비용 장벽을 극복하면 고온 초전도체가 보편화될 수 있습니다.

초전도체는 기본적으로 제로 저항으로 전기를 전도하므로 현재의 전력 전송, 변환 및 사용에서 많은 전력 손실을 방지합니다. 강력한 전자기장은 지금까지 저온 초전도체(LTS) Nb47Ti로 구성된 자기 공명 영상(MRI) 전자석으로 제한된 광범위한 상업적 초전도성을 가진 초전도체의 주요 응용 분야였습니다. LTS의 광범위한 적용은 액체 헬륨(4.2K 이하)으로 냉각해야 하는 필요성으로 인해 방해를 받았습니다. 고온 초전도체(HTS)( 1)는 액체 질소 온도(65~80K)에서 작동할 수 있어 LTS의 제약을 벗어날 수 있는 유비쿼터스 애플리케이션을 약속했습니다. 2050년까지 탄소 없는 경제를 위한 국제 에너지 기구 로드맵을 달성하는 것은 핵융합으로 생성된 전기를 사용함으로써 크게 촉진될 것입니다. HTS는 프로토타입 핵융합 원자로( 2 )에 사용되어 지금까지 HTS 기술의 상업적 개발을 가로막았던 비용 장벽을 극복할 수 있는 기회를 만들었습니다.
1987년 93K의 고온 초전도에 대한 예상치 못한 보고( 1 ) 이후 HTS가 전자석에 대한 고전적인 초전도 응용을 훨씬 넘어서 전력 산업( 3 )에 혁명을 일으킬 수 있다는 아이디어가 추구되었습니다. 많은 기술적 성공에도 불구하고( 4 ) HTS의 전기 산업 응용 분야는 거의 없는데, 그 주된 이유는 HTS 재료의 높은 비용으로 인해 구리 및 철 전기 인프라를 경제적으로 대체할 수 없기 때문입니다. 따라서 지난 10년 동안의 HTS 연구는 과학적 으로 흥미롭지만 제한된 시장인 “고전적인” LTS 전도체로는 불가능한 초고장 전자석을 만드는 것으로 되돌아갔습니다.). 그러나 HTS는 2050년 제로 탄소 목표에 기여하는 수단으로 경제적인 소형 핵융합로를 가능하게 할 수 있으며 핵융합의 개발은 상승적으로 HTS에 대한 수요를 창출하여 HTS 비용 절감을 가져올 새로운 생산 능력을 촉진합니다. 이것은 특히 전기 기술에서 구리와 철을 대체하기 위해 HTS의 경제성을 변화시킬 수 있습니다.
콤팩트한 토카막 핵융합 원자로 개발에 대한 대규모 투자( 6 , 7 )는 최고 성능의 HTS, REBa 2 Cu 3 O 7-δ (REBCO; RE, rare- 접지 요소), 20K 및 20T( 9 )에서 작동하는 코팅 도체(CC) 형태( 8 )). 소형 핵융합 토카막에서 HTS CC의 D자형 코일 세트는 플라즈마를 가두는 토로이달 자기장을 생성합니다(그림 참조). 이 시제품은 270km의 REBCO를 사용했으며, 이는 지금까지 만들어진 모든 고자기장 자석에 사용된 모든 REBCO CC 양의 몇 배입니다. 이 성과는 CC 생산의 대대적인 확장을 필요로 했으며 이제 REBCO CC를 핵융합뿐만 아니라 전기 유틸리티 및 액체 수소 경제에 대한 광범위한 적용에 적합한 가격으로 톤 단위로 제공할 수 있는 기회를 제공합니다.

토카막 핵융합로의 고온 초전도체
소형 토카막 핵융합 원자로와 같은 핵융합 발전의 개발은 고온 초전도체(HTS) 코팅 전도체의 성장과 상용화를 주도하고 있습니다.

역사적으로 고에너지 물리학 커뮤니티는 새로운 초전도체에 대한 지배적인 수요를 제공했으며 실제로 초고에너지 입자 가속기의 필수 구성 요소로서 LTS와 HTS 모두에 대한 수요를 주도하고 있습니다. 20T, 20K 토로이달 필드 융합 자석( 9 )의 시연은 CERN( 10 ) 의 미래 원형 충돌기를 위한 HTS 지원 쌍극자 자석의 설계 및 작동에 대한 강력한 논거를 만들었습니다 . 15~25K에서 작동하는 HTS는 대형 강입자 충돌기에서 LTS 자석을 냉각하기 위한 오늘날의 값비싼 솔루션인 1.8K의 현재 초유체 헬륨에 비해 막대한 극저온 절감 효과를 제공할 수 있습니다.
65~80K의 액체 질소에서도 헬륨을 사용하지 않고 작동할 수 있다는 전망은 원래 HTS, 특히 REBCO의 광범위한 응용 분야에 대한 기대를 불러일으켰습니다. 그러나 HTS를 적용하려는 시도는 극저온을 절약함으로써 초전도체를 유용하게 만드는 것은 높은 전이 온도(또는 임계 온도 T c )뿐만 아니라 더 중요한 것은 높은 전류 밀도(J c ) 를 강한 자기장. 높은 Jc 는 초전도체 내부의 양자화된 와류가 다양한 구조적 결함에 의해 움직이지 않도록 “고정”되는 정도에 따라 달라집니다. 높은 J c 달성구조적 이방성으로 인해 발생하고 강력한 와류 피닝을 어렵게 만드는 REBCO의 초전도 특성의 현저한 이방성을 처음으로 이해해야 하는 20년 이상의 집중적인 연구 활동이었습니다( 11 ) . REBCO 화합물이 박막으로 성장할 수 있는 능력은 고밀도의 절연 나노스케일 RE 2 O 3 및 BaZrO 3 와 같은 페로브스카이트 화합물을 통합하여 액체 질소 온도에서도 높은 J c 를 가능 하게 하는 매우 강력한 와류 피닝을 가능하게 했습니다. ( 12 ).
HTS 적용을 가로막는 두 번째 독립적인 문제: 다결정 전도체 내의 거의 모든 입자 사이에서 발생하는 초전도 특성을 국지적으로 저하시키는 장애에 대한 큰 민감성(입계, GB)(13 ) . 두 가지 주요 LTS 재료인 Nb47Ti와 Nb3Sn은 높은 캐리어 밀도, 등방성, s파 초전도체인 반면 , cuprate HTS는 현저하게 이방성 d파 초전도체로 GB 캐리어 밀도와 초전도 특성은 다음을 제외하고 모두 강하게 저하됩니다. 매우 낮은 각도의 GB(인접한 두 입자 사이의 결정학적 방향의 차이가 매우 작은 경우). 이로 인해 곡물 간 연결성이 크게 저하되고 J c다결정 재료( 13 ). 따라서 HTS 도체가 등장하는 데는 1km도 훨씬 안 되는 길이에서도 15년 이상이 걸렸다. 대조적으로, LTS 컨덕터는 일반적으로 10km가 훨씬 넘는 단일 길이로 만들어집니다.
오늘날 사용 가능한 세 가지 상용 HTS 재료(REBCO 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO) 화합물 Bi-2223 및 Bi-2212) 각각에 대해 높은 Jc로의 경로 는 장거리 과류 수송에 장애물. REBCO의 경우, 완전히 새로운, 주로 증착 박막 생산 경로가 필요했습니다( 12 ). 특히, Bi-2212 및 Bi-2223은 기존의 와이어 제조 경로로 만들 수 있지만 질감이 좋지 않아 결과적으로 Jc가 낮아지는 대가가 있습니다 .. 대조적으로, 박막 CC 제조 공정의 산업화는 약한 와류 피닝 및 GB 초전류 차단 문제를 모두 해결하여 이제 경제적인 HTS의 대량 생산을 가능하게 합니다.

현재 전 세계적으로 500~1000m 길이에 가까운 단결정 질감의 REBCO CC가 만들어지고 있다. 지배적인 생산 경로는 IBAD(이온 빔 보조 증착)를 사용하여 10~50nm 두께의 입방체 질감 MgO 템플릿을 Hastelloy-C276과 같은 30~100µm 두께의 질감이 없는 강한 금속 기질 위에 성장시킵니다. . 약 100nm 두께의 일부 중간 산화물 층은 MgO를 1~3µm 두께의 REBCO 층에 격자 일치시킬 수 있게 합니다. 이 층은 1~2µm의 스퍼터링된 은으로 보호되고 마지막으로 더 두꺼운 5~50µm 두께의 은으로 보호됩니다. REBCO에서 전기적 안정성과 초전도 손실을 방지하기 위해 일반적으로 전기 도금되는 µm 구리 층. 공정의 대부분 또는 전부는 자본 비용이 높고 처리량이 상대적으로 느린 여러 개의 물리적 기상 증착 챔버를 필요로 합니다. CC 제작을 복잡하고 비싸게 만듭니다. 핵융합 발전 개발을 위한 HTS에 대한 수요 증가는 REBCO CC 제조를 잠재적으로 막대한 비용 절감과 함께 완전한 산업 운영으로 이끄는 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다.
초전도체에 일반적으로 사용되는 비용 메트릭인 킬로암페어미터당 달러($/kA-m)는 자기장에서 77K에서 1000A의 전류를 전송하는 데 필요한 도체의 미터당 비용을 정의합니다(즉, 자기장이 가해지지 않음); 또는 더 일반적으로 사용자가 원하는 온도 및 자기장에서. HTS의 현재 볼륨 가격 범위는 $150에서 $200/kA-m입니다. 초전도 응용 프로그램의 상업적 실행 가능성에 대한 많은 분석은 $50/kA-m의 도체 비용이 전력 사용을 위한 광범위한 응용 프로그램의 티핑 포인트임을 보여줍니다. 장기적 전망은 HTS 비용이 매우 큰 규모로 생산될 때 $10/kA-m 이하로 예상합니다( 14 ).
제조 가능한 모든 초전도체 중에서 가장 “강력한” Nb47Ti(사용 가능한 작동 영역 및 온도 공간의 의미에서)가 상업적 톤수 규모에 도달한 유일한 것입니다. 값비싼 Nb에도 불구하고 Nb47Ti로 만든 MRI 전자석은 영구 전류 모드에서 작동하고 작은 극저온 냉각기만 필요하기 때문에 Nb47Ti는 MRI의 대량 시장 응용 프로그램의 경제적인 원동력이 되었습니다. 컴팩트 핵융합 반응로는 REBCO CC로만 달성할 수 있는 특성이 필요하기 때문에 현재의 높은 HTS 비용을 견딜 수 없는 많은 새로운 시장에 HTS의 뚜렷한 이점을 제공할 수 있는 기회가 제공됩니다.
프로토타입 소형 핵융합로( 6 , 7 )는 HTS 공급을 지난 3년 동안 연간 수백에서 수천 킬로미터로 10배 증가시켜야 했습니다. 이 수요는 HTS 제조를 견고하고 확장 가능하게 만든 최근의 발전을 가능하게 하여( 8 ) 필요한 생산량을 연간 수 톤 수준으로 증가시킬 수 있습니다. 이 생산 규모의 엄청난 확장은 곧 도체 비용을 ~$100/kA-m로 줄일 수 있습니다. HTS 사용 비용도 초전도체 Jc와 생산 수율에 크게 의존 합니다 . 오늘날 최고의 실험실 샘플은 Jc 가 상업용 전도체보다 2배 이상( 15), 따라서 추가적인 산업 개선 경로를 제공합니다. 생산 기술이 성숙함에 따라 제조 수율도 증가하여 비용이 더욱 절감됩니다. 이를 통해 HTS CC는 전기 유틸리티 및 풍력 터빈에서 구리와 철을 대체하는 응용 분야에서 경쟁력을 갖추게 될 것이며 아마도 수소 냉각 초전도 모터로 전기 항공기를 가능하게 할 수도 있습니다.
전반적으로, HTS 재료와 그 산업 응용 분야에 대한 현재의 전망은 역사적입니다. 35년 전 MRI 전자석용 Nb47Ti 생산에 일어났던 것처럼 REBCO 초전도체 사용이 확대될 기회가 있기 때문입니다. 소형 핵융합 발전(아직 프로토타입 단계에 있음)의 개발은 기하급수적인 연간 생산량 증가를 가져온 직접적인 자극제입니다. 응용 초전도체 커뮤니티는 현재의 구리, 철 및 LTS 사용에 비해 오늘날의 REBCO CC 가격으로 아직 경제적이지 않은 다른 전기 기술 응용 분야의 추가 수요와 가격 인하의 선순환을 예상하고 있습니다. HTS 재료 및 응용 프로그램의 지속 가능한 미래 시장은 에너지 생산, 유통, 그리고 사용; 약; 운송; 그리고 연구.

The prospects of high-temperature superconductors
Overcoming cost barriers could make high-temperature superconductors pervasive

R EFERENCES AND NOTES1. M. K. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987).

2. P. Ball, Nature599, 362 (2021).

3. D. Larbalestier, A. Gurevich, D. M. Feldmann, A. Polyanskii, Nature414, 368 (2001).

4. R. Scanlan, A. P. Malozemoff, D. C. Larbalestier, Proc. IEEE92, 1639 (2004).

5. S. Hahn et al., Nature570, 496 (2019).

6. B. N. Sorbom et al., Fusion Eng. Des. 100, 378 (2015).

7. A. Sykes et al., Nucl. Fusion58, 016039 (2018).

8. A. Molodyk et al., Sci. Rep. 11, 2084 (2021).

9. https://cfs.energy/news-and-media/cfs-commercial-fusion-power-with-hts-magnet

10. P. Védrine et al., in European Strategy for ParticlePhysics—Accelerator R&D Roadmap, N. Mounet, Ed. (CERN Yellow Reports: Monographs, CERN-2022-001), chap. 2, pp. 9–59.

11. D. J. Bishop, Nature365, 394 (1993).

12. J. L. MacManus-Driscoll, S. Wimbush, Nat. Rev. Mater. 6, 587 (2021).

13. H. Hilgenkamp, J. Mannhart, Rev. Mod. Phys.74, 485 (2002).

14. V. Matias, R. H. Hammond, Phys. Procedia36, 1440 (2012).

15. G. Majkic et al., Supercond. Sci. Technol. 33, 07 LT 0 3 (2020)

SCIENCE
22 Jun 2023
Vol 380, Issue 6651
pp. 1220-1222
DOI: 10.1126/science.abq4137