전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2605호 (p61-64)

제2부: 부상 주행
고온 초전도 자석으로 리니어를 부상 주행
개통을 앞두고 신뢰성 확보

리니어 주오 신칸센의 핵심 기술은 초전도 자석을 이용한 부상(浮上) 주행이다. 그 중에서도 JR도카이가 영업 노선에 도입하려고 하는 것이 ‘고온 초전도 자석’이다. 이 자석을 전용으로 탑재한 시험 차량을 개발해 2025년 7월부터 주행 시험을 시작했다. JR도카이 관계자는 신뢰성 측면에서 충분한 성과를 확인했다고 자신감을 보였다.

리니어 주오 신칸센(이하 리니어)는 냉각하면 전기저항이 제로가 되는 초전도 자석을 이용해 강력한 자기장을 발생시키고, 지상 코일과의 사이에 발생하는 반발력과 흡인력을 활용해 열차를 공중에 띄운다. 개통을 앞두고 JR도카이는 주행 시험을 반복하면서 초전도 자석의 성능을 지속적으로 개선해 왔다.

회사가 영업 노선에 도입하려는 것은 ‘고온 초전도 자석’이다. 기존의 저온 초전도 자석보다 높은 온도에서 초전도 상태가 되기 때문에 설비 간소화와 냉각 전력 절감을 기대할 수 있다. 저온 초전도 자석은 고가의 액체 헬륨(약 -269℃)으로 냉각해야 하지만, 고온 초전도 자석은 그럴 필요가 없다.

“2025년에 주행 시험의 목표 거리를 달성했다. 이제는 실용화할 수 있는 단계까지 왔다”. JR도카이 주오신칸센추진본부 리니어개발본부의 고가(古賀) 소장은 “리니어에 사용되는 고온 초전도 자석의 신뢰성에 대해 확신을 느끼고 있다”라고 말했다.

리니어 실용화를 위해 필요한 것은 초전도 자석 기술만이 아니다. 고가 소장이 “마지막까지 남은 기술 과제”라고 말한 것은 열차에 전력을 공급하는 일이다. 시속 500km로 부양 주행하는 리니어에는 주변과 접촉하는 팬터그래프나 바퀴가 없다. 열차 내부의 조명, 공조, 초전도 자석의 냉각에 필요한 전력을 외부에서 공급하는 새로운 시스템도 필요했다.

-- 레일과 가선을 없애 고속 주행 --
애초에 리니어가 초전도 자석을 이용한 부상 방식을 채택한 이유는 무엇일까? 고가 소장에 따르면, 신칸센은 시속 500km에 달하는 고속 주행이 어렵다. 그 이유는 (1) 바퀴가 레일 위에서 공회전을 하기 때문에 추진력을 얻기 어렵고, (2) 트롤리선(가선)에서 팬터그래프가 떨어지는 ‘이선(離線)’ 현상이 발생해 집전 효율이 떨어지기 때문이다. 그래서 차량을 공중에 띄우는 방식을 채택했다.

다만 구리선 등으로 만든 기존의 상전도 자석은 전기저항에 의한 발열이 발생할 뿐만 아니라 많은 권선이 필요하기 때문에 무게가 늘어난다. 그 점에서 초전도 자석은 장시간 대전류를 흘려도 발열이 거의 없으며 강한 자기력을 쉽게 얻을 수 있다. 리니어는 자극이 변하지 않는 초전도 자석을 차량에 탑재하고, 지상 측 주행로인 ‘가이드웨이’에는 ‘부상안내코일’을 설치한다. 이 부양안내코일과 초전도 자석 사이에 작용하는 자기력으로 차량을 공중에 띄우는 구조다.

초전도 자석 코일에는 먼저 전류를 흘려주어야 한다. 전기저항이 제로인 초전도 코일에서는 공급된 전류는 영구히 계속해서 흐른다. 그 전류가 강력한 자기장을 발생시키는 초전도 자석이 된다.

반면 부상안내코일은 외부 전원을 공급받아 작동하는 장치가 아니다. 초전도 자석이 부상안내코일 부근을 통과하면, 전자기 유도 원리에 따라 부상안내코일에 전류가 흐르고, 전자석이 된다. 이 전자석이 된 부상안내코일과 초전도 자석 사이에 반발력과 흡인력이 발생하면서 차량이 떠오르게 된다.

또한 가이드웨이에는 ‘추진코일’이라는 별도의 코일도 설치되어 있다. 추진코일은 외부 전원을 공급받아 작동하는 장치로, 차량을 전진시키는 역할을 한다. 즉, 부상안내코일과 추진코일이라는 2종류의 코일이 초전도 자석과의 사이에 반발력과 흡인력을 발생시킴으로써 부상과 주행 기능을 실현한다.

-- 고온 초전도로 냉각을 간소화 --
JR도카이가 영업 노선 차량에 도입하려는 것은 고온 초전도 자석이다. JR도카이는 2025년 7월부터 고온 초전도 자석을 전용 탑재하는 신형 시험 차량 ‘M10’으로 주행 시험을 시작했다. 지금까지 고온 초전도 자석과 저온 초전도 자석 모두를 이용해 주행 시험을 지속해 왔다. 점차 고온 초전도 자석을 적용하는 차량을 늘려가면서 영업 운행을 위한 검증을 진행하고 있다.

고가 소장에 따르면, 고온 초전도 자석을 이용한 시험은 2013년에 등장한 시험 차량 ‘L0계’ 시절부터 계속되어 왔다. 고온 초전도 재료로서 일반적인 희토류계와 비스무트계를 모두 시험하고 있다고 한다. 물론 고온이라고 해도 -255℃까지 냉각해야 한다. 즉, 저온 초전도 자석 수준까지 냉각하지 않아도 된다는 의미다.

리니어에서는 초전도 자석을 진공 구조의 용기에 넣어 저온을 유지하고 있다. 이른바 ‘크라이오스탯(Cryostat)’이라 불리는 것으로, 비유하자면 보온병 같은 장치다. 저온 초전도 자석은 액체 헬륨뿐 아니라 액체 질소도 냉각에 사용한다. “저온 초전도 자석 전체를 액체 헬륨으로 냉각하고, 액체 질소로 그 냉각이 외부로 빠져나가지 않도록 밀봉하고 있다”(고가 소장).

고온 초전도 자석을 사용하면 이러한 냉각 메커니즘을 간소화할 수 있다. M10은 냉동기에서 직접 코일을 냉각하는 방식을 채택했다. “정기 유지보수 시 액체 헬륨을 보충할 필요가 없기 때문에 지상 설비를 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 냉각에 필요한 전력도 약 10% 절감할 수 있다”(고가 소장). 이러한 이유 때문에 JR도카이는 영업 노선에 고온 초전도 자석을 채택하려는 것이다.

고온 초전도 자석은 액체 헬륨과 같은 냉매를 사용하지 않아도 되기 때문에 열 관리 측면에서도 의미가 있다고 한다. 초전도 분야에서는 어떤 원인으로 초전도 상태가 붕괴되는 ‘퀜치(Quench)’라는 현상이 잘 알려져 있다. 만약 퀜치가 발생하면 초전도 자석이 제대로 작동하지 않게 되고, 최악의 경우 주행에 지장을 미칠 수도 있다.

퀜치의 원인은 다양하지만, 고가 소장은 특히 열과 진동의 영향을 언급했다. 그러면서도 고가 소장은 “초전도 상태가 무너질 가능성은 전혀 없다. 이를 확인하기 위해 30년 동안 시험을 계속해 왔다”라고 말한다. 퀜치가 발생하지 않도록 열과 진동에 강하도록 설계했다고 한다.

초전도 상태가 상실되면 초전도 코일의 전기저항이 제로에서 약간 커진다. 때문에 초전도 코일에 발생하는 전압을 측정하면 퀜치를 검출할 수 있다고 한다. 다만 고가 소장은 "지금까지 퀜치로 인해 발생한 전압을 검출한 적은 한 번도 없다"라고 말하며 고온 초전도 자석의 높은 신뢰성을 강조했다.

-- 유도 집전으로 열차에 전력 공급 --
시속 500km로 부상 주행하는 리니어는 기존 철도와 크게 다른 점이 있다. 바로 레일과 바퀴의 접촉도, 가선과 팬터그라프의 접촉도 없다는 점이다. 비접촉으로 열차에 전력을 공급하는 방법은 마지막까지 남아 있는 기술 과제였다.

처음에는 열차에 발전용 가스터빈을 탑재하기도 했다. 그러나 고가 소장은 “영업 노선에서 대량의 연료를 싣고 운행하는 것은 위험하고 환경적으로도 좋지 않았다”라고 말한다. 오랫동안 해결책을 찾지 못했지만, 2000년경부터 비접촉 급전 기술이 등장하면서 상황이 바뀌었다. 스마트폰 충전에도 사용되는 이 기술을 JR도카이가 리니어에 적용하기로 했다.

구체적으로는 시속 500km로 약 10cm 부상하는 열차의 하부에 집전코일을 설치한다. 지상 코일에는 주파수 10kHz 미만의 전류를 흘리고, 전자기 유도를 통해 열차 측으로 전력을 전달한다. 이렇게 전달된 전력은 열차 내 조명과 공조설비, 초전도 자석의 냉동기 등에 공급된다. 초전도 자석과 비접촉 급전은 리니어의 부상 주행을 실현하는 데 없어서는 안 되는 기술이다.

 -- 끝 --

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닛케이 일렉트로닉스_2605호 목차

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