The Cable in Conduit Conductor (CICC) configurations are designed, tested and realized to make high field superconducting (SC) magnets. The evolution of CICC design makes it challenging to forecast thermo-hydraulic behavior. A common objective of thermo-hydraulic studies is to obtain the most reliable predictive correlation for friction factor in CICC geometries and to reduce the dependency on the experiment. So far, only the void fraction and Reynolds number have been considered in the predictive correlations in an explicit way. In the present paper, the CICC twisting pattern dependency, called tortuosity (τ), on the pressure drop prediction, has been assessed through a numerical simulation approach. The CICC twisting pattern with 6+1 petals (solid conductor in the present study) with different twisting pitches is mimicked in the numerical simulation for the range 100 ≤ Re ≤10000 and 1 < τ < 1.08 and a correlation for friction factor, f, has been proposed as a function of Re and τ.
B. Lim;S. Lee;J. Choi;J. Kim;Y. Chu;H. Park;M. Kim;S. Baang;W. Chung
한국초전도저온공학회:학술대회논문집
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한국초전도저온공학회 2002년도 학술대회 논문집
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pp.306-309
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2002
A superconducting CICC (Cable-In-Conduit-Conductor) is adopted the KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) superconducting magnet system which consists of 16 TF coils and 14 PF coils. For the test of KSTAR CICC, an ambient magnetic field of $\pm$ 8 T With a maximum change rate of 20 T/s is required and a background-field magnet system is being developed for SSTF (Samsung Superconductor Test Facility). The CICC for PF1~5 is used as the conductor for background-field coils to check the validity of the PF CICC design. Two pieces of cables have been fabricated and the cable has the length of 870 m and the diameter of 20.3 mm. A continuous CICC jacketing system is developed for the KSTAR CICC fabrication and the jacketing system uses the tube-mill process, which consists of forming, welding, sizing and squaring procedures. The design specification of CICCs and the fabrication process is described.
Since the strand-to-strand type joint far CICC (Cable-In-Conduit Conductor) is small in size and has low DC resistance, it is expected to be useful type fur a superconducting magnet system which had a compact structure like the KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) coil system. The DC resistance is changed according to the distribution patterns of strands in cables connected together in the joint. A commercial code was used for the calculation of the DC resistance. With the decrease of outer diameter of the Joint, Which means the increase of strand volume fraction in the joint, the calculated DC resistance decrease rapidly and non-lineally. The variation of resistance depends mainly on the volume fraction of solder which has higher resistivity than copper. The resistance decrease inversely with the increase of the length of the joint. The resistance increase with increase of number of triplets in each stack contacted with that of another terminal cable. In case of the strand-to-strand joint that has 62mm of outer diameter, 52mm of inner diameter, 100mm of overlap length, and four triplets in each stack, the calculated DC resistance is less than 1 n-Ohm.
It is important to predict AC loss in $Nb_3Sn$ and NbTi cable-in-conduit-conductor (CICC) reliably for the design and operation of large superconducting coils. The hysteresis loss in the superconducting filaments and coupling loss within strands and among strands in a cable or composite are dominant ac losses in superconducting magnets. The coupling loss in a superconductor can be characterized by identifying the coupling constant time $n{\tau}$. To reduce the coupling loss, all the strands (superconductor and Cu) in KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advance Research) are chromium plated with thickness of $l{\pm}0.5{\mu}m$. The ac losses of PF1, PF5 and PF6 coils has been measured by calorimetric method while applying trapezoidal current pulses with various ramp rate from 0.5 kA/s to 2 kA/s. The coupling time constants for $Nb_3Sn$ coils are $25{\sim}55$ ms and the values are not co-related with the coil size, the time constants for NbTi coil is 30 ms.
The stability of PF 6-7 has been studied according to the transient analysis code TOKSCPF and quench analysis code QSAIT. We compare the stability and temperature rise with various Cu/SC ratios of 2.8 and 3.5 under the KSTAR normal operating conditions. It shows that the Cu/SC ratio has an influence on the quench propagation and stability margin. In transient operating condition, the Cu/SC ratio weakly influences on the temperature rise in PF magnet.
The fast current and field ramp-up experiment was done with the superconducting magnet that is made of three non-insulated strand CICC (Cable-In- Conduit Conductor). The shunt the unbalanced current magnet enabled the unbalanced current measurement which is believed to be associated with the loop current. To explain the generation of the loop current during the current ramp up. the steady-state three strand loop current model was proposed. This model gives an explanation for the relation between the loop current and the twist geometry of the strands. According to this model. The twisr geometry and the surface contact resistance of the strand has significant influence on the generation of the loop current especially in the large superconducting magnet.
한국초전도저온공학회 1999년도 제1회 학술대회논문집(KIASC 1st conference 99)
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pp.69-72
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1999
During the fast current and field ramp up experiment with CICC (Cable-In-Conduit Conductor) non-insulated 3 strand superconducting magnet, the unbalanced current distribution associated with the loop current has been obtained directly from the shunt resistor voltage data. To explain the generation of the loop current during the current ramp up, the steady-state three strand loop current model was proposed. This model gives an explanation for the relation between the loop current and the relation between the loop current and the twist geometry of the strands. According to this model, the twist geometry of the strand has significant influence on the generation of the loop current especially in the large superconducting magnet.
Since the margins for the minimum quench energy and for the operating current in the superconducting magnet determine the operating regime of the magnet, a thermal stability analysis for the KSTAR superconducting magnet system is performed using 1-D Gandalf code. The result shows that the minimum quench energy is about 500 mJ/cc and the operating current margin is about 70 %. These values are larger than those of the KSTAR design criteria and the KSTAR superconducting magnet system can be operated stably under various experimental environments.
European efforts to design superconducting conductors for a future tokamak have involved Nb3Sn cable-in-conduit conductor (CICC). Nb3Sn coils which undergo heat treatment to activate the Nb3Sn material are mostly produced through the wind-then-react route. However, some Nb3Sn coils have been proposed with CICCs of the react-then-wind route. The latter CICCs are physically constrained due to handling limitations which if not adhered to will result in irrecoverable damage to the Nb3Sn cable inside, nullifying any performance advantage. A group at the Swiss Plasma Center has proposed such CICC designs, constructing samples and testing them for performance. The characteristics and performance of these react & wind (R&W) CICCs are compared with the more common wind & react (W&R) CICCs, and it is found that the R&W designs show more extreme characteristics than typical W&R Nb3Sn CICCs for some parameters that are known to influence CICC performance. Where the R&W CICCs extend the range of those parameters, they also continue trends formed by the W&R CICCs with the parameters. The main observation, however, is that although the current sharing temperature performances of the R&W samples are above the average of the W&R samples they were compared to, they are not the highest. A similar observation applies to a cost comparison of the superconducting material where the R&W CICCs are found to be relatively cheap but not the cheapest. Given these results, clear practical advantages to the R&W CICC design is not evident.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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