[논문 리뷰] The SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Zachary Hartwig, R. Vieira외 98명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 18.

Superconducting Materials and ApplicationsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SPARC fusion energy 프로그램 내에서 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 초전도체 기술을 사용하여 고자기장(20.1 T), 대규모(3 m) 토로이드 필드 코ils의 성공적인 설계, 제작 및 시험을 보고한다. 이 프로젝트는 40.5 kA 단자 전류, 815 kN/m 루프력, 1 GPa 기계적 응력 내성, 그리고 저저항(0.5–2.0 nΩ) 15개의 접합부를 포함하여 숙련되고 확장 가능한 REBCO 마그넷 성능을 입증하였으며, 향후 소형 토카막스를 위한 핵심 fusion 관련 기술을 검증하였다.

ABSTRACT

The SPARC Toroidal Field Model Coil (TFMC) Program was a three-year effort between 2018 and 2021 that developed novel Rare Earth Yttrium Barium Copper Oxide (REBCO) superconductor technologies and then successfully utilized these technologies to design, build, and test a first-in-class, high-field (~20 T), representative-scale (~3 m) superconducting toroidal field coil. With the principal objective of demonstrating mature, large-scale, REBCO magnets, the project was executed jointly by the MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) and Commonwealth Fusion Systems (CFS). The TFMC achieved its programmatic goal of experimentally demonstrating a large-scale high-field REBCO magnet, achieving 20.1 T peak field-on-conductor with 40.5 kA of terminal current, 815 kN/m of Lorentz loading on the REBCO stacks, and almost 1 GPa of mechanical stress accommodated by the structural case. Fifteen internal demountable pancake-to-pancake joints operated in the 0.5 to 2.0 nOhm range at 20 K and in magnetic fields up to 12 T. The DC and AC electromagnetic performance of the magnet, predicted by new advances in high-fidelity computational models, was confirmed in two test campaigns while the massively parallel, single-pass, pressure-vessel style coolant scheme capable of large heat removal was validated. The REBCO current lead and feeder system was experimentally qualified up to 50 kA, and the crycooler based cryogenic system provided 600 W of cooling power at 20 K with mass flow rates up to 70 g/s at a maximum design pressure of 20 bar-a for the test campaigns. Finally, the feasibility of using passive, self-protection against a quench in a fusion-scale NI TF coil was experimentally assessed with an intentional open-circuit quench at 31.5 kA terminal current.

연구 동기 및 목표

• 융합 에너지 적용을 위한 숙련되고 대규모의 REBCO 초전도체 기술을 입증하기 위해.
• REBCO 테이프를 사용하여 직경 3 m, 고자기장(~20 T)의 대표적 규모의 토로이드 필드 코ils를 설계 및 제작하기 위해.
• 융합 관련 조건에서 전자기적, 기계적 및 냉각 성능을 검증하기 위해.
• 융합 규모의 절연되지 않은 코일에서 수동 자가보호를 통한 쿠엔치 보호 기능을 입증하기 위해.
• 50 kA까지의 REBCO 전류 도입부 및 공급선 시스템을 자격 부여하고 고열 제거 냉각 방식을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고전류 밀도 및 기계적 내구성을 최적화한 새로운 REBCO 초전도체 기술의 개발 및 통합.
• 구조 케이스와 내부 접합부를 갖춘 REBCO 테이프를 사용하여 직경 3 m, 15층의 팬케이크 권선 방식의 토로이드 필드 코ils의 설계 및 제작.
• 고열 제거 능력을 확보하기 위해 단일 통로 압력용기형 냉각 방식을 구현.
• 정밀한 수치 모델링을 통해 DC 및 AC 전자기 성능을 예측하고 검증.
• 20 K에서 600 W 냉각 능력을 제공하고 질량 유량 최대 70 g/s, 압력 20 bar-a를 확보하는 냉각기 기반 시스템 통합.
• 실험적으로 50 kA까지의 REBCO 전류 도입부 및 공급선 시스템을 자격 부여하고, 의도적인 개로 상태에서의 쿠엔치 테스트를 통한 수동 쿠엔치 보호 기능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 고자기장 REBCO 토로이드 필드 코ils가 융합 관련 기계적 및 전자기적 하중 조건 하에서 20.1 T 자기장과 40.5 kA 단자 전류로 안정적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 단일 통로 압력용기형 냉각 방식이 대규모 REBCO 마그넷 시스템에서 고열 하중을 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ3 고자기장 및 20 K 작동 조건 하에서 내부 분리 가능한 팬케이크-팬케이크 접합부의 전기적 성능과 신뢰성은 어떠한가?
• RQ4 수동 자가보호 메커니즘이 융합 규모의 절연되지 않은 REBCO 토로이드 필드 코일에서 쿠엔치 손상을 효과적으로 제한할 수 있는가?
• RQ5 고자기장 및 고응력 융합 환경에서 REBCO 전류 도입부 및 공급선 시스템이 50 kA에서 작동하도록 자격 부여될 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• TFMC는 목표치인 약 20 T를 초월하여 20.1 T의 최고 자기장-코일에서 40.5 kA의 단자 전류를 달성하였다.
• 코일은 815 kN/m의 루프력에 견디며, 구조 케이스에서 약 1 GPa의 기계적 응력을 수용하였다.
• 15개의 내부 팬케이크-팬케이크 접합부는 20 K에서 최대 12 T 자기장에서 저항이 0.5에서 2.0 nΩ 사이로 측정되었다.
• 정밀한 전자기 모델링은 DC 및 AC 성능을 정확히 예측하였으며, 두 번의 시험 캠프에서 확인되었다.
• 단일 통로 압력용기형 냉각 방식은 고열 하중을 효과적으로 제거하였으며, fusion 레이터에 대한 확장 가능성도 검증되었다.
• REBCO 전류 도입부 및 공급선 시스템은 실험적으로 50 kA까지 자격 부여되었으며, 냉각기 시스템은 20 K에서 600 W 냉각 능력을 제공하고 질량 유량 70 g/s, 압력 20 bar-a를 확보하였다.