[논문 리뷰] Racetrack coils made of high-temperature superconducting Bi-2212 Rutherford cable operating in a stable and predictable behavior at >8 kA and a wire current density more than 1000 A/mm2

Tengming Shen, Jianyi Jiang외 16명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 08.

Superconducting Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나노스프레이 공정을 통해 제작된 다중섬유 Bi-2212 와이어를 사용하여 17줄짜리 루더포드 케이블에서 제작된 Bi-2212 레이서택 코ils의 안정적이고 쿠엔치 없는 작동을 입증한다. 3.5 T에서 8.6 kA의 전류를 달성했으며, 4.2 K에서 와이어 전류 밀도는 1020 A/mm²에 도달했고, >1 m에 걸쳐 고자기장 영역으로 국한된 예측 가능한 쿠엔치 행동을 보였으며, 이는 신뢰할 수 있는 보호 조치와 새로운 쿠엔치 예측 가능성을 갖춘 고자기장 초전도 마그넷의 새로운 패러다임을 가능하게 한다.

ABSTRACT

High-temperature superconductors (HTS) could enable high-field magnets much stronger than is possible with Nb-Ti and Nb3Sn, but two key limiting factors have so far been the difficulty of achieving high critical current density in long-length conductors, especially in high-current cables, and the danger of quenches out of the superconducting into the normal state. Here we demonstrate stable, reliable and training-quench-free performance of Bi-2212 racetrack coils wound with a 17-strand Rutherford cable fabricated from wires made with nanospray Bi-2212 powder. These multifilament wires are now being delivered in single lengths of more than 1 km with a new record whole-wire critical current density up to 950 A/mm2 at 30 T at 4.2 K. These coils carried up to 8.6 kA while generating a peak field of 3.5 T at 4.2 K, at a wire current density of 1020 A/mm2. Quite different from the unpredictable training performance of Nb-Ti and Nb3Sn magnets, these Bi-2212 magnets showed no training quenches and entered the flux flow state in a stable manner before thermal runaway and quench occurred. Also quite different from Nb-Ti, Nb3Sn, and REBCO magnets for which localized thermal runaways occur at unpredictable locations, the quenches of Bi-2212 magnets consistently occurred in the high field regions over a conductor length greater than one meter. These characteristics make quench detection rather simple, enabling safe protection, and suggest a new paradigm of constructing quench-predictable superconducting magnets from Bi-2212, which is, like Nb-Ti and Nb3Sn, isotropic, round, multifilament, uniform over km lengths and suitable for Rutherford cable use but, unlike them, much more tolerant of the energy disturbances that often lead Nb-based superconducting magnets to premature quench and long training cycles.

연구 동기 및 목표

• 비트리티와 니오브산탄탄의 임계 전류 밀도 및 쿠엔치 안정성의 한계를 극복하는 고자기장 초전도 마그넷을 고온 초전도체(HTS)를 사용하여 개발한다.
• 기존 HTS 마그넷에서 예측할 수 없는 쿠엔치 행동과 긴 트레이닝 사이클 문제를 해결하기 위해, 긴 길이의 도체에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 가능하게 한다.
• Bi-2212 루더포드 케이블이 트레이닝 쿠엔치 없이 고전류 밀도 및 안정된 작동을 달성할 수 있음을 입증함으로써 실용적인 고자기장 마그넷 응용을 가능하게 한다.
• Bi-2212 기반의 쿠엔치 예측 가능하고 등방성이며,킬로미터 길이의 와이어까지 확장 가능한 초전도 마그넷의 새로운 설계 철학을 수립한다.

제안 방법

• 나노스프레이 분말 공정을 통해 제작된 다중섬유 Bi-2212 와이어를 사용하여 임계 전류 밀도를 향상시킨 17줄짜리 루더포드 케이블을 제작하였다.
• 이 케이블을 사용해 레이서택 코ils를 제작하고, 4.2 K에서 점차 증가하는 전류를 인가하여 성능과 쿠엔치 행동을 평가하였다.
• 최대 자기장 3.5 T와 와이어 전류 밀도 1020 A/mm²를 측정하였으며, 30 T에서 임계 전류 밀도는 950 A/mm²에 도달하였다.
• 공간적으로 분포된 온도 센서를 사용하여 쿠엔치 발생 및 전파 행동을 식별하기 위해 쿠엔치 특성에 대한 모니터링을 수행하였다.
• 열적 안정성을 분석하여 플럭스 흐름에서 열적 붕괴로의 전이를 평가하였으며, 일관성과 예측 가능성에 초점을 맞추었다.
• 쿠엔치 행동을 기존의 Nb-Ti, Nb3Sn, REBCO 마그넷과 비교하여 쿠엔치 위치 및 예측 가능성의 차이를 부각시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi-2212 루더포드 케이블은 고전류 밀도 및 고자기장에서 안정적이고 트레이닝 쿠엔치가 없는 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 Bi-2212 마그넷에서 쿠엔치는 어디에서 발생하는가? 다른 HTS 재료와 비교해 그 위치가 예측 가능한가?
• RQ3 장거리 Bi-2212 다중섬유 와이어에서 Rutherford 케이블에 사용할 수 있는 최대 도달 가능한 와이어 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ4 Bi-2212 마그넷의 쿠엔치 행동은 Nb-Ti, Nb3Sn, REBCO 마그넷과 비교해 공간적 국소화 및 열적 붕괴 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ5 Bi-2212 와이어의 등방성, 원형, 다중섬유 구조는 긴 트레이닝 사이클 없이도 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 고자기장 마그넷 구축을 가능하게 하는가?

주요 결과

• Bi-2212 레이서택 코ils는 4.2 K에서 최대 전류 8.6 kA를 달성하여 3.5 T의 자기장을 생성했으며, 와이어 전류 밀도는 1020 A/mm²에 도달했다.
• 전체 와이어 임계 전류 밀도는 30 T 및 4.2 K에서 기록적인 950 A/mm²에 도달하여 장거리 다중섬유 와이어에서의 높은 성능을 입증했다.
• 상승 과정 동안 트레이닝 쿠엔치가 관측되지 않아, Nb-Ti 및 Nb3Sn 마그넷에서 흔히 볼 수 있는 긴 트레이닝 사이클 없이도 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동을 함을 시사한다.
• 쿠엔치는 항상 1미터 이상의 도체 길이를 초과하는 고자기장 영역에서 일관되게 발생하여, 예측 가능한 쿠엔치 탐지 및 보호 조치가 가능했다.
• 쿠엔치 행동은 안정적이고 예측 가능했으며, 局부적인 약한 지점에서가 아니라 확장된 영역 전반에 걸쳐 균일하게 열적 붕괴가 발생했다.
• Bi-2212 마그넷은 Nb 기반 초전도체보다 에너지 교란에 더 뛰어난 내성을 보였으며, 새로운 쿠엔치 예측 가능하고 확장 가능한 고자기장 마그넷의 패러다임을 가능하게 하였다.