SUPERCONDUCTIVITY COMMUNICATIONS, Vol.21, No3 June, 2012
＜会議報告＞
24th International Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference 2012 [ICEC24 - ICMC2012]
(2012/5/14~18 ＠福岡国際会議場：主催、公益社団法人 低温工学・超電導学会 )
【 Bi 系】
Bi 系超伝導体に関する発表は、口頭で 3 件、ポスターで約 10 件であった。
住友電工社の菊地らは、 Bi 系超伝導線材、 DI-BSCCO の最近の研究開発状況について報告した。ラミネート加工の採用によりラミネート厚さ 100 m m の線材において最大で 500 MPa を超える臨界張力を得られたという。また、ポストアニール過程の改善により、 77 K 、自己磁場下での I c ×線材長 L 値が過去最高の 375 kAm に達したと報告した。加えて、微細組織観察から有効な電流パスは Bi2223 Ag 界面の薄い層に限られていることを突き止め、 300 A 級線材の開発には 1 次焼成段階でこの層を 20% ほど厚くする必要があると述べていた。住友電工の畳谷らは、大阪での超伝導ケーブル実施試験について報告した。今回は、実物長の線材での輸送特性の評価を報告しており、冷却過程や電圧試験に問題はなかった。さらに臨界電流測定においては 60 A 級線材を束ねた 11 芯および 17 芯のいずれのケーブルでも芯の I c の合計を上回る、 1.06 倍ほどの I c ( それぞれ 750 A 、 1130 A) が得られた。これは、線材の周囲の自己磁場が束ねる場合と束ねない場合で異なることに起因すると説明した。また、九大の波多らは、 CT-OP 法により作製された銀シース Bi2223 多芯線材を SEM や TEM 、 STEM 、により観察し分析した。観察から、 Bi2223 結晶粒は [001] 方向に 20° に収まる範囲で強く配向していたことが分かった他、銀界面とフィラメント中心で不純物相や組織の配向が大きく異なることが判明した。 ab 面方向にほとんど配向していないが、銀界面付近の [100] マトリクスと比べてフィラメント中心の [110] マトリクスは不純物相を多く含む上連続した Cu-O 層が短く、 [100] 方向への配向が高 I c 化に繋がる可能性を示唆していると結論づけた。
ポスター発表では、九大の梶原らが、アニールにより STO 単結晶 [100] 基盤上 Bi(Pb)2223 薄膜の微細組織が改善したことを報告した。 Bi(Pb)2223 バルク内でアニールを行った後の試料は T c が 72 K から 105 K まで上昇し、微細組織観察から Bi(Pb)2223 相の分率も 50% から 80% にまで上昇したことを報告した。また、 NIMS の松本らも同様の Bi(Pb)2223 薄膜について、アニール後の試料で Bi(Pb)2223 のほぼ単相でかつ二軸配向した組織が得られ、 77 K での J c が 3.3 × 10 5 A cm -2 に達したと報告した。この試料は J c -B 測定から非常に高い異方性を持つことが分かったという。豊橋技術科学大の稲田らは、フィラメント内に酸化物バリアを導入することで低交流損失 Bi2223 線材を開発したことを報告した。報告では、 SrZrO 3 と Bi2212 の混合物の導入により、 77 K 、自己磁場下において J c が 16-20 kA cm -2 、 f c ( カップリング周波数 ) が 260-270 Hz に達したと述べた。鳥取大の田中らは、 Bi2212 ウィスカーに対して Sr サイトを 30% まで Ca で置換することで 2 次元格子欠陥が生じ、 40 K 、自己磁場下での J c が 2.0 × 10 5 A cm - 2 に達すると報告した。東北大の大野らは Bi2223 の tri-axial 超伝導ケーブルの課題であった不均衡な電流を、ねじれ角の制御により無視できる程度まで抑えることができたことを報告した。 ( 東京大学 田島 諒介 )
【 RE123 線材】
RE123 線材の作製に関しては、超伝導層製膜プロセスとして PLD 法を用いるグループと MOD 法を用いるグループが多数を占めている。本稿では、 PLD 法と MOD 法について幾つかの発表を紹介する。
PLD 法では、住友電工の Ohmatsu らが日本の国家プロジェクト内における最近の住友電工の Gd123 大電流ケーブルの開発状況について報告した。 5 kA, 66 kV の低交流損失 3-in-One の 15 m モデルケーブルに必要な 120 A (4 mm w ) を超える I c を示す Gd123 線材の歩留りが 55% に達し、モデルケーブルへの薄膜線材の供給が 2012 年 6 月中旬にも達成される見通しが示された。ピン止め中心に関する発表も多数あった。 Gd123 薄膜への BaHfO 3 の添加では、九工大の Nagamizu らが BaZrO 3 添加に比べて T c の低下が小さく高磁場での J c がより向上すること、九州大の Sakakibara らが J c の異方性が BaHfO 3 添加により大きく改善することを報告した。 BaHfO 3 は RE123 とのミスフィットが小さく微細なナノロッドが得られることから、今後も盛んに研究されるだろう。 BaSnO 3 を添加した Y123 と Y 2 O 3 を添加した Y123 薄膜を交互に積層する研究では、広島大の Mele らは BaSnO 3 添加層と Y 2 O 3 添加層の膜厚を制御することで J c の異方性を調整できること、九工大の Matsumoto らは Y 2 O 3 の添加が B irr ( B // c ) の向上には寄与しないものの J c の異方性を大きく改善させることを報告した。また、名古屋大の Ichino らは、膜中の組成を連続的に変えることができる Combinatorial-PLD 法が、 BaSnO 3 添加量の最適化に有効な手法であることを報告した。この手法は人工ピン止め中心の探索において今後も注目される作製手法であろう。
TFA-MOD 法では、特性を向上させる中間熱処理に関する研究が多く発表された。ファインセラミックスセンターの Kato らは、 TEM による観察から YGd123 薄膜における中間熱処理が BaZrO 3 ナノ粒子の微細化および YGd123 の高密度化に有効であることを報告した。 ISTEC の Takagi らは、中間熱処理を行わない場合には低融点の BaF 2 -YF 3 (BYF) が残存し、結晶化の際に部分溶融した BYF が原因となって大きな BaF 2 が生じ、 J c 低下の原因となっていることを報告した。多芯化による交流損失の低減に取り組んでいる ISTEC の片山らは、中間熱処理により空隙が低減することによって多芯化後の剥離強度が向上し、 PLD 法と同程度の 30 MPa 以上まで達したことを報告した。今後さらに剥離強度を向上させるためには、空隙の低減以外の手法に取り組むべきだろう。一方、東京大の Ishiwata らはフッ素フリー MOD 法において、 1 min という短時間の焼成により 2 MA/cm 2 を超える高 J c の Y123 薄膜が得られたことを報告した。微量 Ga 添加や希土類混合を行った場合にも結晶性の高い薄膜が得られており、今後はピン止め中心の導入による高 J c 化と厚膜化が望まれる。( 東京大学 石渡 悠人 )
【 RE123 コイル】
ICEC24-ICMC2012 の講演、発表から RE123 系コイル関連の報告をする。まず、 Plenary Talk では、 Prof. David C. Larbalestier (NHMFL, Florida State University, USA) が ”Conductor for Very High Field Magnets” と題して、 Magnet 応用の視点から求められる線材について講演した。既に多くの研究者が挙げていることだが、 RE123 線材は、線材長手方向の引張り応力に強いこと、不可逆磁場が高いこと、 J c が高いことからマグネット応用に適した線材であることを改めて指摘した。また、 J c 向上の競争が行われているが、応用上重要なことは J e の向上であり、その点でも運転温度 4~50 K では RE123 線材は既に NbTi に遜色ない性能があることを紹介した。その上で、 RE123 コイルは NbTi を超える 35 T( 自己磁場 15 T 、外部 LTS マグネット 24 T) の運転実績があることを報告した。 RE123 線材はテープ線だが、マグネット応用ではやはり丸線が扱いやすため、 Bi2212 線材も魅力的な線材であり、高磁場マグネット応用には、 RE123 線材と Bi2212 線材が適用可能であろうと述べた。最後に Summary で ”The long incubation period of HTS is over…” と述べ、 RE123 線材開発は十分に長い時間をかけてきており、線材性能もこれまで述べたようにマグネット応用に耐えるものもあり、研究の重心をマグネット応用に移すときであると総括した。
RE123 線材はコイルにした場合、エポキシ含浸を施すと冷却時に線材内で剥離が起こり、劣化することが報告されている。 K. Mizuno( 鉄道総研 ) は、エポキシ含浸では 3MPa の応力で剥離する可能性があるため、含浸材としてシアノアクリレート系接着剤 ( 瞬間接着剤 ) を使うことを提案した。シアノアクリレート系接着剤はエポキシよりも接着力が数倍弱いため、線材にダメージを与える前に線材間の接着面が剥がれ、劣化を防ぐことができることをモデルコイルで実証した。 M. Ogata( 鉄道総研 ) は、シアノアクリレート系接着剤やパラフィンで含浸したダブルパンケーキコイル ( 線材： SuperPower 、内径 50mm 、 336 turns × 2) を 10 個製作した。今後は、それらを積層し、伝導冷却 50 K で 5 T の磁場発生を確認する予定とのことである。
S. W. Yoon (SuNAM 、 Korea) は、線材間の絶縁をしないコイルの報告を行った。 22 個のターン間絶縁なしのダブルパンケーキコイル ( 内径 140mm 、 110 turns/pancake) を重ね、ボア 10mm に 3 T を発生させる。今回は 1 つのダブルパンケーキコイルの励磁試験結果を報告した。電流の励磁パターンに比べ、磁場は遅れて発生し、電流を一定値にしても磁場が安定するまで 600 秒ほど時間がかかったが、安定後、所望の磁場が発生していることを確認した。線材間の絶縁をしないコイルについては、 D. Uglietti (EPFL-CRPP, PSI, Switzerland) も報告を行った。こちらは、パンケーキ巻 (50 layers × 1 turns) とレイヤー巻 (18 layers × 27 turns) のコイルを用意し、磁場が安定するまでの時定数を調べた。レイヤー巻よりもパンケーキ巻の方が時定数は短く、 screening current も小さいという結果を得た。ただし、コイルのアスペクト比が異なるため ( テープ面垂直磁場も異なるため ) 、一概に比較できないのではという指摘もあった。
RE123 コイルを高磁場化した際の課題が電磁力である。マグネット設計では、線材強度と BJR で設計限界が決まるが、 T. Watanabe( 中部電力 ) は、巻線支持構造に工夫を施した YBCO コイルが外部磁場を印加した状態の BJR で 1.7 GPa に相当する環境に耐えたことを報告した。 YBCO 線材は引っ張り応力 600MPa で劣化することが報告されているが、これを大幅に更新する結果である。電磁力を支持構造で分担することで、線材自身に加わる電磁応力が大幅に軽減しているものと考えられる。
以上、 RE123 コイル応用では、 RE123 線材で指摘されていた弱点・課題をコイル化の際の工夫で克服・解決し、本来の線材性能を発揮できるコイルの製作の報告が出てきた。今後の展開が期待される。( 大阪大学 植田 浩史 )
【 A15 線材】
Thoener (Bruker EAS) は ITER ( 国際熱核融合実験炉 ) トロイダル磁場 (TF) コイル用 Nb 3 Sn 線材開発および PIT ( パウダー・イン・チューブ ) 法 Nb 3 Sn 線材開発について述べた。 ITER-TF コイル用 Nb 3 Sn はブロンズ法であり、直径約 3 μm のフィラメント 8,305 本からなる直径 0.82 mm の線材を 38 トン (380 ビレット ) 供給する。製造は現時点で 90% 完了しているとのこと。 I c のビレット間ばらつきは ±5% 以内であり、他メーカーの 10% に対して半分である。一方、 PIT 法線材については、フィラメント形状を六角形ではなく丸形にすることで Sn リークによる Cu 汚染を抑制し、高 J c かつ高 RRR を実現した。六角形フィラメント線の non-Cu J c は 2,257 A/mm 2 at 12 T, 4.2 K であるのに対して丸形フィラメント線は 2,539 A/mm 2 である。丸形芯のスタック法については企業秘密とのことであった。
Ohata (Hitachi Cable) は内部 Sn 法 Nb 3 Sn 線材開発について報告した。新規に設計された断面形状ということで、 Nb-1%Ta フィラメントと Sn-Ti フィラメント ( いずれも Cu マトリクス ) が交互に配置されている。 100 m 級、 1 km 級、 10km 級と長尺化が進められており、現在フィラメント数 1,261 本、直径 1.31 mm 、 Cu 比 0.67 の線材で単長 5 km で non-Cu J c =345 A/mm 2 (@18 T, 4.2 K) を達成している。また、 1 km 級線材では 150 本の Ta フィラメントを含む 673 フィラメント、直径 1.33 mm 、 Cu 比 0.53 の高強度線材を開発したと報告した。
Kikuchi (NIMS) は高 Sn 濃度ブロンズ法線材開発について報告した。水田式製法により Ti を添加し、 Cu-Sn-Ti 相を作ることで d 相を抑制し、 Sn 濃度 18.5 mass% でも加工性に優れたブロンズ開発に成功した。このブロンズを用いた Nb 3 Sn 線材は 12 T, 4.2 K で超伝導層 J c = 2800 A/mm 2 を示した (16%Sn ブロンズの場合超伝導層 J c = 2000 A/mm 2 ) 。現在 ITER タイプの線材開発にも取り組んでいるとのことで、高 J c かつ高不可逆歪の Nb 3 Sn 線材が期待される。
Takeuchi (NIMS) は RHQT 法 Nb 3 Al 線材におけるフィラメントバリアについて報告した。これまで、 Nb バリア線材ではフラックスジャンプが発生し、不安定であった。 Ta バリア線材では 4.2 K でのフラックスジャンプは抑制できるものの冷間加工性が悪いという問題があった。さらに 1.8 K では、 Ta バリアであっても小さいフラックスジャンプが観測されていた。 Cu 層を Ta バリア間に挿入 ( フィラメント -Ta-Cu-Ta- フィラメント ) することで加工時のクラック伝播が抑制され、冷間加工性が向上するとともに、フィラメント結合を抑制され、磁気的安定性も顕著に向上した。 ( 物質・材料研究機構 西島 元 )
RE123 バルク】
RE123 バルクに関して、招待講演 1 件、ポスター発表 7 件の報告があった。ポスター発表は、 Other Topics のセッションで 2 件、 Power Applications のセッションで 5 件の報告があった。また大阪大学の Nishijima 氏が Power Applications のセッションで招待講演を行った。
発表タイトルに RE123 Bulk を用いることを強調せずに、アプリケーションの一部として使用している例が 8 件あり、近年 RE123 バルクの応用機器の検討・開発の進展を感じるタイトル構成であった。一方で、タイトルに "Bulk" を含むものは全部で 12 件あったが、 MgB 2 関係が 8 件あり、 RE123 関係は 4 件しかなく、"Bulk"と言えば MgB 2 と言われてしまうのではないかという悲しい状況であった。新人のデビューが待ち遠しい今日この頃である
新日鐵 ( 株 ) の Teshima らは 150 mm f の Gd123 バルクの作製・評価の報告を行った。試料は RE 元素組成勾配法を用い、中心部の組成を Gd123 100%(Dy123 0%) とし、外側の同心円状部分に Dy123 を 5, 10, 15, 20% と添加し、全部で 5 段階の組成勾配で作製を行った。この手法は大型化で問題になる、外周ほど過冷度が大きくなってしまう欠点を、その部分の融点を下げることで克服する手法である。この手法は組成を変える境界において成長速度が変化するため、溶融凝固終了後には組成境界面がくっきりと見えるようになるが、 Young 率 (~143 GPa@77 K) 、曲げ強度 (~110 MPa@77 K) とも組成境界の有無によらずほぼ一定であり、この手法の有効性が示されていた。なお、この手法で作製した 150 mm f の Gd123 バルク体の捕捉磁場は 0.7~0.85 T(@87 K) であり、最も低い 0.7 T(@87 K) の試料でも 液体窒素温度では 2.9 T(@77 K) の捕捉磁場を有していた。
秋田大の Futamura らは高温超電導バルク浮上系の振動へ与える磁性流体の影響について報告を行った。高温超電導バルク浮上機構では RE123 バルク体と永久磁石の組み合わせが用いられるが、永久磁石に磁性流体をつけることで、磁性流体の流動性により時間経過とともに減衰が起こることを実験的に明らかにした。
新潟大の Kawasaki らは RE123 バルク体を用いた永久磁石、モータの着磁の実験と電磁解析の結果の報告を行った。冷凍機で冷却した RE123 バルク体の ” 強力磁石 ” としての性質を利用したもので、クライオスタット表面 ( バルク体表面から 3 mm) で 3 T ある RE123 バルク体を用い、 3 mm ギャップ ( バルク体表面から 6 mm) でのモータの着磁に成功しただけでなく、 6 極モータの 1 極のみ着磁できていることを電磁解析からも示した。
九工大の Takahashi らはフライホイールの固定子としての上部に永久磁石軸受、下部に Y123 超電導バルク軸受を用いるシステムにおいて、位置決め用の永久磁石軸受を 1 つ追加することにより振動の低減に繋がることを報告した。また、九工大の Subkhan らはダンパー内蔵磁石軸受を用いることにより振動の低減に繋がることを報告した。
NIMS の Zhang らは Gd123 バルク体を用いた磁気レンズの報告を行った。内側面を 12 mm f とあまり絞らなくても、 ( 外部磁場 [T] , 中心部磁場 [T], 温度 [K])=(3, 6.11, 4.2), (8, 12.4, 20), (8, 11.5, 30), (1, 1.45, 77) といった大きな磁束集中効果が得られることを報告した。
東北大の Katana らは磁気浮上型超電導免震装置において、静止安定浮上を担う永久磁石間のギャップを 15 mm にすることで、 ( 振幅 [mm], 周波数 [Hz])=(30, 1.5), (30, 0.5), (10, 0.5) の条件で免震効果が得られたことを報告した。
大阪大学の Nishijima 氏は超電導バルク磁石を用いた資源回収について報告した。これは RE123 バルク体の ” 高磁場勾配 ” という性質を利用したもので、まず磁気力 ( F ) が、 F ∝ c B (d B / d r ) となるのを用い、 磁化率の大きな物質を分離し ( 高勾配磁気分離法 , Ｘ＞ 10 -5 ) 、次により常磁性の大きな物質を溶媒とし、物 質ごとに重力、浮力、磁気力のバランスで決まる浮上位置が異なることを利用し ( 磁気アルキメデス浮上 ) 、分離を行う ( 磁気アルキメデス分離 , Ｘ＜10 -5 ) 。これらを組み合わせて用いることにより、常磁性や反磁性の物質でも選択的に分離できることを CeO 2 や蛍光物質などの実例を挙げながら報告した。 ( 鉄道総研 石原 篤 )