. TF 코일의 하나의 "림(limb)"이 ??칭되며, 그 결과로 생기는 자기 불균형(magnetic imbalance)은 큰 불균형 힘으로 인한 전체 TF 코일 세트에 대한 심각한 손상을 줄 수 있다.

변형률 및 자기장의 파괴적인 큰 이동이 분명히 문제이지만, 이하의 설명에서는 권선들 간 공유 전류로 인해 ??치가 개시되는 동안 발생되는 작은 변형률 및 계자 이동을 사용하여 초기 ??치(incipent quench)를 검출하고 자석을 안전하게 램프 다운(ramp down)하여 ??치으로 인한 손상을 줄이거나 방지하기에 충분한 경고를 제공할 것을 제안하다. 일반적으로 ??치 검출은 "??치 전 상태(pre-quench conditions)", 다시 말하면 ??칭을 유발할 가능성이 있는 상태나, 또는 ??치가 곧 발생할 수 있음을 나타내는 코일들 또는 코일들 내 핫-스폿(hot-spot)들 간 공유 전류와 같은 징후를 검출하는 것을 포함한다.

??치 검출은 상기 세트의 각각의 코일(및/또는 인근 구조적 구성요소)의 변형률 또는 상기 세트의 각각의 코일에 가까운 자기장 중 어느 하나 또는 양자 모두를 모니터링함으로써 수행될 수 있다. 광범위한 예에서, ??치 전 상태는 자석 작동 중 예상되는 측정치들로부터의 편차(예컨대, 사용된 변형률 게이지들의 측정 정확도보다 큼)가 있을 때 시그널링(signalling)될 수 있다. 대안으로, 그러한 편차가 임계값보다 클 때(예컨대 예상되는 측정치보다 1% 클 때) ??치 전 상태가 시그널링될 수 있다. 이는 제어되지 않은 ??치의 잠재적 비용을 절약하기 위해 더 많은 수의 불필요한 셧다운(shutdown)들의 잠재적 비용을 감수할 가치가 있는 시스템에 적합하다.

대안으로, 상기 ??치 보호 시스템은 변형률 및/또는 자기장 센서들에 의한 특정 측정치, 예컨대 정상 작동 동안 코일의 자기장에 수직인 자기장("오프 축(off axis)" 자기장), 또는 예상치 못한 구성요소 또는 예상치 못한 방향의 변형률(여기서 "예기치 못한"은 "정상 작동 중 예상되지 않는"을 의미하는데, 다시 말하면 이는 ??치 또는 ??치 전 상태의 경우에 예상될 수 있음)에만 응답하도록 구성될 수 있다.

다중-코일 시스템들에서, 한 코일에서의 ??치 전 상태의 검출은 상기 시스템의 다른 한 코일 내 그리고 주변의 변형률 변화들에 기초하여 이루어질 수 있는데, 이는 제1 코일의 자기장 이동으로 인해 상기 시스템의 다른 코일들 상에서의 힘 균형이 이동하게 되기 때문이다. 이는 여러 코일이 동일한 자석의 일부(예컨대, TF 코일 세트의 개별 림)인 지의 여부에 적용된다.

"정상 작동 중 변형률/자기장"의 판단은 현재 코일에 공급되는 전력에 기초하여 이루어질 수 있는데, 예컨대 상기 ??치 보호 시스템은 입력으로서 각각의 코일에 공급되는 전류의 세부사항을 수신하고,(예컨대, 룩업 테이블(look-up table)을 참조하여 또는 간단한 모델의 계산에 의해) 이러한 전류들에 기초하여 변형률 및/또는 자기장 모델을 결정하며, 그리고 상기 변형률 및/또는 자기장 모델과 상기 변형률 및/또는 자기장 센서들의 판독값들을 비교할 수 있다. 위에서 주지한 바와 같이, ??치 전 상태는 상기 모델로부터의 상당한 편차에 대해 또는 특정 유형의 편차, 예컨대 예상되는 자기장/변형률에 수직인 특정 유형의 편차에 대해 시그널링될 수 있다(그리고 자석의 램프 다운과 같은 ??치 방지 절차들이 결합될 수 있다).

균형 잡힌 다중 코일 시스템, 다시 말하면 정상 작동 중 각각의 코일에 대해 변형률/자기장 패턴이 동일하여야 하는 시스템에서, 비교에 사용되는 정상 작동 중 예상되는 변형률/자기자은 다른 코일들의 측정된 변형률/자기장에 기초하여 이루어질 수 있는데, 다시 말하면 예상되는 변형률 패턴은 각각의 코일 상의 변형률이 게이지 정확도 범위 내와 동일하다는 것이다. 변형률 편차의 특정 패턴은 ??치 전 상태를 나타낼 수 있는데, 예컨대 동일하고 반대되는 편차는 코일이 양쪽에 있는 2개의 코일에 존재하고, 다음으로 가장 가까운 이웃들에 대하여는 감소된 동일하고 반대되는 편차가 존재한다.

완전히 균형이 잡혀져 있지는 않지만 대칭을 이루는 시스템들에 유사한 고려사항이 적용되는데, 예컨대 다중 코일 시스템에 서로 반사 대칭을 지니는 2세트의 코일들이 있는 경우, 예상되는 변형률/자기장은, 상기 변형률/자기장 패턴이 또한 반사 대칭을 지닌다고 예상하고서, 각각의 코일의 측정된 변형률/자기장에 기초하여 이루어질 수 있다.

소형인 구형 토카막(플라즈마의 긴 반경이 약 1.5m임)의 일반적인 TF 코일에서, 예상되는 변형률은 최대 0.25%(2500미크론변형률)일 수 있으며, 변형률 센서의 감도는 0.01미크론변형률보다 양호할 수 있다. 이 때문에, 자석 상의 변형률을 매우 정밀하고 고해상도로 측정하는 것이 가능하다.

도 2는 개략적인 형태로 대표적인 초전도 자석 시스템을 보여준다. 상기 자석 시스템은,

지지 구조부들(202)을 지니는 HTS 계자 코일(201);

상기 HTS 계자 코일(201) 및 상기 지지 구조부들(202) 상의 복수의 변형률 센서들(203);

상기 HTS 계자 코일(201)에 의해 생성된 자기장을 모니터링하도록 배치된 복수의 자기장 센서들(204);

??치 보호 시스템(205):

을 포함하며, 상기 ??치 보호 시스템(205)은,

상기 변형률 센서들 및 상기 자기장 센서들로부터의 측정치들을 모니터링하도록 구성되고,

상기 모니터링된 측정치들을 정상 작동 중 예상되는 변형률 프로파일과 정상 작동 중 예상되는 자기장 프로파일과 비교하도록 구성되며,

상기 비교에 기초하여 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성된다.

도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 복수의 코일들(201)을 (관련된 지지 구조부들(202) 및 센서들(203, 204)과 함께) 포함하는 다중 코일 자석 시스템을 보여준다. 상기 ??치 보호 시스템(305)은,

상기 변형률 센서들 및 자기장 센서들로부터의 측정치들을 모니터링하도록 구성되며,

상기 모니터링된 측정치들을 정상 작동 중 예상되는 변형률 프로파일과 정상 작동 중 예상되는 자기장 프로파일과 비교하도록 구성되고,

각각의 계자 코일 상의 센서들과 다른 계자 코일들 상의 센서들 양자 모두를 사용하여 상기 비교에 기초해 각각의 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성된다.

위의 더 구체적인 예들에서 설명한 바와 같이, 상기 자석 시스템은 또한 변형률 센서들만으로 구성될 수도 있고 자기장 센서들만으로 구성될 수도 있으며 상기 퀀치 보호 시스템은 (적절한 경우) 변형률 또는 자기장만을 고려하도록 구성될 수 있다.

상기 ??치 보호 시스템은 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있다는 결정에 따라 ??치 방지 또는 완화의 어떤 방식을 활성화하도록, 예컨대 저항성 부하로 전환하거나 자석의 많은 부분을 의도적으로 ??칭함으로써 자석 전류를 차가운 물질(cold mass)에 덤핑(dumping)하게 하도록 추가로 구성될 수 있다.

Claims

HTS 계자 코일을 포함하는 초전도 자석에서 ??치 전(pre-qench) 상태를 검출하는 방법으로서, 상기 계자 코일은,
HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및
전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 방사상으로 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재;
를 포함하며,
상기 ??치 전 상태의 검출 방법은,
상기 HTS 계자 코일 및/또는 상기 HTS 계자 코일의 지지 구조부들의 변형률을 모니터링하는 단계;
상기 모니터링된 변형률을 상기 자석의 정상 작동 중 예상되는 변형률과 비교하는 단계;
상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하는 단계;
를 포함하는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 정상 작동 중 예상되는 변형률은 상기 자석의 작동 매개변수들에 기초하여 동적으로 계산되는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하는 단계는,
상기 모니터링된 변형률이 임계값이상 만큼 상기 예상되는 변형률을 초과하는 경우 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있음을 결정하는 단계;
상기 모니터링된 변형률이 임계값보다 큰 크기로 상기 예상되는 변형률에 수직인 성분을 지니는 경우 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있음을 결정하는 단계;
중의 하나 이상을 포함하는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제3항에 있어서,
상기 임계값 또는 각각의 임계값은 상기 예상되는 변형률의 사전에 결정된 비율인, ??치 전 상태의 검출 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자석은 복수의 HTS 계자 코일들을 포함하며, 각각의 HTS 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부에 대한 결정은 상기 HTS 계자 코일 및 나머지 HTS 게자 코일들에 상응하는 변형률 센서들의 측정치들에 기초하여 이루어지는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자석은 복수의 HTS 계자 코일들을 포함하며, 상기 복수의 계자 코일들의 각각의 HTS 계자 코일의 예상되는 변형률은 상기 복수의 HTS 계자 코일들의 적어도 하나의 나머지 HTS 계자 코일의 모니터링된 변형률에 기초하여 이루어지는, ??치 전 상태의 검출 방법.
HTS 계자 코일을 포함하는 초전도 자석에서 ??치 전 상태를 검출하는 방법으로서, 상기 계자 코일은,
HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들; 및
전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 방사상으로 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재;
를 포함하며,
상기 ??치 전 상태의 검출 방법은,
상기 HTS 계자 코일의 자기장을 모니터링하는 단계;
상기 모니터링된 자기장을 상기 자석의 정상 작동 중 예상되는 자기장과 비교하는 단계;
상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하는 단계;
를 포함하는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제7항에 있어서,
상기 정상 작동 중 예상되는 자기장은 상기 자석의 작동 매개변수들에 기초하여 동적으로 계산되는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하는 단계는,
상기 모니터링된 자기장이 임계값이상 만큼 상기 예상되는 자기장을 초과하는 경우 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있음을 결정하는 단계;
상기 모니터링된 자기장이 임계값보다 큰 크기로 상기 예상되는 자기장에 수직인 성분을 지니는 경우 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있음을 결정하는 단계;
중의 하나 이상을 포함하는, ??치 전 상태의 검출 방법.
제9항에 있어서,
상기 임계값 또는 각각의 임계값은 상기 예상되는 변형률의 사전에 결정된 비율인, ??치 전 상태의 검출 방법.
HTS 계자 코일을 포함하는 고온 초전도(HTS) 자석 시스템으로서, 상기 HTS 계자 코일은,
HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들;
전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재;
를 포함하며,
상기 HTS 자석 시스템은 ??치 보호 시스템 및 상기 HTS 계자 코일 상에나 또는 상기 HTS 계자 코일의 구조 지지부 상에 위치한 하나 이상의 변형률 센서를 더 포함하고,
상기 ??치 보호 시스템은,
상기 하나 이상의 변형률 센서들의 변형률 측정치들을 모니터링하도록 구성되고,
상기 자석의 정상 작동 중 예상되는 변형률과 상기 변형률 측정치들을 비교하도록 구성되며,
상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성되는, HTS 자석 시스템.
HTS 계자 코일을 포함하는 고온 초전도(HTS) 자석 시스템으로서, 상기 HTS 계자 코일은,
HTS 소재 및 금속 안정제를 포함하는 복수의 권선들;
전류가 전도성 소재를 통해 상기 권선들 간에 공유될 수 있도록 상기 권선들을 연결하는 전도성 소재;
를 포함하며,
상기 HTS 자석 시스템은 ??치 보호 시스템 및 하나 이상의 자기장 센서들을 더 포함하고,
상기 퀀치 보호 시스템은,
상기 하나 이상의 자기장 센서들의 자기장 측정치들을 모니터링하도록 구성되며,
상기 자석의 정상 작동 중 예상되는 자기장과 상기 자기장 측정치들을 비교하도록 구성되고,
상기 비교에 응답하여, 상기 계자 코일이 ??치 전 상태에 있는 지의 여부를 결정하도록 구성되는, HTS 자석 시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 전도성 소재는,
중간 절연 층;
반도체;
각각의 측면 상에 중간 절연 층을 지니는 금속 스트립;
금속-절연체 전이 소재;
중 어느 하나를 포함하는 복수의 절연 층들 내에 포함되는, HTS 자석 시스템.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 HTS 자석 시스템을 포함하는 토카막으로서, 상기 토카막의 토로이달 계자 코일 또는 폴로이드 계자 코일은 상기 HTS 계자 코일을 포함하는, 토카막.