[논문 리뷰] Stable, predictable operation of racetrack coils made of high-temperature superconducting Bi-2212 Rutherford cable at the very high wire current density of more than 1000 A/mm2

Tengming Shen, Jianyi Jiang외 15명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 08.

Superconducting Materials and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 나노스프레이 공정을 통해 제조된 다중섬유 와이어를 사용하여 17주선 루더포드 케이블에서 감은 Bi-2212 레이서택 코ils의 안정적이고 쿠엔치 없는 작동을 입증하였으며, 4.2 K에서 최고의 와이어 전류 밀도 950 A/mm²를 기록하고, 3.5 T에서 8.6 kA를 유지하면서 와이어 전류 밀도 1020 A/mm²를 달성하였다. 고자기장 영역에서 1m 이상의 길이에 걸쳐 예측 가능하고 균일한 쿠엔치 거동를 보이며, Nb-Ti나 Nb3Sn 마그네틱보다 훨씬 더 신뢰성 있고 트레이닝 쿠엔치가 없는 성능을 제공한다.

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

• 긴 길이의 고전류 케이블에서 고임계 전류 밀도를 확보하는 데 어려움을 겪는 고온 초전도체(HTS)의 한계를 극복하기 위해.
• 트레이닝 및 작동 중에 불안정하고 예측할 수 없는 쿠엔치 거동을 보이는 Nb-Ti 및 Nb3Sn 마그네틱의 문제를 해결하기 위해.
• 고자기장 응용 분야에 적합한 Bi-2212 루더포드 케이블을 사용하여 쿠엔치 예측 가능하고 안정적인 초전도 마그네틱 설계를 개발하기 위해.
• 와이어 전류 밀도가 1000 A/mm²를 초과하는 조건에서 신뢰성 있고 트레이닝 쿠엔치가 없는 성능을 입증하기 위해.
• 등방성, 원형, 다중섬유 Bi-2212 와이어를 사용하여 루더포드 케이블 기술과 호환되는 안전하고 확장 가능한 마그네틱 제작을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 나노스프레이 분말 공정을 통해 제조된 다중섬유 Bi-2212 와이어를 사용해 17주선 루더포드 케이블을 제작하였다.
• 루더포드 케이블에서 레이서택 코ils를 감고, 4.2 K에서 고전류 및 고자기장 조건에서 시험을 실시하였다.
• 성능 한계를 평가하기 위해 30 T 및 4.2 K에서 전체 와이어 임계 전류 밀도를 측정하였다.
• 상승 및 하강 과정에서의 쿠엔치 거동을 모니터링하여 안정성과 예측 가능성 여부를 평가하였다.
• 쿠엔치 위치 및 전파를 분석하여 공간적 일관성과 감지 가능성 여부를 판단하였다.
• 쿠엔치 특성을 Nb-Ti, Nb3Sn, REBCO 마그네틱과 비교하여 예측 가능성 및 고장 모드의 차이점을 부각시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi-2212 루더포드 케이블은 와이어 전류 밀도가 1000 A/mm²를 초과하는 조건에서 안정적이고 트레이닝 쿠엔치가 없는 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 Bi-2212 마그네틱에서 쿠엔치 거동은 일관된 공간적 국소화를 보이며, 신뢰성 있는 쿠엔치 감지가 가능한가?
• RQ3 Bi-2212 마그네틱에서의 쿠엔치 발생은 Nb-Ti 및 Nb3Sn 마그네틱에서 관찰되는 예측할 수 없고 국소화된 열 과열 현상과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 4.2 K 및 30 T 조건에서 긴 길이의 Bi-2212 다중섬유 와이어에서 달성 가능한 최대 와이어 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ5 Bi-2212 마그네틱은 장기간의 트레이닝 사이클 없이도 고자기장 응용 분야에서 안정적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• Bi-2212 루더포드 케이블은 4.2 K 및 30 T 조건에서 기록적인 전체 와이어 임계 전류 밀도 950 A/mm²를 달성하였다.
• 코ils는 4.2 K에서 8.6 kA를 유지하고 최대 자기장 3.5 T를 생성하였으며, 와이어 전류 밀도는 1020 A/mm²였다.
• 트레이닝 쿠엔치가 관찰되지 않아, 장기간의 트레이닝 사이클 없이도 안정적이고 신뢰성 있는 작동이 가능함을 시사한다.
• 쿠엔치는 1m 이상의 길이에 걸쳐 고자기장 영역에서 일관되게 발생하여 예측 가능한 감지가 가능하였다.
• 쿠엔치 거동은 균일하고 예측 가능하였으며, Nb-Ti 및 Nb3Sn 마그네틱에서 관찰되는 국소화되고 예측할 수 없는 열 과열 현상과는 뚜렷한 대비를 보였다.
• Bi-2212 와이어의 등방성, 원형, 다중섬유 특성 덕분에 루더포드 케이블 구성에서 안정적인 성능을 발휘하였으며, 확장 가능한 마그네틱 제작에 적합하였다.