초전도 기술

초전도란

초전도는 물질을 임계온도 이하로 냉각했을 때 나타나는 현상이다.

직류 저항이 0이 되고, 내부의 자기장을 밀어내는 두 특성이 함께 나타난다.

이 정의를 답안 첫 줄에 그대로 적는 것이 채점 포인트다.

마이스너 효과와 자기부상

초전도체 표면에는 차폐전류가 흘러 외부 자기장을 상쇄한다.

상쇄하는 반대 방향 자기장이 생기기 때문에 외부 자기장이 내부에서 밀려난다.

이것이 자석이 초전도체 위에 뜨는 자기부상의 원리다.

임계값 세 가지

초전도 상태는 임계온도, 임계자기장, 임계전류밀도 세 조건이 동시에 만족될 때만 유지된다.

임계온도는 초전도가 유지되는 최고 온도이고, 임계자기장은 최대 자기장 세기다.

세 값 중 하나라도 넘으면 초전도 상태가 깨지고 저항이 나타난다.

임계값을 하나로만 쓰는 것은 흔한 실수다.

1종과 2종 초전도체

초전도체는 자기장과 온도 상전이 형태에 따라 1종과 2종으로 나뉜다.

1종은 임계자기장 Hc가 하나이며 상태 전이가 급격하다.

2종은 Hc1과 Hc2 두 임계자기장을 가지고, 두 값 사이에서 혼합상태가 나타난다.

두 기준은 서로 다른 축이므로 하나의 표로 섞지 않는다.

초전도 케이블과 냉각 계통

초전도 응용기기는 냉각계통, 초전도 선재, 단열 용기로 구성된다.

냉동기가 액체질소를 냉각하고, 펌프가 일정한 유속으로 순환시킨다.

순환하며 흡수한 열은 액체질소가 냉동기로 돌아가 다시 냉각된다.

같은 단면적에서 더 큰 전류를 통전해 회선 수와 관로 면적을 줄인다.

송전용량 계산 예제

이제 송전용량을 직접 계산해 보자.

전력은 P=√3VI로 구하며, V는 선간전압, I는 전류다.

선간전압 154kV, 전류 2.25kA를 가정하면 P는 약 600MVA가 된다.

같은 용량을 상전도 케이블로 보내면 회선 수와 관로가 커진다.

정리

초전도 기술의 핵심을 정리한다.

영저항과 마이스너 효과가 정의이며, 임계값 세 가지와 1종·2종 분류를 함께 쓴다.

냉각 비용과 장기 신뢰성이 실용화의 쟁점이다.