HL을 위한 새로운 초전도 기술

CERN의 고광도 LHC용 이붕화마그네슘 케이블 및 기타 고급 초전도 시스템 개발은 기초 연구 이상의 응용 분야를 주도하고 있다고 Amalia Ballarino는 설명합니다.

고온 초전도 시대는 1986년 IBM 연구원인 Georg Bednorz와 Alex Muller가 란탄바륨 구리 산화물에서 초전도성을 발견하면서 시작되었습니다. 이 발견은 혁명적이었습니다. 새롭고 부서지기 쉬운 초전도 화합물은 일반적으로 절연체인 세라믹 산화물 계열에 속할 뿐만 아니라 지금까지 기록된 최고 임계 온도(기존 초전도체의 약 18K에 비해 최대 35K)를 가졌습니다. ). 그 후 몇 년 동안 과학자들은 다른 구리산염 초전도체(비스무트-스트론튬-산화구리 및 이트륨-바륨-구리 산화물)를 발견하고 액체 질소의 끓는점인 77K 이상의 온도에서 초전도성을 달성했습니다(“열이 상승하고 있다” 그림 참조). 저렴하고 풍부하며 불활성인 액체 질소를 사용하여 초전도 시스템을 운영할 수 있다는 가능성은 초전도 커뮤니티에 엄청난 열의를 불러일으켰습니다.

사회에 잠재적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 고온 초전도 물질의 여러 응용 분야가 연구되었습니다. 그 중 초전도 송전선은 대량 전력 송전을 위한 혁신적이고 효과적인 솔루션으로 확인되었습니다. 초전도 전송의 고유한 장점은 고용량, 매우 작은 부피 및 낮은 손실입니다. 이를 통해 에너지 절약과 함께 좁은 채널의 저전압 및 중전압에서 최대 수십 GW의 전력을 지속적으로 전송할 수 있습니다. 실증기는 산업 및 유틸리티 회사와 협력하여 전 세계적으로 구축되었으며, 그 중 일부는 국가 전력망에서 성공적으로 운영되었습니다. 그러나 이 기술의 광범위한 채택은 구리산염 초전도체의 비용으로 인해 방해를 받았습니다.

입자 물리학에서 초전도 자석은 고에너지 빔이 충돌기에서 순환할 수 있도록 하고 감지기가 더 높은 충돌 에너지를 처리할 수 있도록 더 강한 장을 제공합니다. LHC는 지금까지 제작된 초전도 장치 중 가장 큰 장치이자 대규모로 고온 초전도체를 사용한 최초의 장치입니다. 고광도 업그레이드와 가능한 미래 충돌기를 실현함으로써 기초 연구를 훨씬 뛰어 넘는 응용 분야를 갖춘 차세대 초전도 재료의 사용이 촉진되고 있습니다.

고온초전도체(HTS)는 LHC 개념 연구가 진행되던 시기에 발견됐다. 새로운 재료가 아직 개발 단계에 있는 동안 전기 전송에 사용되는 HTS의 잠재력은 즉시 인식되었습니다. LHC 자석(초유체 헬륨으로 냉각되는 기존의 초전도체 니오븀 티타늄을 기반으로 함)에 전력을 공급하려면 실온에서 생성된 약 3.4MA의 전류를 극저온 환경 안팎으로 전달해야 합니다. 이는 전류 리드(current Lead)라는 장치를 통해 수행되며, 그 중 3000개 이상의 장치가 LHC 주변의 다양한 지하 위치에 설치됩니다. 증기 냉각식 금속 도체를 기반으로 하는 기존의 전류-리드 설계는 액체 헬륨으로 누출되는 열에 하한(약 1.1W/kA)을 적용합니다. 4.5 ~ 50K 온도 범위의 LHC 전류 리드에서 작동하는 HTS BSCCO 2223(비스무트-스트론튬-칼슘 구리 산화물 세라믹) 테이프를 채택하여 열 전도 및 저항 소산을 풀 수 있었습니다. 성공적인 다학문적 R&D에 이어 CERN에서 프로토타입을 제작한 다음 산업화하여 2004년부터 약 1,100개의 LHC HTS 전류 리드를 연속 생산하여 자본 및 운영을 모두 절감했습니다(추가 냉동 플랜트 1개 방지 및 약 5000l/h의 경제). 액체 헬륨). 이는 또한 HTS 전류 리드의 개발 및 설계에 관한 CERN과의 협력 계약을 통해 혜택을 받는 ITER 토카막용 자석 회로 등 BSCCO 2223 전류 리드 기술의 폭넓은 채택을 장려했습니다.