초록 ▼

[ 산업기반기술개발사업 보고서 초록 ]
Ⅰ. 제 목
초전도 자석 계통 개발
Ⅱ. 연구개발의 필요성
· 초전도 소선 및 도체개발은 기술개발 성공시 막대한 연구비 절감이 기대되며, 산업적 파급효과가 지대함.
· CIC 도체시험을 통하여 KSTAR 초전도자석계통의 설계 타당성을 입증하고, 시편제작시 CIC 도체의 접합부 및 단말부 설계/제작 기술을 확보함.
· SSTF(Samsung Superconductor Test Facility)의 건설과 운영을 통하여, KSTAR 초전도자석 시험

[ 산업기반기술개발사업 보고서 초록 ]
Ⅰ. 제 목
초전도 자석 계통 개발
Ⅱ. 연구개발의 필요성
· 초전도 소선 및 도체개발은 기술개발 성공시 막대한 연구비 절감이 기대되며, 산업적 파급효과가 지대함.
· CIC 도체시험을 통하여 KSTAR 초전도자석계통의 설계 타당성을 입증하고, 시편제작시 CIC 도체의 접합부 및 단말부 설계/제작 기술을 확보함.
· SSTF(Samsung Superconductor Test Facility)의 건설과 운영을 통하여, KSTAR 초전도자석 시험 및 운영기술을 확보하고, 국내 초전도 기술의 도약과 기술의 독립을 가능케 함.
Ⅲ. 연구개발의 목표 및 내용
목 표
· KSTAR 초전도 자석 계통 개념설계 및 CIC 도체의 해석
· 초전도 소선 및 CIC 도체(관내연선도체) 개발
· CIC 도체 시험과 접합부 및 단말부 설계/제작 기술을 확보
· 초전도 자석 시작품 CS Model Coil 개발
· 초전도 소선/도체/자석의 특성 평가 기술 확보 및 기반 시설 구성
주요 연구내용
· 1차년도
초전도 자석 계통 개발을 위한 환경 구성
초전도 도체 제조공정 설계
초전도 소선 특성평가 기술 연구
초전도 자석 계통 개념설계
CS Model Coil 개념설계
초전도 자석 제작시설 설계 및 준비
초전도 자석의 Quenching 해석 연구
· 2차년도
Nb3Sn 초전도 선재 개발
초전도 소선의 크롬도금연구
CIC 도체 집합연선 및 조관기술 연구
초전도 소선 특성평가 기술 연구 및 시설 구성
CIC 도체 열해석 연구
CIC 도체 시험 연구
CS Model Coil 상세설계 및 개발
초전도 자석 제작시설 개발
초전도 자석의 Quenching 검출 및 보호 시험
초임계 헬륨 강제유동식 극저온 냉각계통 연구
초대형 초전도 자석 시험 설비 설계 및 건설 준비
· 3차년도
초전도 소선 및 도체 개발
CIC 도체의 열안정성해석 및 KSTAR 초전도 자석계통의 안정성 해석
CIC 도체 초전도 자석의 Quench 연구
CIC 도체 시험용 시편제작 및 시험 준비
CIC 도체의 접합부 및 단말부 해석/설계/제작
CS Model Coil 개발 및 시험
초전도 재료/도체/자석 시험 설비인 SSTF의 건설
Ⅳ. 연구개발 결과
· 1차년도
문헌조사 및 정보수집
초전도 소선 특성평가 연구
초전도 CS Model Coil 설계
초전도 자석제작 장비 설계
· 2차년도
초전도 소선/도체 개발 및 특성평가
IGC 초전도 봉재을 이용한 소선 가공 기술 확보
소선 크롬도금 상태의 미세구조 분석을 통하여 설비 설계에 반영
CICC용 집합 연선 기술 개발
CICC 조관장비 설계/제작
열처리 기술 확보
초전도소선 특성평가 기술확보
CS Model Coil 개발
초전도 코일 권선기 개발 및 연속 권선 방식 확립
초전도체 형성을 위한 열처리로 개발 및 열처리 조건 확립
SSTF 설계
초임계헬륨 강제유동식 극저온 냉각계통 설계
Distribution Box, Current Lead Box, Flow Control box 설계
진공 극저온용기 설계
Quench 및 강제유동식 냉각계통
소형 NbTi 초전도자석 제작 및 ?치검출·보호실험
시험용 초임계헬륨 강제유동식 냉각계통 설계/제작
·3차년도
초전도 소선/도체 개? 분석을 통하여 설비 설계에 반영
CICC용 집합 연선 기술 개발
CICC 조관장비 설계/제작
초전도소선 특성평가 기술확보
CIC 도체 접합부 설계제작
Strand-to-strand CICC Joint and termination 설계제작
Optical Fiber Quench 검출 장치 설계
ITER형 CIC 접합부 시험제작
Strand-to-strand 접합시편 제조
접합부의 수치해석
CIC 도체의 해석과 토카막 설계
Quench 현상 해석
1차원 CIC 도체 수치해석
토카막의 운전방식을 고려한 CIC 도체 설계 및 해석 연구
Joint의 교류손실 해석
CS Model Coil 개발
초전도 자석 전체 제작 공정 확립 (제작 설비 및 도구 완전 개발)
최적의 Epoxy Resin System 선정 및 성능 시험
초전도 모델 코일 개발
SSTF 건설
초임계헬륨 강제유동식 극저온 냉각계통 설계/제작
Distribution Box, Current Lead Box, Flow Control box 설계/제작
진공 극저온용기 설계/제작
전력계통, 진공계통 설계/제작
Pulse형 외부자장발생용 자석설계
초전도 변압기형 대전류 전원 장치 설계
Isolation Amplifier 개발
Digital 신호처리 기술을 이용한 Noise 제거 Program 개발
Quench 및 강제유동식 냉각계통
Quench 검출용 Cowound 전압센서의 특성해석
Quench 검출용 Fiber-optic 온도센서의 동작특성연구
소형 CICC 초전도자석제작 및 ?치실험
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
· Nb3Sn 초전도 봉재를 도입하여 소선으로 가공하는 반제품 가공방식이 성공함에 따라 KSTAR에 필요한 초전도소선을 최종 완제품 형태로 수입하지 않아도 되며 CIC 도체도 국내에서 가공하게 되므로, KSTAR 과제 자체로도 막대한 연구비의 절감이 기대되며, 향후 ITER에서 이용될 초전도 선재의 양을 고려해 볼 때 상업적 가치가 매우 크다고 사료된다. 현재 전기연구소에서 진행중인 극세심형 초전도 봉재가 성공적으로 개발되면 초전도 소선과 CIC 도체 모두를 국내에서 생산되므로, 상업화는 물론 기술독립을 이루게 된다.
· 삼성종합기술원내에서는 세계적 규모의 초전도체 시험설비인 SSTF를 건설하였는데 거대 초전도자석의 시험, 초전도 CICC의 시험, 초전도 선재의 시험, 및 관련 재료시험을 수행하기 위한 설비로서, 특히 SSTF 중 거대 초전도 자석 시험설비는 그 규모에 있어서 일본 원자력연구소, 독일의 FZK의 TOSCA와 함께 세계의 3대 시험 설비중 하나이다. SSTF는 과제 종료후에도 국내외 연구기관에서 잘 활용할 수 있도록 할 예정인데 초전도 기술의 자립에 필수적인 설비로서, 향후 국내 초전도 기술 수준의 도약은 물론, 국내 초전도 산업의 기반이 될 것이다.
· 삼성종합기술원에서 구성중인 초전도 시험설비 SSTF 건설중 얻어진 기술은 KSTAR 장치에서 공유될수 있는 기술로서 직접 활용될수 있다. 또한 기술 도입이 필요한 경우도 올바른 기술의 도입과 경제적인 기술도입에 많은 도움을 줄 것이다.
· KSTAR 과제에서 수천개 단위의 Isolation Amp가 필요할 것으로 예상되는데 상용화된 Isolation Amp 가격은 1 channel 당 200 만원을 호가하고 있다. SSTF에서 200 channel 이상의 Isolation Amp가 요구되어 자체개발한 결과 그 제작비가 1 channel 당 80 만원 정도 소요되었으며 이로 인하여 연구비의 절감이 기대된다.
Ⅰ. Title
Development of Superconducting Magnet Systems
Ⅱ. Need for the Project
· Substantial reduction of the RandD cost as well as considerable influence to the industry are expected with the successful development of the superconducting strand and conductor.
· Design and fabrication technique of the KSTAR superconducting magnet system can be acquired through the development of the CS Model Coil. Fabrication equipments will be developed.
· Design validation of the KSTAR superconducting magnet system will be provided through the CIC conductor test. Design and fabrication technique of the CIC conductor joint and the termination can be acquired with the fabrication of the sample.
· Testing and operational technique of the KSTAR superconducting magnet can be acquired through the construction and operation of the SSTF(Samsung Superconductor Test Facility). This will enable the leap and independence of the domestic technique regarding the superconductivity.
Ⅲ. Objectives and Scope of the Project
Objectives
· Conceptual design of the KSTAR superconducting magnet system and analysis of CIC conductor
· Development of the superconducting strand and CICC(cable-in-conduit conductor)
· Testing of the CIC conductor and the acquisition of the design and fabrication technique for the joint and the termination.
· Fabrication of the CS Model Coil as an initial superconducting test magnet
· Acquisition of the characteristics evaluation technique for the superconducting strand/conductor/magnet and the preparation of the basic facility.
Scope of the Project
· First Year
Setting up the developing environment for the superconducting magnet system
Design of the fabrication process of the superconducting conductor
RandD of the characteristics evaluation technique for the superconducting strand
Conceptual design of the superconducting magnet system
Conceptual design of the CS Model Coil
Design and preparation of the fabrication facility for the superconducting magnet
Quench analysis of the superconducting magnet
· Second Year
Development of the Nb3Sn superconducting strand
RandD of the chrome plated superconducting strand
RandD of the CIC conductor cabling and jacketing
RandD of the characteristics evaluation technique for the superconducting strand and setting up the related facility
Thermoanalysis of the CIC conductor
RandD of the testing procedure of the CIC conductor
Detailed design and development of the CS Model Coil
Development of the fabrication facility for the superconducting magnet
Quench detection and protection test of the superconducting magnet
RandD of the cryogenic cooling system of the forced flow supercritical helium
Preparation of the design and the construction of the test facility for the large scale superconducting magnet
· Third Year
Development of the superconducting strand and conductor
Analysis of the thermostability of the CIC conductor and the stability of the KSTAR magnet system
RandD of the quench phenomena from the CICC superconducting magnet
Preparation of the fabrication and test of the CIC conductor testing sample
Analysis/design/fabrication of the CIC conductor joint and termination
Development and test of the CS Model Coil
Construction of the SSTF: test facility of the superconducting material/ conductor/magnet
Ⅳ. Result of Research and Development
· First Year
Literature search and information collection
RandD of the characteristics evaluation process of the superconducting strand
Design of the superconducting CS Model Coil
Design of the fabrication equipment for the superconducting magnet
· Second Year
Development and characteristics evaluation of the superconducting strand/conductor
Acquisition of the strand processing technique using IGC superconducting rod
Contribution to the facility design by the fine structure analysis of the chrome plated strand
Development of the CICC cabling technique
Design/fabrication of the CICC jacketing facility
Acquisition of the heat treatment technique
Acquisition of the characteristics evaluation technique for the superconducting strand
Development of the CS Model Coil
Development of the superconducting coil winding machine and establishment of the continuous winding process
Development of the heat treatment furnace for the formation of the superconductor and establishment of the treatment condition
Design of the SSTF
Design of the cryogenic cooling system of the forced flow supercritical helium type
Design of the distribution box, current lead box, flow control box
Design of the cryogenic vacuum vessel
Quench and forced flow cooling system
Fabrication of the small scale NbTi superconducting magnet and test of the quench detection and protection
Design/fabrication of the testing cooling system of the forced flow supercritical helium
· Third Year
Development and characteristics evaluation of the superconducting strand/conductor
Development of the rod prototype using the internal diffusion method
Contribution to the facility design by the fine structure analysis of the chrome plated strand
Development of the CICC cabling technique
Design/fabrication of the CICC jacketing facility
Acquisition of the characteristics evaluation technique for the superconducting strand
Development and fabrication of the CIC conductor joint
Design and fabrication of the strand-to-strand CICC joint and termination
Design of the optical fiber quench detection equipment
First fabrication of the ITER type CIC joint
Fabrication of the strand-to-strand joint sample
Numerical analysis of the joint
Analysis of the CIC conductor and design of the Tokamak
Analysis of the quench phenomena
One dimensional numerical analysis of the CIC conductor
Design and analysis of the CIC conductor taking the Tokamak operation mode into consideration
Analysis of the ac loss in a joint
Development of the CS Model Coil
Establishment of the complete fabrication process of the superconducting magnet(full development of the fabrication facility and tools)
Selection and performance test of the optimized epoxy resin system
Development of the superconducting model coil
Construction of the SSTF
Design/construction of the cryogenic cooling system of the forced flow supercritical helium type
Design/construction of the distribution box, current lead box, flow control box
Design/construction of the cryogenic vacuum vessel
Design/construction of the power and vacuum system
Design of the pulse type background magnet
Design of the superconducting transformer current source
Development of the isolation amplifier
Development of the noise reduction program using digital signal processing
Quench and forced flow cooling system
Characteristics analysis of quench detection cowound voltage tap
RandD of the operational characteristics of a quench detection fiber-optic temperature sensor
Fabrication of the small scale NbTi superconducting magnet and test of the quench detection and protection
Ⅴ. Application of the RandD Results
· Success has been accomplished in the half-finished product processing, which produces superconducting strand from the rod. Hence, it became unnecessary to import the finished commercial superconducting strands for KSTAR. This also means that the fabrication of the CIC conductor would be done domestically, resulting in substantial savings in KSTAR RandD cost. Considering the quantity needed for ITER project in the future, huge commercial value is expected. As soon as the hyperfine core superconducting rod is developed successfully by KERI, domestic productions both of the superconducting strand and CIC conductor will be possible. Commercialization as well as the technical independence will be achieved.
· SSTF, world class superconductor test facility, has been constructed at Samsung Advanced Institute of Technology. This facility will be utilized in various ways including the test of large scale superconducting magnets, superconducting CICCs, superconducting strands and many related materials. In particular, as a testing facility for the large scale superconducting magnets, SSTF will be one of the top 3 facilities including JAERI and TOSCA of FZK in Germany. SSTF is the essential facility for the technical independence of the superconductivity. It will serve as the basis for the future domestic technical leap as well as for the industrial formation of the superconductivity. SSTF will remain useful and readily available to both domestic and foreign researchers, even after this project ends.
· KSTAR facility will find the direct use of the technical knowhows accumulated during the construction of the SSTF, a superconductor test facility. Samsung Advanced Institute of Technology, the builder of the SSTF, plans to share such technical information.
· Thousands of isolation amplifiers are required in KSTAR project. Cost per channel of a commercial product is around 2,000K won. Over 200 channels are required in SSTF and the self-production cost was around 800K won. More than half of the budget has been saved.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론
  제 2 장국내외 기술개발 현황
  제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과
  제 1 절 초전도 선재 개발
  1.서 론
  2. Nb3Sn 선재 제조 원리 및 방법
  3. 외국의 개발 현황
  4. 소선 가공 설비
  5. 수입 봉재의 가공열처리 와 특성 평가
  6. KITW(KERI Internal Tin Wire) 제조 및 평가
  제 2 절 초전도 선재 크롬도금 개발
  1. 연구개발 목표
  2. 연구 수행 방법
  3. 초전도 선재 제조 및 미세조직의 분석
  4. 초전도 선재의 Cr 코팅 기술
  5. 연구 결과
  제 3 절 초전도 관내연선도체(CICC) 개발
  1. 초전도 도체 연선(Cabling)
  2. 초전도 CIC 도체 조관
  제 4 절 초전도선재 특성 평가
  1. 서론
  2. 진공열처리로 제작
  3. Sample Holder의 제작
  4. 초전도선재 열처리
  5. 임계전류 특성평가
  6. 초전도선재의 교류손실 특성 평가 연구
  7. 초전도선재 RRR특성평가 연구
  제 5 절 TF 코일용 관내연선도체 및 접합부 개발
  1. 서론
  2. 시편의 설계 및 접합부 개발
  3. 열처리
  4. Instrumentation
  5. 시편 특성 측정을 위한 실험조건
  6. Isolation Amp 개발, 제작과 시험
  제 6 절KSTAR Central Solenoid (CS) 모델 코일 개발
  1. 서론
  2. 이론 및 설계
  3. 제작
  4. 실험 및 결과
  5. 결론 및 논의
  제 7 절 삼성 초전도 시험 설비 :
  1. SSTF의 개요
  2. SSTF의 구성
  3. 초전도 자석 시험절차
  4. SSTF 구성 장치의 설명
  제 8 절 액체헬륨 배관용 Conflat Flange 성능에 관한 연구
  1. 서론
  2. 실험 방법
  3. 실험 결과
  4. 결론
  제 9 절 CIC 도체의 안정성 해석 및 평가
  1. CIC 도체의 열안정성 해석을 위한 알고리즘 및 프로그램 완성
  2. CICC 설계 최적화 및 안정성
  3. Joint 해석
  4. CICC Ramp Rate Limitation 및 안정성 평가시스템 구축
  제 10 절 관내권선 초전도체 자석의 열수력학적 거동 연구
  1. 실험 장치의 상세 설계 계획
  2. CICC(관내권선도체) 자석
  3. 동심형 역류 열교환기 (concentric counterflow heat exchanger)