나이오븀-주석

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1. 개요
2. 역사
3. 특징 및 제조 공정
4. 주요 응용 분야
5. 미래 전망
참조

1. 개요

나이오븀-주석(Nb₃Sn)은 1954년에 발견된 A₃B형 초전도체로, 고밀도 전류와 강한 자기장 하에서도 초전도성을 유지하여 실용적인 초전도 재료로 주목받았다. 이 물질은 기계적 취약성을 극복하기 위해 연성 전구체를 포함하는 복합 전선 형태로 제작되며, '내부 주석' 또는 '청동' 공정을 통해 제조된다. 현재 핵자기 공명 자석의 고자장 부분에 사용되며, 국제 핵융합 실험로 ITER의 초전도 자석에도 핵심적으로 사용될 예정이다. 하프늄 또는 지르코늄을 첨가하여 자기장 내 최대 전류 밀도를 증가시키는 연구가 진행 중이며, LHC 개조에도 활용될 전망이다.

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나이오븀-주석
개요
종류	초전도체
화학식	Nb3Sn
결정 구조	A15 입방 구조
몰 질량	412.44 g/mol
특성
임계 온도	약 18.3 K (−254.85 °C, −426.73 °F)
임계 자기장	약 30 테슬라
초전도 상태 유지 온도	4.2 K
활용
용도	핵자기 공명 (NMR) 자기 공명 영상 (MRI) 고에너지 물리학 실험 장비
특징	높은 임계 온도와 임계 자기장을 가짐

2. 역사

1954년, 최초의 A3B형 초전도체인 V₃Si가 발견된 직후, Nb₃Sn이 초전도체로 발견되었다.^[33] 1961년에는 나이오븀-주석이 높은 전류 밀도와 강한 자기장 하에서도 초전도성을 유지한다는 것이 확인되었다. 이는 고밀도 전류와 자기장을 견디는 전자 부품을 만들 수 있는 최초의 초전도체로, 강력한 전자기석이나 전력 설비를 실현할 수 있는 실용적인 재료로 처음 사용되었다.^[34]^[35]^[24]^[25]

3. 특징 및 제조 공정

Nb₃Sn은 매우 부스러지기 쉬워 초전도 자석을 만들기 위한 도선으로 가공하기 어렵다. 이를 극복하기 위해 도선 제작자들은 니오븀과 주석이 포함된 합금을 이용해 미리 모양을 만들고 열을 가해 반응시켜 초전도 도선을 만든다.^[30] powder-in-tube 공정을 이용해 도선을 만드는 방법도 사용된다.^[31]^[32] 니오븀-주석 와이어를 열처리 이후에 감아 만드는 경우도 있다.

Nb₃Sn은 기계적으로 극도로 취성이 강해 초전도 자석을 감는 데 필요한 와이어로 쉽게 만들기 어렵다. 이를 극복하기 위해 와이어 제조업체는 일반적으로 연성이 있는 전구체를 포함하는 복합 와이어를 만든다. "내부 주석" 공정에는 Nb, 구리 및 Sn의 별도 합금이 포함된다. "청동" 공정에는 구리–주석 청동 매트릭스에 Nb가 포함된다. 두 공정 모두에서 가닥은 일반적으로 열처리 ''전에'' 최종 크기로 만들어져 솔레노이드 또는 케이블로 감겨진다. Sn이 Nb와 반응하여 취성 초전도 니오븀-주석 화합물을 형성하는 것은 열처리 중에만 발생한다.^[10] 분말-튜브 공정도 사용된다.^[2]^[11]

니오븀-주석의 변형은 재료의 초전도 성능을 저하시키고, 취성 재료가 파괴될 수 있다. 니오븀-주석의 탄성 계수는 실온에서 약 140 GPa이다. 그러나 재료를 50,000 이하로 냉각하면 강성이 50 GPa까지 떨어진다.^[12] 따라서 엔지니어는 재료의 강도를 향상시키는 방법을 찾아야 한다. 강화 섬유는 종종 합성 니오븀-주석 전선에 통합되어 강성을 높인다. 일반적인 강화 재료로는 저온에서 높은 강성을 가진 인코넬, 스테인리스강, 몰리브덴, 탄탈럼 등이 있다.^[13]

복합 전선의 사전 변형은 다음 공식으로 계산할 수 있다.

:

\varepsilon _{m}=\frac{V_{c}E_{c}\{ \frac{\Delta L}{L_c}-\frac{\Delta L}{L_f} \}-\sigma_{cu,y}V_{cu}-\sigma_{bz,y}V_{bz}}{V_fE_f+V_cE_c}.

여기서 ε_m은 사전 변형이고, ΔL/L_c 및 ΔL/L_f는 각각 니오븀-주석 도관 및 강화 섬유의 열팽창으로 인한 길이 변화이다; V_c, V_f, V_cu 및 V_bz는 도관, 섬유, 구리 및 청동의 부피 분율이다; σ_cu,y 및 σ_bz,y는 구리 및 청동의 항복 응력이다; 그리고 E_c 및 E_f는 도관 및 섬유의 탄성 계수이다.^[14]

초전도성이 손실되는 최대 허용 변형인 임계 변형은 다음 공식으로 주어집니다.

:

\varepsilon _c=\varepsilon_{co}\{ 1-\frac{B}{B_{c2m}} \}.

여기서 ε_c는 임계 변형이고, ε_co는 니오븀-주석의 경우 인장 시 1.5% (−압축 시 -1.8%)와 같은 재료 종속 매개변수이며, B는 가해지는 자기장이고, B_c2m은 재료의 최대 상한계 자기장이다.^[15]

약 1%의 충분히 높은 변형에서 니오븀-주석 도관에 균열이 발생하고 전선의 전류 전달 능력이 영구적으로 손상된다.

4. 주요 응용 분야

핵융합로로 개발되고 있는 ITER의 초전도 자석 중심부에는 니오븀-주석 합금이 사용되고 있다.^[36] 중심부의 솔레노이드 코일은 13.5T를 낼 수 있으며, 토로이드 코일은 11.8T까지 내도록 설계되어있다. ITER 프로젝트는 600MT의 Nb₃Sn과, 250MT의 NbTi를 사용할 예정이다.^[37]^[38]

CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서는 2018년 말부터 2020년 초 사이에 가속기의 주요 지점에 니오븀-주석으로 만들어진 초강력 사중극 자석(빔 집속용)이 설치되고 있다.^[9]

최근의 강력한 핵자기 공명(NMR) 장치에서는 고자장 부분에 니오븀-주석이 사용되고 있다.

5. 미래 전망

하프늄 또는 지르코늄을 나이오븀-주석에 첨가하면 자기장 내 최대 전류 밀도가 증가한다. 이를 통해 CERN이 계획한 미래 원형 충돌기에서 16조로 사용할 수 있다.^[17]

국제 협력으로 건설 중인 핵융합 실증로 ITER에서는, 중심 솔레노이드와 토로이달 자기장 코일에 나이오븀 주석으로 제작된 초전도 자석을 사용하고 있다.^[26] 중심 솔레노이드는 13.8조, 토로이달 자기장 코일은 최대 11.8조의 자기장을 발생시킨다. 사용되는 초전도체의 무게는 나이오븀 주석이 600ton, 나이오븀 티타늄 합금이 250ton으로 추정된다.^[27]^[28]

CERN이 운용하는 대형 강입자 충돌기 (LHC)에서는, 2018년 후반부터 2020년 초에 걸쳐 입자선 집속용 나이오븀 주석제 사중극 자석이 요지에 설치되었다.^[29]

참조

_[1] 서적 Limits of NbTi and Nb₃Sn, and Development of W&R Bi–2212 High Field Accelerator Magnets http://www.osti.gov/[...] Office of Science, High Energy Physics, U.S. Department of Energy 2006-09-01
_[2] 웹사이트 Record current with powder-in-tube superconductor https://web.archive.[...] laboratorytalk.com 2008-09-06
_[3] 간행물 Superconductivity of Nb₃Sn
_[4] 간행물 Superconductivity: From Physics to Technology
_[5] 간행물 A review of the properties of Nb3Sn and their variation with A15 composition, morphology and strain state
_[6] 웹사이트 Results of the first tests on the ITER toroidal magnet conductor http://www-fusion-ma[...] Commissariat à l'Énergie Atomique 2001-09-10
_[7] 간행물 A success story: LHC cable production at ALSTOM-MSA
_[8] 웹사이트 Alstom and Oxford Instruments Team Up to Offer Niobium–tin Superconducting Strand http://www.azom.com/[...] Alstrom 2007-06-27
_[9] 간행물 Superconductivity and the LHC: the early days http://cerncourier.c[...] 2011-10-25
_[10] conference Survey Of High Field Superconducting Material For Accelerator Magnets https://pubarchive.l[...] 1986-05
_[11] 간행물 Powder-in-tube (PIT) Nb₃Sn conductors for high-field magnets https://research.utw[...]
_[12] 서적 Advances in Cryogenic Engineering Materials https://www.springer[...] Springer, Boston, MA 2020-05-20
_[13] 서적 Advances in Cryogenic Engineering Materials https://www.springer[...] Springer, Boston, MA 2020-05-20
_[14] 서적 Advances in Cryogenic Engineering Materials https://www.springer[...] Springer, Boston, MA 2020-05-20
_[15] 서적 Advances in Cryogenic Engineering Materials https://www.springer[...] Springer, Boston, MA 2020-05-20
_[16] 간행물 A Review of the Properties of Nb 3 Sn and Their Variation with A15 Composition, Morphology and Strain State IOP Publishing Ltd
_[17] 뉴스 MagLab awarded $1.5M by U.S. Department of Energy to develop better superconductors https://news.fsu.edu[...] 2020-07
_[18] 웹사이트 Limits of NbTi and Nb₃Sn, and Development of W&R Bi–2212 High Field Accelerator Magnets http://www.osti.gov/[...] Office of Science, High Energy Physics, U.S. Department of Energy 2006-09-01
_[19] 웹사이트 Record current with powder-in-tube superconductor http://www.laborator[...] laboratorytalk.com 2008-09-06
_[20] conference Survey Of High Field Superconducting Material For Accelerator Magnets https://pubarchive.l[...] 1986-05
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_[27] 웹사이트 A success story: LHC cable production at ALSTOM-MSA
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_[37] 저널 A success story: LHC cable production at ALSTOM-MSA 2008-09-06
_[38] 웹인용 Alstom and Oxford Instruments Team Up to Offer Niobium-Tin Superconducting Strand http://www.azom.com/[...] Alstrom 2007-06-27

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