일본산업뉴스요약

리니어 부상(浮上) 주행에 사용되는 고온 초전도자석
JR도카이, 신뢰성에 자신

리니어중앙신칸센(이하 리니어)의 핵심 기술이라 할 수 있는 것이 초전도자석을 이용한 부상 주행이다. 냉각하면 전기 저항이 0이 되는 초전도자석을 사용해 강력한 자기장을 발생시켜 지상의 코일과의 사이에서 발생되는 반발력과 흡인력을 이용해 열차를 띄운다. JR도카이(東海)는 개통을 목표로 주행 시험을 반복하면서 초전도자석의 개량을 지속해 왔다.

JR도카이가 운행 노선에 채택하는 것을 목표로 하고 있는 것이 ‘고온 초전도자석’이다. 기존의 저온 초전도자석보다 높은 온도에서 초전도 상태가 되기 때문에 설비의 간소화와 냉각 전력 절감을 기대할 수 있다. 저온 초전도자석은 고가의 액체 헬륨(-269℃)으로 냉각해야 하지만, 고온 초전도자석에서는 이 과정이 필요 없다.

“2025년에 주행 시험의 목표 거리를 달성, 확신할 수 있는 단계에 이르렀다.” JR도카이 중앙신칸센추진본부의 고가(古賀) 소장은 리니어의 부상 주행에 사용되는 고온 초전도자석의 신뢰성에 대해 이렇게 말했다.

리니어 실용화를 위해 필요했던 것은 초전도자석 기술만이 아니었다. 고가 소장이 “마지막까지 남아 있던 기술 과제”라고 말한 것은 열차에 전력을 공급하는 방법이다. 시속 500km로 부상 주행하는 리니어에는 주변과의 접촉을 수반하는 팬터그래프나 바퀴가 없다. 열차 내부의 조명이나 공조 설비, 초전도자석의 냉각에 필요한 전력을 외부에서 공급하는 새로운 구조도 필요했다.

-- 레일과 전차선을 없애 고속 주행 --
그렇다면 왜 리니어는 초전도 석을 이용한 부상 주행이 필요한 것일까? 고가 소장에 따르면, 신칸센은 시속 500km에 달하는 고속 주행이 어렵다. 그 이유는 (1)바퀴가 레일 위를 공전해 앞으로 나아가지 못한다. (2)트롤리선(전차선)에서 팬터그래프가 분리되는 ‘이선(離線)’이 발생해 집전(集電) 효율이 떨어진다 등 여러 가지가 있다. 그래서 차량을 띄우는 방식을 채택했다.

다만, 구리선 등으로 만든 상전도(常電導)자석을 사용하면, 전기 저항에 의한 발열이 발생할 뿐만 아니라, 많은 권선이 필요하기 때문에 무거워진다. 이에 반해 초전도자석은 장시간 많은 양의 전류가 흘러도 발열을 억제할 수 있고, 큰 자기력도 얻기 쉽다. 리니어에서는 자극(磁極)이 변하지 않는 초전도자석을 차량에 탑재하고, 지상 측의 주행로인 ‘가이드웨이’에 ‘부상 안내 코일’을 설치한다. 이 부상 안내 코일과 초전도 자석 사이에 작용하는 자기력에 의해 차량이 부상하는 구조로 만들었다.

초전도자석의 코일에는 먼저 전류를 공급할 필요가 있다. 전기 저항이 0인 초전도코일의 경우, 공급된 전류는 영원히 계속 흐른다. 그 전류에 의해 강력한 자기장이 발생되는 초전도자석이 된다.

반면, 부상 안내 코일은 외부로부터의 전원 공급으로 작동하는 것이 아니다. 초전도자석이 부상 안내 코일 근처를 통과하면, 전자기 유도 원리에 의해 부상 안내 코일에 전류가 흘러 전자석이 된다. 이 전자석이 된 부상 안내 코일과 초전도자석 사이에 반발력과 흡인력이 발생해 차량이 부상한다.

가이드웨이에는 ‘추진 코일’이라는 별도의 코일도 설치되어 있다. 추진 코일은 외부로부터의 전기 공급으로 작동하며, 열차의 전진에는 이것이 사용된다. 즉, 부상 안내 코일과 추진 코일이라는 두 종류의 코일이 초전도자석과의 사이에서 반발력과 흡인력을 만들어냄으로써 부상과 주행 기능이 실현된 것이다.

-- 고온 초전도로 냉각을 간소화 --
JR도카이가 운행 노선 차량으로의 채택을 목표로 하는 것이 고온 초전도자석이다. JR도카이는 2025년 7월부터 고온 초전도자석을 전용으로 탑재한 신형 시험 차량 ‘M10’으로 주행 시험을 시작. 지금까지 고온 초전도자석과 저온 초전도자석을 이용해 주행 시험을 지속해 왔다. 점차 고온 초전도자석을 적용한 차량을 늘려 나가며 운행 노선에 대한 검증을 진행하고 있다.

고가 소장에 따르면, 고온 초전도자석을 이용한 시험은 2013년에 만든 시험 차량 ‘L0계’ 때부터 진행되어 왔다. 고온 초전도 재료로 희토류계와 비스무스계를 시험하고 있다고 한다. 고온이라고 해도 -255℃의 냉각이 필요해 저온 초전도자석에 비하면 그렇게 냉각하지 않아도 된다.

리니어에서는 초전도자석을 진공 구조의 용기에 넣어 저온을 유지한다. 소위 ‘크라이오스탯(Cryostat)’이라고 불리는 것으로, 보온병 같은 장치이다. 저온 초전도자석의 경우, 액체 헬륨과 함께 액체 질소도 냉각에 사용된다. “저온 초전도자석 전체를 액체 헬륨으로 냉각하고, 액체 질소로 그 냉각이 외부로 빠져나가지 않도록 밀봉한다”(고가 소장).

고온 초전도자석을 사용하면 이러한 냉각 메커니즘을 간소화할 수 있다. M10에서는 냉동기로 직접 코일을 냉각하는 구조를 채택했다. “정기 점검 시 액체 헬륨을 보충할 필요가 없어 지상 설비를 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 냉각에 필요한 전력도 약 10% 절감할 수 있다”(고가 소장). JR도카이가 고온 초전도자석을 운행 노선에 채택하려는 것은 바로 이러한 이유 때문이다.

고온 초전도자석이 액체 헬륨과 같은 냉매를 사용하지 않아도 되는 것은 열 대책 등의 측면에서도 의미가 있다. 초전도 분야에서는 어떤 원인에 의해 초전도 상태가 파괴되는 ‘퀜치(Quench)’라고 불리는 현상이 있다. 만약 퀜치가 발생하면 초전도자석이 제대로 기능하지 않게 되며, 최악의 경우, 주행에 지장을 초래할 위험도 있다.

퀜치의 원인은 여러 가지가 있지만, 고가 소장이 특히 강조한 것은 열과 진동의 영향이다. “그렇다고 해도 초전도 상태가 파괴될 가능성은 전혀 없다. 이를 위해서 30년 동안 시험을 실시해 왔다”라고 고가 소장은 말한다. 퀜치가 발생하지 않도록 열과 진동에 강해지도록 설계했다고 한다.

초전도 상태가 상실되면 초전도 코일의 전기 저항이 0에서 약간 커진다. 따라서 초전도 코일에 발생하는 전압을 관찰함으로써 퀜치를 검출할 수 있다고 한다. 고가 실장은 “지금까지 퀜치로 인해 발생된 전압이 검출된 적은 없다”라고 말하며 고온 초전도자석의 신뢰성에 자신감을 내비쳤다.

-- 유도전력 집전 장치로 열차에 전력을 공급 --
시속 500km로 부상 주행을 하는 리니어는 기존의 철도와 크게 다른 점이 있다. 그것은 레일과 바퀴의 접촉이나 전차선과 팬터그래프의 접촉이 없다는 점이다. 비접촉으로 열차에 전력을 공급하는 방법은 마지막까지 남아 있던 기술 과제였다.

처음에는 열차에 발전용 가스터빈을 탑재했지만, “운행 노선에서 대량의 연료를 싣고 운행하는 것은 위험하고 환경적으로도 좋지 않았다”(고가 소장). 오랜 기간 해결책을 찾지 못하고 있었지만, 2000년경부터 비접촉 전력 공급 기술이 등장하기 시작한 것이 전환점이 되었다. 스마트폰 충전에도 사용되는 이 비접촉 전력 공급 기술을 JR도카이는 리니어에 채택하기로 한 것이다.

구체적으로는 시속 500km로 약 10cm 부상하는 열차의 바닥 아래에 집전 코일을 설치. 지상 측 코일에 주파수 10킬로헤르츠(kHz) 미만의 전류를 흐르게 하여 전자기 유도로 열차 측에 전력을 전달한다. 그 전력이 열차 내부의 조명, 공조 설비, 초전도자석의 냉동기 등에 공급되는 구조이다. 초전도자석과 비접촉 전력 공급은 리니어의 부상 주행에 불가결한 기술이다.

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