複合超電導体及び複合超電導体の製造方法

核融合科学研究所・教授三戸利行核融合科学研究所・教授高畑一也核融合科学研究所・准教授田村仁

研究キーワード

超電導体 , アルミニウム合金被覆 , 摩擦撹拌接合（FSW）

セールスポイント

強力な電磁力に耐えることができる補強材を複合した超電導体です。

運転時の性能を最大限に引き出し、超電導体のコスト低減も可能です。

研究概要

超電導マグネットを強磁場化、大型化すると、超電導体に巨大な力が加わります。機械的に弱い化合物超電導体（ニオブ・スズ、酸化物系など）を使う場合には、機械的に強い金属と複合化する必要が生じます。私たちは金属複合化の方法として、アルミニウム合金の補強部材を超電導体に被せ、その被覆部材を摩擦撹拌接合（FSW）によって接合する方法を、古河電気工業㈱、㈱UACJと共同で開発しました。

応用事例・使用用途など

大口径で強磁場の超電導マグネットへの応用が期待されます。例えば、超電導エネルギー貯蔵装置などの電力応用、高磁場MRIなどの医療応用、核融合、高エネルギー物理などのエネルギー応用に適しています。

研究内容

超電導体は、電力を消費することなく銅の10倍以上（単位面積当たり）の電流を流すことができ，コイル化することにより強力な磁場を発生することができるため、電力応用、医療応用、産業応用、エネルギー応用と幅広い分野で利用されています。
一方で、今後の更なる普及が期待される化合物超電導体（ニオブ・スズ、酸化物系など）は、歪みが加わることで性能が変化し、引張に対しては1％に満たない歪みで永久的ダメージを引き起こすことが知られています。超電導体をコイル化しマグネットとして使用すると、電磁力によって超電導体に引張力が加わり、性能が劣化する可能性があります。そこで、導体に機械的に強い補強部材を付加する、つまり複合化する方法が一般的に用いられます。
本研究では、補強部材にアルミニウム合金、接合方法に摩擦撹拌接合（FSW）を採用し、ニオブ・スズ超電導体を被覆することに成功しました。FSWを使うことにより、また接合部とケーブルの間に保護用の薄板を置くことにより、内部の超電導体（ケーブル）にダメージを与えることなく接合を行うことができます。これが一般的な溶接を用いた導体複合化と比較したときの大きなメリットです。また、ケーブルにダメージがないことは、実際の電流通電試験においても確認しています。
補強部材と超電導体の間には熱収縮の差があり、冷却によって歪み（熱歪み）が加わり、超電導性能が劣化します。本研究では、ケーブルをニオブ・スズ生成熱処理後にアルミニウム合金被覆することによって、熱収縮差を緩和し、性能劣化を大幅に緩和できることを見出しました。これをリアクト・アンド・ジャケット法と名付けました。さらに、ケーブルに歪みを予め加えた状態でアルミニウム合金を被覆することにより、その後の熱歪み、電磁力による歪みを制御する方法を考案しました。この方法により、最も性能が高くなる状態で運転することが可能となり、設計段階では、ニオブ・スズ超電導体の量を削減することでコスト低減を図ることができます。