초전도체 특성과 전력 응용

초전도 상태의 정의

초전도체는 임계온도 이하에서 직류 저항이 0이 되는 물질이다.

한 번 흐르기 시작한 전류는 에너지 손실 없이 계속 흐른다.

초전도 상태는 임계온도, 임계자기장, 임계전류밀도 이하에서만 유지된다.

세 조건 중 하나라도 넘으면 상전도 상태로 돌아간다.

완전도체와 초전도체

완전도체는 저항이 0인 도체다. 그러나 자기장에 대한 반응은 초전도체와 다르다.

완전도체는 내부 자속을 보존하고, 초전도체는 내부 자속을 0으로 밀어낸다.

이 밀어냄 현상이 마이스너 효과이며, 초전도체만 가지는 성질이다.

그래서 자기부상이 가능하고, 답안에서는 이 차이를 반드시 구분해야 한다.

고온 초전도체의 등장

1911년 온네스가 수은을 4.2K 근처로 식혔을 때 저항이 사라졌다.

이 시기의 초전도체는 액체헬륨 온도에서만 작동해 냉각 비용이 컸다.

1986년 베드노르츠와 뮐러가 란타넘계 세라믹에서 약 35K 초전도를 발견했다.

이후 임계온도가 77K를 넘는 고온 초전도체가 연이어 발견되었다. 액체질소로 냉각할 수 있게 되었다.

전력 응용 구성

초전도 응용 기기는 초전도 도체, 냉각계, 단열계의 세 부분으로 나뉜다.

초전도 한류기는 정상 시 저항이 0이라 임피던스가 없다.

고장으로 전류가 임계전류를 넘으면 상전도로 전이되어 고장 전류를 제한한다.

초전도 케이블은 액체질소를 순환시켜 냉각하며, 같은 크기 구리 케이블보다 5배 이상 전류를 흘린다.

직접 풀기: 케이블 전류 용량

같은 단면적에서 초전도 케이블은 구리 케이블보다 5배 이상 전류를 통전한다.

구리 케이블의 허용 전류를 1,000A라고 두자.

이때 초전도 케이블은 최소 몇 A를 통전할 수 있는지 구해 보자.

답을 고른 뒤 계산 결과를 확인하자.

송전 전력 계산

송전 전력은 P = √3 V I cosθ 로 구한다.

V는 선간전압, I는 전류, cosθ는 역률이다.

전압 23kV, 전류 1,255A, 역률 1로 두고 대입해 보자.

계산하면 약 50MVA가 되어 50MVA급 실증 용량과 같다.

핵심 정리

초전도체는 저항이 0이고 내부 자속을 밀어내는 물질이다.

전이 조건은 임계온도, 임계자기장, 임계전류밀도 세 가지다.

전력 분야에서는 케이블, 한류기, 변압기, SMES가 대표 응용이다.

냉각 비용과 신뢰성, 선재 가격이 실용화의 과제다.