초전도자석(超傳導磁石, superconducting magnet)은 또는 초전도 선으로 감은 코일을 사용하여 만들어진 전자석이다. '초전도 전자석이라고도 한다.
초전도자석은 구리선 등을 사용한 일반 전자석에 비해 여러가지 이점을 지닌다. 영구전류모드를 사용하면 더 안정적인 자기장을 얻을 수 있다. 초전도 선은 구리선에 비해 같은 단면적에 백배 정도의 전류를 흘릴 수 있기 때문에 초전도 자석은 일반 전자석에 비해 더 작아질 수 있다. 또한 저항손실이 없기 때문에 적은 전력을 소모한다. 큰 자기장을 얻기 위해서는 일반 전자석 안에 초전도 자석을 삽입한 형태의 복합 자석 형태로 만들기도 한다.
무절연 고온 초전도자석은 차세대 핵융합을 비롯해 자기공명영상장치(MRI) 등 미래 산업을 이끌 기반 기술이다. 현재 의료·바이오, 신소재, 에너지, 전력, 수송, 군사 등 여러 분야로 빠르게 파급되고 있다. 이 기술은 빌 게이츠가 꼽은 2019년 10대 혁신 기술이기도 하다.
개요
초전도자석은 코일용 선재(線材)에 초전도체인 Nb 합금 등을 사용하여 액체 헬륨 온도로 냉각하여 초강자계를 발생시킬 수 있다. 전력 저장이라든가, 핵융합로용 플라스마의 수장, 자기부상 등 대전력용의 초전도 마그넷과 핵물리 실험, 반도체의 물성측정 등 소형의 실험용 등으로 나누어진다. 대전력용은 경제성이 문제가 되기 때문에 현재도 연구개발 중이지만, 물성실험용의 초전도 마그넷은 실용되고 있고, 유효내경이 수 10㎜인 시료실에서 10T 이상의 초강자계를 얻는 시판품을 이용할 수 있다.
특징
초전도 자석의 특징은 전기 저항이 0이기 때문에 손실이 없고 이론적으로는 영구전류 상태를 실현할 수 있는 데 있다.
종래의 상전도 자석의 경우에는 10T의 자계를 정상적으로 발생하는데 3.5MW의 전력과 다량의 냉각수를 필요로 하고, 그 설비에는 거액의 비용이 들었다. 이에 비해서 초전도 자석은 고자계에서도 매우 적은 전력으로 정상적으로 발생할 수 있다. 이 때문에 종래 불가능하다고 생각했던 고자계 분야에의 적용과 그 특징을 살린 광범위한 분야에 응용되고 있다.
초전도 자석은 여러 가지 형상이 있는데 단순한 솔레노이드 코일 외에 레이스트랙, 다이폴, 트로이달 등이 제작되고 있다. 자석의 냉각 방법에도 여러 가지가 있는데 액체 헬륨 속에 자석을 담그는 침지냉각, 헬륨을 초전도선 속에 강제로 순환하는 강제냉각 등이 있다. 그림은 침지 냉각형 초전도 자석의 예를 든 것이다. 자석은 액체 헬륨 속에 침지되고 액체 헬륨의 증발을 적게하기 위해 상온 공간과의 사이에 진공조와 액체 질소를 배치하고 있다.
응용
참고자료
같이 보기
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