고전압 40 T 초전도 중첩 REBCO 코일의 전열 퀀치 메커니즘 분석

초록

본 논문은 40 T 이상을 목표로 하는 고자기장 초전도 시스템에서 금속 절연 REBCO 코일이 겪는 전열 퀀치를 다중물리 시뮬레이션으로 조사한다. 중첩된 HTS 삽입코일과 LTS 아웃셋을 결합한 구조를 대상으로, 스크리닝 전류와 방사형 전류를 포함한 MEMEP‑FD 결합 모델을 사용해 손상 위치, 턴 간 접촉 저항, 외부 스택 손상 등 다양한 시나리오를 분석하였다. 결과는 손상 부위가 코일 상단일 때 퀀치가 가장 빠르게 진행되고, 하단 손상이 가장 높은 최고 온도를 초래함을 보여준다. 또한 전류 균일 가정이 스크리닝 전류를 무시할 경우 퀀치 전파 속도가 크게 과소평가됨을 확인하였다. 전압 제한 회로를 적용해 퀀치 시 전류 급감을 유도함으로써 열폭주를 억제할 수 있음을 제시한다.

상세 분석

이 연구는 40 T급 초고자기장 마그넷을 구현하기 위한 중첩 스택 설계의 전열 퀀치 거동을 정밀히 규명한다. 먼저, 저온 초전도(LTS) 아웃셋(15 T, 250 mm)과 두 개의 HTS 내부 스택(HTS1, HTS2)으로 구성된 복합 구조를 정의하고, 각 코일은 금속 절연(Durnomag) 층을 통해 방사형 전류가 흐를 수 있도록 설계되었다. 전자기 해석은 최소 전자기 엔트로피 생산(MEMEP) 방법을 사용해 스크리닝 전류와 방사형 전류를 동시에 고려했으며, 열 해석은 명시적 유한차분(FD) 방식으로 수행하였다. 두 해석을 실시간으로 결합(MEMEP‑FD)함으로써 온도 의존적 Jc(B,T,θ)와 재료 물성 변화를 정확히 반영했다.

시뮬레이션에서는 손상된 턴을 10개(41~50턴)로 가정하고, 손상 부위에 따라 세 가지 경우(상단, 중간, 하단 pancake)를 비교했다. 손상 시 Jc가 10 %로 급감하도록 설정했으며, 초기 전류는 정격 231.2 A, 온도는 4.2 K로 고정하였다. 결과는 다음과 같다.

1. 손상 위치 효과: 상단 손상은 Jc의 각도 의존성(θ≈30°) 때문에 가장 낮은 임계 전류를 보이며, 퀀치 전파가 1 s 내에 전 코일에 퍼진다. 하단 손상은 Jc가 상대적으로 높아 퀀치 전파가 늦지만(≈3 s), 손상 부위에 축적된 열이 크게 상승해 최고 온도가 300 K에 달한다. 중간 손상은 전파 속도와 온도 상승이 중간값을 보이며, 방사형 전류와 전력 손실이 가장 크게 나타난다.

2. 스크리닝 전류의 역할: 동일 조건에서 전류를 균일하게 가정하면 퀀치 전파 시간이 약 3배 늘어나고, 최고 온도도 과소평가된다. 이는 스크리닝 전류가 급격한 자기장 변화를 야기해 AC 손실을 크게 증가시키기 때문이다. 따라서 실제 설계에서는 스크리닝 전류를 반드시 포함한 모델링이 필수적이다.

3. 접촉 저항 파라미터: 접촉 저항을 10⁻⁶ Ω·m²로 설정했으며, 이를 변동시 방사형 전류와 열 손실에 미치는 영향을 추가 실험으로 제시한다. 높은 접촉 저항은 방사형 전류를 억제해 열 발생을 감소시키지만, 동시에 전압 제한 회로의 작동 범위를 좁힌다.

4. 전압 제한 회로: 퀀치 발생 시 2.5 V의 전압 제한을 적용하면 전체 전류가 급감하고, 전력 상승이 제한된다. 전압 제한이 없을 경우 전류는 지속적으로 증가해 열폭주가 가속화된다. 이는 고자기장 시스템에서 전압 제한이 안전성 확보에 핵심적인 역할을 함을 시사한다.

5. 외부 스택(HTS2) 연계 효과: HTS1의 퀀치가 진행되면 급격한 자기장 감소가 HTS2에 유도되어, HTS2 역시 동시 혹은 연속적으로 퀀치에 진입한다. 이는 중첩 구조가 열·전기적 연계성을 갖기 때문에, 한 스택의 손상이 전체 시스템에 파급 효과를 미친다는 중요한 설계 교훈을 제공한다.

전반적으로, 이 연구는 금속 절연 REBCO 코일의 전열 퀀치 메커니즘을 정량적으로 규명하고, 손상 위치, 스크리닝 전류, 접촉 저항, 전압 제한 등 설계 변수들이 퀀치 전파와 최고 온도에 미치는 영향을 체계적으로 제시한다. 이러한 결과는 40 T 이상 초고자기장 마그넷의 신뢰성 향상을 위한 설계 최적화와 보호 회로 설계에 직접적인 가이드라인을 제공한다.