[논문 리뷰] HADES: a High Amperage Driver for Extreme States

P.-A. Gourdain, Matthew Evans외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 12.

Pulsed Power Technology Applications참고 문헌 15인용 수 12

한 줄 요약

HADES는 20 nH 부하에 대해 150 ns의 상승 시간으로 1 MA 전류를 공급하고 250 GW의 최대 출력을 달성하는 컴act하고 고전류 펄스 전원 드라이버이다. 이는 선형 변압기 드라이버(LTD)의 효율적인 직렬 및 병렬 통합을 가능하게 하는 새로운 컴팩트 전송선 구조를 사용하여 면적을 5 m² 이하, 높이를 1.6 m 이하로 줄여 기존의 1 MA LTD 시스템보다 훨씬 작게 설계되었다.

ABSTRACT

Linear transformer drivers (LTD) allow to greatly reduce the size of pulsed-power drivers while increasing their efficiency and repetition rate. However, limitations on the capacitors voltage and current exist, mostly driven by technological imperatives. As a result, LTD required to be connected in series and in parallel to form a practical pulsed-power generator. The High Amperage Driver for Extreme States (HADES) proposed here can generate 250 GW of power, i.e. a 1 MA on current with a rise time of 150 ns into a 20nH load. The key feature of the driver is its size. The machine footprint is less than 5m2 and its height is less than 1.6m. This reduction in footprint, compared to other 1 MA LTD based-systems, comes from a compact transmission line geometry which allow to connect LTDs is series and in parallel efficiently. This paper summarizes this design and describes HADES operation and maintenance.

연구 동기 및 목표

• 20 nH 부하에 대해 150 ns의 상승 시간으로 1 MA 전류를 공급할 수 있는 고전류 펄스 전원 드라이버 개발.
• 기존 선형 변압기 드라이버(LTD) 시스템의 크기 및 확장성 한계를 해결하기 위해 면적과 높이를 최소화.
• 관성 압축 및 핵융합 등 극한 상태 연구를 위한 고반복 주기, 고효율 펄스 전원 생성을 가능하게 하기.
• 콘덴서의 전압 및 전류 정격에 기인한 기술적 제약을 극복하기 위해 컴팩트 전송선 설계를 통한 LTD 구성 최적화.

제안 방법

• 다중 LTD 모듈의 효율적인 직렬 및 병렬 연결을 가능하게 하는 컴팩트 전송선 기하구조를 적용.
• 고전력 밀도와 전기적 효율성을 유지하면서도 확장 가능한 모듈식 아키텍처로 LTD 모듈 통합.
• 20 nH 인덕턴스 부하에 대해 150 ns 상승 시간으로 1 MA 전류를 공급함으로써 최대 250 GW 출력을 달성.
• 혁신적인 공간 배치 및 부품 통합을 통해 물리적 면적을 5 m² 이하, 높이를 1.6 m 이하로 최소화.
• 고전압 및 고전류 수준에서의 신뢰성 있는 작동을 확보하기 위해 고급 절연 및 스위칭 기술 활용.
• 수리 용이성을 고려한 모듈식 구성 요소 설계로 유지보수 용이성 및 장기 운용 성능 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴팩트한 펄스 전원 드라이버는 5 m² 이하의 면적에서 150 ns 상승 시간으로 1 MA 전류를 공급할 수 있는가?
• RQ2 다중 LTD 모듈의 직렬 및 병렬 통합 방식을 최적화해 최대 출력과 시스템 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ3 기존의 1 MA LTD 기반 시스템에 비해 크기를 크게 줄이는 데 기여한 설계 혁신은 무엇인가?
• RQ4 컴팩트 전송선 기하구조는 고전류 펄스 전원 시스템의 확장성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HADES 시스템은 극한 전기적 스트레스 조건에서도 고반복 주기 및 안정적인 작동을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• HADES는 20 nH 부하에 대해 150 ns 상승 시간으로 1 MA 전류를 공급함으로써 250 GW의 최대 출력을 달성한다.
• 시스템의 물리적 면적은 5 m² 이하, 높이는 1.6 m 이하로 기존의 1 MA LTD 기반 시스템에 비해 크기가 크게 감소하였다.
• 컴팩트 전송선 기하구조는 LTD 모듈의 효율적인 직렬 및 병렬 통합을 가능하게 하여 전력 밀도 향상과 시스템의 확장성 향상을 이룬다.
• 고반복 주기 작동을 지원하여 극한 상태 연구를 위한 반복 실험에 적합하다.
• 모듈식 구조와 최적화된 부품 레이아웃을 통해 효율성과 신뢰성이 향상됨을 입증하였다.
• HADES 아키텍처는 핵융합 에너지 및 동적 재료 연구 분야에서의 고전류 펄스 전원 응용에 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.