[논문]KSTAR PF Coil용 CICC 제작

임병수; 이상일; 최정열; 정우호; 박현기; 추용; 박갑래; 백설희; 김기만

KSTAR PF Coil용 CICC 제작
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임병수 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 이상일 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 최정열 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 정우호 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 박현기 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 추용 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 박갑래 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 백설희 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀) , 김기만 (한국기초과학지원연구원 초전도자석팀)

The KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) superconducting magnet system consist of 16 TF(Toroidal Field) and 14 PF(Poloidal Field) coils. Internally-cooled cabled superconductors will be used for the magnet system. The magnet system adopt a superconducting CICC (Cable-In-Conduit Conductor) type. The KSTAR PF 6, 7 CICCs use NbTi Superconducting cable with stainless steel 316LN conduit while the other PF CICC use Incoloy 908 conduit. For the fabrication of PF CICC, superconducting cables have been fabricated and the cable has the diameter of 22.3mm. A continuous CICC jacketing system is developed for the CICC jacketing and the jacketing system uses the tube-mill process, which consists of forming, welding, sizing and squaring procedures. The cabling and the jacketing process is described. The welding condition and design specification of CICCs are also discussed. The fabrication results including the geometrical specification and the void fraction will be discussed.

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문제 정의

따라서 본 절에서는 초전도 도체를 제작하기위한 초전도 선재의 Cabling 연구와 이를 CICC 형태로 제작하기 위한 조관 과정 및 이를바탕으로 한 실제 PF 6, 7 CICC 제작에 관해서 기술하고자 한다.

제안 방법

Tap Sensor)가 요구된다. 그 제작 방법은 Fig. 2에서 살펴 볼 수 있듯이 먼저 외경 0.3 mm인 스테인리스 심선 위에 유리사로 편조를하고, 그 위에 65 ]im 스테인리스 세선으로 편조를 한 다음 최종적으로 센서를 보호할 목적으로외경 1.32 mm의 스테인리스 피복을 입혔다. 사용되는 스테인리스 재질은 모두 316L이고 유리사는 S-2 Glass로 직경 9 Um의 이었다.
최초 연선 단계인 3연선 (Triplet)은 초전도 선재 두 가닥과 무산소동 선재 한 가닥으로 이루어져 있다. 따라서 최종적으로 만들어지는 케이블은 초전도 선재가 2/3 간큼 차지하고 무산소동 선재가 1/3 만큼 차지하도록 하여 제작하였다.
특히 용접 후 조성 및 조직의 불균일과 결함발생으로 인해 생기는 악영향들은 CICC 작업환경인 극저온과 고자장의 상태에서 치명적인 문제를 야기할 수 있으므로 이러한 용접 시공 후 재료의 기계적 특성, 열화에 대한 평가 등이 확보되지 않으면 CICC 조관이 사실상 불가능하다. 본 실험에서 조관 용접은 TIG 용접기를 사용하여 자동 용접을 행하고 있다. 이때의 용접변수로서 용접 전류, 용접 전압, 조관 속도, Shield gas의 종류 및 유량, 피용접재 간의 거리 등을 고려하여야 한다.
이를 위호H Sizing Roll。] 개발되었다. 즉, 총 4 세트가 수직 _수평-수직-수평으로 설치되어 상하, 좌우 Roll 이 맞물려 돌아가며 21.4 mm t 20.7 mm t 20.4 mm t 19.9 mm로 Cable을 규제하였다.
지금까지 연구를 통하여 각 연선 단계에서 작업이 가능한 최적의 피치 길이를 결정하였으며, 그 결과 Table 4에서 보는 바와 같이 PF 도체의 연선 사양을 결정하였다.

대상 데이터

사용되었다. NbTi 선재는 임계전류밀王 가 5 T, 4.2 K에서 2800 A/mm² 이상이고. ±3 T 사이클에서 교류손실이 150 mJ/cc 이하의 특성을 가지고 있다.
NbTi 초전도 재료를 사용하는 PF 6, 7 coil용 CICC의 경우 오스테나이트계 스테인레스 강의 일종인 스테인레스 316LN을 사용하였다. 이들 재료에 대한 화학조성과 기계적 성질은 Table 2, 3과 같다
32 mm의 스테인리스 피복을 입혔다. 사용되는 스테인리스 재질은 모두 316L이고 유리사는 S-2 Glass로 직경 9 Um의 이었다.

성능/효과

사진에서 살펴볼 수 있듯이 용접부 미세조직은 응고 조직인 Dendrite 상을 관찰할 수 있으며 용접 열 영향부의 경우 용접 부에 비해 조직이 조대화된 것을관찰할 수 있다. 그리고 용접 부, 열 영향 부 모두 미세 crack이나 기공 등의 용접 결함은 관찰 이러한 모든 과정을 거쳐 PF 7 CICC를 저작한 후 CICC의 결함을 판단하는 Leak Test 荃과결함은 검출되지않았다.
16 wt%로 조절한 합금으로 저온에서의 기계적 특성이 우수한 특성이 있다. 따라서 STS 316 LN의 경우 열처리 과정이 수반되지 않는 NbTi 초전도 선재를 위한 Jackebing 재료로서 적합한 재료로 판단되었다.

후속연구

Cabling 방법과 조관 방법의 확립을 통해 결함 없는 PF CICC 제작은 가능하였으며 이 古한방법을 토대로 하여 향후 TF CICC 및 PF1-5 CICC 등의 제작에도 도움이 되리라 판단된다.

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