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한국형 핵융합 실증 플랜트 초전도 자석 시스템

초전도와 저온공학 = Superconductivity and cryogenics, v.22 no.2, 2020년, pp.12 - 17  

김현욱 (국가핵융합연구소 초전도자석연구팀) ,  오상준 (국가핵융합연구소 초전도자석연구팀)

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제안 방법

  • 초기연구에서내부냉각나선이존재하지않았 던 CS CICC는 중앙부에 냉각 나선을 도입하며 정사각형 형태로 변경하였고 그 결과로 헬륨 냉각 채널 길이를 증가시켜 피드 스루 (feed-through)의 개수를 줄임으로써 제작의 복잡성을 완화하였다. PF CICC는 단면의코너반경을증가시켜조관과정의편의성 을높이는방향으로보완하였다.각CICC는 모두 시험 제작하여 각특성을 확인하였다.
  • TF 코일은 고임계전류 Nb3Sn 선재를사용하여중심부자장7.4T, 최고자장 16T의 토로이달 방향 자기장을 제공하여높은플라즈마전류와밀도를얻을수있도록 설계되었다.CS코일은총8개의동일한CS 코일 모듈이 쌓여서 배치되고 TF 코일의 내측안쪽에위치한다.
  • 사용한다. TF 코일은 두 종류의 CICC를 사용하여저자장 영역 TF코일(Low Field TF, LFTF)과고자장영역TF코일(HighField TF, HFTF)을각각구성하여초전도선재사용량을 줄이고 TF코일 지지 구조물의 공간을 확보하였다.
  • 정사각펄스형태의열원이10ms동안도체중심부 2m에 가해졌을 때 각 CICC의 동작 전류에 따라 변화하는 MQE를 계산하였다. 초전도 선재의 특성은 ITER 선재의 특성을 활용하였고배경자기장은상술한각자석의자기장 값을 적용하였다.
  • 정사각펄스형태의열원이10ms동안도체중심부 2m에 가해졌을 때 각 CICC의 동작 전류에 따라 변화하는 MQE를 계산하였다. 초전도 선재의 특성은 ITER 선재의 특성을 활용하였고배경자기장은상술한각자석의자기장 값을 적용하였다. 입력 경계조건은 압력 0.

대상 데이터

  • K-DEMO는주반경6.8m, 부반경2.1m 의대형토카막(Tokamak)으로계획되었다. 토카막의플라즈마전류와밀도의한계는토로 이달 자기장(BT)의 세기에 비례하고 핵융합 에너지 출력은 BT 4비례하기때문에실증로의성능과경제성을위하여높은자기장이고려되 었다.
  • K-DEMO의 초전도 자석 시스템은 16개의 토로이달 필드 코일(Toroidal Field coil, TF), 8개의중심솔레노이드(Central Solenoid, CS) 그리고 12개의 폴로이달 필드 코일(PoloidalFieldcoil, PF) 로구성되어 있으며 모든 코일은 도체 내부로 냉매를 전달하는 케이블 도관 도체(Cable-In- Conduit Conductor, CICC)를 사용한다. TF 코일은 두 종류의 CICC를 사용하여저자장 영역 TF코일(Low Field TF, LFTF)과고자장영역TF코일(HighField TF, HFTF)을각각구성하여초전도선재사용량을 줄이고 TF코일 지지 구조물의 공간을 확보하였다.
  • 각권선에사용 될 초전도체의 양은 LFTF가 약 320톤, HFTF가 약 510톤이다. TF 코일의 외측에존재하는 두 권선 사이의 공간은 초전도 접합, 턴-레이어 전이, 전류도입선, 헬륨 피드 스루 등을 위한 공간으로 준비되었다. 모든 TF코일은직렬연결되며동작전류는65kA 로플라즈마중심부에서약7.
  • PF5번자석은수직방향유지보 수포트의영향으로PF4번과약7m떨어져 위치하며단위CICC길이의제한으로두개 의모듈로나누어져있다.길이가각각980, 1030m인단위CICC가각6턴-36레이어로 구성된다.PF6번자석eTF구조물외측에 위치하며길이가770m인단위CICC가2턴 -4레이어로감겨있다.
  • 그림 7. 시험 제작된 K-DEMO CICC, LFTF:왼쪽상단, HFTF:오른쪽상단, PF: 왼쪽하단, CS:오른쪽하단).

이론/모형

  • K-DEMO CICC의 Minimum Quench Energy(MQE)를 1차원 퀜치 해석 코드인 GANDALF를 활용하여 확인하였다. 정사각펄스형태의열원이10ms동안도체중심부 2m에 가해졌을 때 각 CICC의 동작 전류에 따라 변화하는 MQE를 계산하였다.
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참고문헌 (8)

  1. Keeman Kim et al., "A preliminary conceptual design study for Korean fusion DEMO reactor", Fusion Eng. Des., 88 pp 488-491 (2013) 

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  2. C. E. KESSEL et al., "Systems Analysis Exploration of Operating Points for the Korean Demo Program", SOFE 2013, San Francisco, June 10-14 (2013) 

  3. Keeman Kim et al., "A Conceptual design study of the K-DEMO magnet system", Fusion Eng. Des., 96 pp 281-285 (2015) 

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  4. Tom Brown et al., "Results of availability imposed configuration details developed for the K-DEMO", Fusion Eng. Des., 109-111 (Part B) pp 1091-1095 (2016) 

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  5. A. Godeke et al., "A review of conductor performance for the LARP high-gradient quadrupole magnets" Supercond. Sci. Techno. 26(9) 095015 (2013) . 

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  6. AC. Marinucci et al., "Stability analysis of the ITER TF and CS conductors using the code Gandalf", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 612 (1999) 

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  7. HyunWook Kim, et al., "Design updates of magnet system for Korean fusion demonstration reactor, K-DEMO", Fusion Eng. Des. 146 pp 1086-1090 (2019) 

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  8. National Fusion Research Institute, "Conceptual Study Report of Korean Fusion Demonstration Tokamak Reactor(K-DEMO)", Internal report (2019) 

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