무절연 고온초전도 코일의 장기 신뢰성을 위한 특성저항 증가 현상 및 임계전류 보정에 대한 실험적 연구 = Experimental Analysis on the Progressive Increase of Characteristic Resistance and Critical Current Correction for Long-term Reliability of No-Insulation HTS Coils

국문 초록 (Abstract)

고온초전도체(HTS)는 높은 임계전류 특성과 고자기장 하에서의 우수한 운전 성능을 바탕으로, 고자기장 자석 및 핵융합 토카막 등 차세대 응용 분야의 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 특히 2011년 제안된 무절연(No-Insulation, NI) 권선 기법은 초전도 자석 운전의 가장 큰 제약이었던 퀜치 문제에 대한 혁신적인 해결책으로 주목받으며, 이를 적용한 자석 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 절연층을 제거한 무절연 고온초전도 코일의 구조적 특성상 턴 간 접촉면을 통한 방사 방향 누설 전류가 필연적으로 발생하며, 이때 결정되는 특성저항은 자석의 안정성, 회로 해석, 퀜치 거동 등을 결정짓는 중요한 변수로 작용한다. 또한, 고온초전도 선재 내부의 차폐전류(screening current)는 비선형적인 유도 전압을 발생시켜 임계전류 측정의 신뢰도를 저하시키는 요인이 된다. 아울러 특성저항에 의한 전류 우회 현상은 전원공급장치 인가 전류와 실제 선재에 흐르는 전류 간의 불일치를 유발하므로, 정밀한 물성 평가를 위해서는 이에 대한 체계적인 고찰과 보정이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 무절연 고온초전도 코일을 대상으로 반복적인 냉각 및 충·방전 실험을 수행하여, 실험 횟수가 누적됨에 따라 특성저항이 점진적으로 증가하는 현상을 규명하고 그 원인을 분석하였다. 이와 더불어 차폐전류에 의한 유도 전압 발생 특성을 실험적으로 조사하고, 특성저항 변화와 차폐전류 영향을 모두 고려한 정밀 임계전류 보정 방안을 제시하였다. 본 연구의 결과는 무절연 고온초전도 코일의 장기 운전 신뢰성 평가, 특성저항 기반 회로 모델의 고도화, 그리고 계측 오차의 정량적 이해 및 보정 기술 확립에 기여하며, 향후 고온초전도 자석의 최적 설계 및 성능 평가를 위한 핵심 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High-temperature superconductors (HTS) have emerged as a key technology for high-field magnets and fusion tokamaks, due to their high stability margin and ability to operate under high magnetic field. Since its proposal in 2011,
no-insulation (NI) winding technology has received significant attention for its inherent self-protection and mechanical robustness. However, the absence of electrical insulation allows radial leakage currents to flow, making the turn-to-turn contact resistance a critical parameter that governs magnet stability, circuit anaylsis, and quench analysis. Furthermore, an unexpected voltage rise induced by the screening current is observed during the first ramp-up from the virgin state in NI HTS coils. Additionally, the current bypassing effect caused by characteristic resistance leads to a discrepancy between the current supplied by the power supply and the actual current flowing through the REBCO tape. Therefore,
correction method is essential for precise evaluation of critical current of the NI HTS coil. In this study, NI HTS coils were experimentally investigated through repeated ‘warm up’ and ‘cool down’ and charging/discharging cycles. We systematically identified the progressive increase in contact resistance with accumulated experimental thermal cycles and analyzed the underlying mechanisms. Additionally, the conditions inducing screening current induced voltages and the characteristic resistance were experimentally examined to evaluate their impact on critical current measurements. The findings of this study contribute to assessing the long-term operational reliability of NI HTS coils, and establishing methods to quantify and correct measurement errors caused by screening currents. These results may also inform the design and performance evaluation of future HTS magnet systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 초전도 연구 동향 1
• 1.2 초전도체의 특성 2
• 1.3 무절연 권선기법 9
• 1.4 연구 목적 12
• 2. 무절연 고온초전도 코일의 지속적 특성저항 증가 14
• 2.1 무절연 고온초전도 코일의 특성저항의 특징 14
• 2.2 특성저항 측정 방법 15
• 2.3 특성저항 증가 현상 19
• 3. 무절연 고온초전도 코일의 임계전류 측정에 대한 고찰 37
• 3.1 고온초전도 코일에서의 차폐전류로 인한 영향 37
• 3.2 차폐전류 유도 전압에 대한 실험적 분석 40
• 3.3 무절연 고온초전도 코일의 임계전류 측정 보정 방안에 대한 실험적 고찰 48
• 4. 결론 57
• 참고문헌 59
• Abstract 66