This thesis describes stability ralated with RRL(Ramp-Rate Limitation) in CICC(Cable-In-Conduit Conductor)superconducting magnets. Although RRL is known as a significant obstacle for successful operation of field-varying superconducting magnets, its basic physics is not quantitatively understood yet due to complex unknown parameters and difficulties of experimental measurement.
In this thesis, RRL experiment is described with a simple sample conductor, which consists of a two-strand cable. By using the simplest structure, many uncertain parameters are removed and the very clear experimental results, which include the local quench and current redistribution, are observed. Especially, the initial current non-uniformity, which is the most unknown parameter in the large CICC magnet, is controlled by using the artificial flux-linkage area between two-strands. To precisely investigate the experimental results, a numerical analysis is performed using the current distribution and heat transfer model. Numerical results are compared with the experimental results to verify the numerical analysis. Then, the analysis results suggest the basic intuition on RRL phenomenon, which was not enough at the previous works.
Since the strands in the cable are not electrically insulated and forced convective supercritical helium is used as coolant in practical CICC magnets, the numerical model is modified. The current distribution model accounts for trans-conductance between strands and an advanced transient heat transfer model are suggested to investigate the RRL in practical CICC magents. The analysis results are verified with previous experimental results of other investigations. A parametric study is also performed with the validated numerical model to investigate the effects of the operation and strand parameters.
Since the numerical results only show the quench recovery or cable quench after a local quench for the given simulation parameters, it cannot be used as a general design tool for stable superconducting magnet related with RRL. Therefore, a new stability evaluation method is suggested, which can give some design criterion, which guarantees the stable ooperation regime of superconducting magnets. The new evaluation method, which is called 'Quench Recovery map', is applied to the previous experimental results and this map shows that it can be used as a design criterion for practical superconducting magnets.
자속변화한계(Ramp-Rate Limitation)현상은 관내연선도체(Cable-In-Conduit Conductor)로 제작된 대형 초전도 자석에서 주로 발생하는 현상으로서, 빠른 자기장 변화에 의해 설계 값보다 낮은 자기장 또는 전류에서 자석의 ？치가 발생하는 것을 의미한다. 이를 설명하기 위해 많은 연구가 진행되어왔지만, 관내연선도체의 전자기적 불확실성 및 측정의 난해함 때문에 실제로 적용 가능한 정량적인 연구가 부족한 현실이다.
본 논문에서는 자속변화한계의 여러 원인 중에서 이미 실험적으로 관찰된 바 있는 전류 증가에 따른 특정 선재의 국부 ？치 현상을 다루었다. 먼저, 자속변화한계의 불확실성을 최대한 배제하기 위하여 단순화된 실험 장치를 고안하였으며, 실험을 통하여 자속변화한계현상을 정량적으로 관찰할 수 있었다. 실험에서 나타난 전류의 불균일 분포, 국부 ？치, 전류 재분배와 같은 일련의 자속변화한계 과정을 수치해석을 통하여 확인할 수 있었으며, 국부 ？치 이후의 전류 재분배 및 열전달 현상이 초전도 ？치 회복 또는 케이블 ？치를 결정하는 중요한 인자임을 알 수 있었다.
실험 및 해석 결과는 자속변화한계의 근본 현상을 이해하기에 충분하였지만. 실험 장치가 매우 단순한 형태이므로 이를 실제 관내연선도체 초전도 자석에 적용하기에는 한계점이 있었다. 실제 관내연선도체는 선재들이 관내부에서 전기적으로 접촉하고 있으며, 초임계 헬륨의 강제 대류에 의해 냉각 되고 있다. 따라서, 실제 관내연선도체의 자속변화한계를 이해하기 위하여 전류 확산 모델 및 초임계 헬륨에서의 열전달 모델에 대한 수치해석을 수행하였다. 전류 확산 모델은 관내연선도체의 꼬임 특징을 이용하여 단순화 된 세 가닥 전류 확산 모델을 적용하였으며, 열전달 모델에서는 변화하는 열유속에 의한 비정상 열전달 현상을 다루기 위하여 초임계 헬륨의 온도분포를 직접 계산하는 방법을 이용하였다.
본 해석 모델을 이용하여, 관내연선도체의 자속변화한계에 대한 수치해석을 수행하였으며, 초전도 선재의 주요 특성들이 전류 재분배 및 열전달을 통한 ？치 회복에 미치는 영향을 연구하였다. 초전도 선재의 주요 특성으로는 접촉 전기 전도도, RRR, 헬륨의 질량 유량을 고려하였으며, 접촉 전기 전도도가 가장 중요한 인자임을 알 수 있었다. 국부 ？치에 의한 온도 상승이 크지 않을 경우 ？치의 회복은 주로 헬륨으로의 비정상 전도 열전달과정 중에 결정되므로 초전도 케이블의 안정성이 헬륨의 질량 유량과 크게 관련이 없음을 알 수 있었으며, 국부 ？치에 의한 선재의 온도 상승이 클수록 ？치의 회복은 최대 온도 시점 이후에 결정되어 헬륨의 질량 유량에 크게 의존함을 알 수 있었다. 또한, 초전도 선재의 사양 및 냉각 조건이 주어졌을 경우 초전도 케이블의 안정성은 주로 국부 ？치가 발생한 시점의 전자기적 상태 즉, 전류의 크기 및 자기장의 세기에 따라서 결정됨을 알 수 있었다.
수치해석 결과를 바탕으로 'RRL-OR map'과 ‘RRL critical current’개념을 도입하였으며, 이를 이용하여 과거 정량적 해석이 난해하였던 자속변화한계에 대한 새로운 안정성 해석 방법을 초전도 자석의 설계자 관점에서 제시하였다. 'RRL-OR map'을 과거의 실험 결과에 적용하여 타당성을 검토하였으며, 이를 통하여 본 논문에서 제시된 'RRL-OR map'개념이 관내연선도체 초전도 자석의 안정성 해석 및 설계 도구로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
