[논문 리뷰] The superconducting proposal for the CS magnet system of FAST: a preliminary analysis of the heat load due to AC losses

Nicola Pompeo, L. Muzzi|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 30.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고자기장, 고램프율 H모드 조건에서 FAST 토카막의 초전도 중심솔레노이드(CS)에서의 AC 손실을 평가하며, 특히 결합 손실이 심각한 열부하(0.04초 동안 최대 140kW)를 유발함을 발견하여 냉각 요구 조건을 충족시키기 위해 유효 스트랜드 직경을 줄이고 열성능을 향상시킨 고도로 발전된 케이블 설계가 필요하다고 결론내린다.

ABSTRACT

FAST (Fusion Advanced Studies Torus), the Italian proposal of a Satellite Facility to ITER, is a compact tokamak (R$_0$ = 1.82 m, a = 0.64 m, triangularity $δ$ = 0.4) able to investigate non-linear dynamics effects of $α$-particle behavior in burning plasmas and to test technical solutions for the first wall/divertor directly relevant for ITER and DEMO. Currently, ENEA is investigating the feasibility of a superconducting solution for the magnet system. This paper focuses on the analysis of the CS (Central Solenoid) magnet thermal behavior. In particular, considering a superconducting solution for the CS which uses the room available in the resistive design and referring to one of the most severe scenario envisaged for FAST, the heat load of the CS winding pack due to AC losses is preliminarily evaluated. The results provide a tentative baseline for the definition of the strand requirements and conductor design, that can be accepted in order to fulfil the design requirements.

연구 동기 및 목표

• 엄격한 운영 조건 하에서 FAST 중심솔레노이드(CS)의 초전도 솔루션 타당성을 평가하기 위해.
• 고자기장, 고램프율 운영 단계인 H모드 기준 시나리오 동안 CS 권선 팩에 유도되는 AC 손실에 의한 열부하를 평가하기 위해.
• 열적 안정성 및 냉각 제약 조건을 충족시키기 위한 스트랜드 및 도체 설계 요구 조건의 기초를 제공하기 위해.
• 비판적인 열안정성 여유를 식별하고 향후 열유체 설계 최적화를 안내하기 위해.
• 저항성 설계의 부피 제약이 타당한 초전도 CS 솔루션과 호환되는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• CS1U/CS1L 모듈 전역에서 시간 및 위치에 따라 변화하는 자기장(Bz, Br, Bφ)을 계산하기 위해 Opera-3D를 사용한 3차원 전자기 해석을 수행하였다.
• 팬케이크 권선 팩을 각 권선의 중간 반경에서 균일한 자기장을 갖는 단방향 횡방향 자기장(Bz)에 노출된 것으로 모델링하였다.
• Nb3Sn 케이블의 동적 손실 모델을 적용하여 결합 손실과 히스테리시스 손실을 모두 포함하였으며, 특히 예포화 및 포화 상태에서의 영향을 중점적으로 분석하였다.
• 유효 스트랜드 직경(deff), 정상 상태 저항율(ρ), 시간 상수(nτ)를 포함한 수정된 손실 모델을 사용하여 에너지 손실을 추정하였다.
• 노말 조건에서 헬륨 냉각 용량(4.7 kJ/K)과 AC 손실 출력을 비교하여 총 소산 에너지 및 온도 상승을 계산하였다.
• 핵심 매개변수인 deff(10 μm), nτ(10 ms), D_eff에 대한 민감도를 평가하기 위해 비교적 시나리오를 활용하여 설계 개선 효과를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가장 심각한 H모드 기준 시나리오 하에서 FAST의 초전도 중심솔레노이드에서의 AC 손실 크기는 어느 정도인가?
• RQ2 급격한 자기장 램프업 및 램프다운 단계에서 결합 손실과 히스테리시스 손실은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 특히 0.04초 램프다운 기간 동안 피크 AC 손실 출력이 CS 권선 팩에 미치는 열적 영향은 무엇인가?
• RQ4 케이블 설계 개선(예: deff 감소, nτ 감소 등)을 통해 AC 손실을 얼마나 줄일 수 있으며, 이는 열적 안정성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 기존 저항성 설계의 부피 제약은 과도한 열안정성 여유 없이도 타당한 초전도 CS 솔루션을 수용할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 0.04초 램프다운 단계 동안 CS 권선 팩에서의 AC 손실 열부하는 주로 결합 손실로 인해 최대 140kW에 도달한다.
• 평탄한 상단 단계 동안 평균 AC 손실 출력은 약 194W이며, 냉각 용량은 약 19W/K로 추정되어 열적 여유가 매우 좁은 편이다.
• 초기 램프다운 단계에서 총 소산 에너지는 5.6kJ이며, 설계 개선이 없을 경우 약 1K의 온도 상승이 예측된다.
• 유효 스트랜드 직경(deff)을 10 μm로 감소시키고 시간 상수(nτ)를 10 ms로 낮추면 초기 단계에서의 소산 에너지가 1kJ로 감소하여 더 지속 가능한 약 0.2K의 온도 상승이 예측된다.
• 모델은 특히 제7턴 근처에서 포화 상태에서 비포화 상태로의 전이로 인해 급격한 피크가 발생함에 따라 결합 손실이 지배적임을 보여준다.
• 개선된 케이블 모델 및 정확한 D_eff 추정이 이루어지지 않을 경우 현재의 근사치는 비포화 상태 영역에서 손실을 과대평가하며, 이는 설계 신뢰도를 제한한다.