고온초전도사극자석
라온 중이온가속기에 입자가속기 최초로 고온초전도전자석이 탑재된다.
성공적으로 적용될 경우 전 세계 차세대 입자가속기들의 고온초전도전자석 채택이 잇따를 전망이다.
과학기술정보통신부(장관 유영민) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 중이온가속기건설구축사업단은 라온 중이온가속기의 IF(In-flight Fragment Separator 비행파쇄분리장치)시스템에 고온초전도전자석을 탑재한다고 밝혔다.
이를 위해 고온초전도전자석 시제품을 개발해 성능시험을 성공적으로 마쳤으며 본제품 제작에 들어갈 예정이다.
입자가속기에서 전자석은 입자빔의 방향을 바꾸고 초점에 모으거나 퍼트리는 등 빔을 정밀 제어하는 데 사용된다.
특히 라온 중이온가속기에서 세계 최고 수준 고에너지․고출력 중이온빔을 탄소표적에 충돌시켜 희귀동위원소를 생성하는 IF시스템에는 원하는 희귀동위원소 빔을 분리해낼 수 있는 고성능을 갖추고 빔이 표적에 충돌할 때 발생하는 방사선 발열에도 견딜 수 있는 특별한 전자석이 요구된다.
그동안 세계 각국의 가속기시설에서는 방사선 발열이 심한 고방사선 구역에 열에 강한 산화마그네슘(MgO) 절연재 기반 MIC(Mineral Insulated Cable 광물절연전선)전자석을 활용해왔다.
그러나 최근에는 전력효율이 훨씬 높으며 방사선 발열도 일정 수준 견딜 수 있는 고온초전도전자석을 새로운 대안으로 고려해왔다.
일부 시설에서는 저온초전도전자석도 활용하고 있으나, 방사선 발열로 온도가 올라가 초전도성을 잃는 퀜치(quench)현상이 발생할 우려 때문에 20kW 이하 저출력 빔에만 적용이 가능해 최대 400kW 빔출력을 구현할 라온에는 적용을 고려할 수 없었다.
중이온가속기사업단은 고온초전도전자석이 MIC전자석에 비해 초기 투자비용에 큰 차이가 없는 반면 전력 소모량은 MIC전자석에 비해 약 10분의 1에 불과해 운영비용이 저렴하고 크기‧무게도 약 20% 이하 수준으로 훨씬 작고 가벼워 원격조작이 용이한 강점에 주목했다.
이에 라온 IF시스템에 들어갈 사극자석 6기와 육극자석 1기를 고온초전도전자석으로 개발해 탑재하기로 결정했다.
이를 위해 지난 2015년 1월 한국전기연구원 초전도연구센터와 고온초전도 사극자석의 공동 개발을 추진해 2017년 1월 시제품을 완성했다.
이후 최근까지 냉각특성과 자기장 성능시험, 발열환경에서의 성능시험을 수행해 안정적인 운영이 가능함을 확인했다.
이에따라 올 연말부터 고온초전도 사극‧육극자석 본제품 제작에 들어가 오는 2021년 안에 제품을 완성하고 설치해 시운전에 들어간다는 계획이다.
사업단의 고온초전도전자석은 초전도전력기기․전선에 상용화되고 있는 ‘희토류 바륨구리산화물(ReBCO, Rare-earth Barium Copper Oxide)’ 고온초전도체로 제작된다.
절대온도 9K(섭씨 영하 약 264도) 이하 극저온환경에서만 초전도현상을 보이는 저온초전도체(니오븀티타늄 NbTi 등)와 달리 ReBCO 고온초전도체는 상대적으로 높은 절대온도 90K(섭씨 영하 약 183도) 이하에서 초전도상태를 유지한다.
사업단은 라온 핵심 초전도가속장치의 2K․4K 극저온환경을 유지해주는 액체헬륨 냉각시스템에 고온초전도전자석용 40K(섭씨 영하 약 233도) 기체헬륨 냉각시스템을 하나로 통합해 고온초전도전자석 7기를 40K 저온에서 운영할 계획이다.
적은 발열에도 초전도성을 잃어버릴 수 있는 저온초전도전자석과 달리, 고온초전도전자석은 방사선 발열로 인해 다소 온도가 올라가더라도 초전도상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
중이온가속기사업단의 권영관 장치구축사업부장은 “세계 최첨단 라온 중이온가속기의 구축은 전에 없던 새로운 문제들에 맞닥뜨리며 해결해가는 과정”이라며 “고에너지‧고출력 빔을 고온초전도전자석으로 제어하는 기술은 라온의 성공을 계기로 전 세계 차세대 입자가속기들에서 널리 활용될 전망”이라고 말했다.