これまで、 TFA-MOD ( トリフルオロ酢酸塩・有機酸塩塗布熱分解 ) 法を用いたイットリウム系超電導線材の開発を進めてきた。現在までに、 1 cm 幅換算で 300 A 以上の臨界電流 ( I c ) 値をもった、長さ 500 m のイットリウム系超電導線材の開発に成功し、その後、線材の実用化に向けた研究開発を進めている。
　 実用化に向けた開発として、 長尺安定製造技術の確立、製造コストの低減に加え、磁場中特性の向上を目的とした工ピンニングセンターを導入させた線材 についても開発を行っている。特に、非超電導体であるナノ粒子を超電導層内に分散させ、人工ピンニングセンターとして機能させた線材を「 nPAD-YBCO TM (nano-Particle Artificial-pinning-center Distributed YBCO) 」と称し、商品展開を図っている。

図 1 に TFA-MOD 線材の外観及び線材構造模式図を示す。本線材は、厚さ 0.1 mm の高強度金属である Hastelloy TM テープ上に、 IBAD ( Ion-Beam-Assisted Deposition) 法及びスパッタリング法等を用いて、 MgO や CeO 2 等の中間層を成膜し、さらに超電導層である YBa 2 Cu 3 O y (YBCO) 、安定化層である Ag を成膜した構造をとっている。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　図 1 TFA-MOD 線材の外観及び線材構造模式図

 

　TFA-MOD 法は、イットリウム系超電導体を構成する金属塩を有機溶剤に溶解し、その溶液を金属基板上に塗布し、仮焼、本焼工程を経て作製される。開発が進められている TFA-MOD 線材 は、図 2 に示すように、仮焼工程にはリールからリールに巻き取りながら、塗布・仮焼を連続的に行う Reel-to-reel 法を用い、本焼工程には過去に開発を行っていた Bi 系線材の開発で蓄積されたノウハウを活かし、一括焼成可能な電熱バッチ式一括処理プロセスを用いており、おおよそ 2 日間で本焼工程が完了することが特徴である。また、 nPAD-YBCO TM も同様の製法をとっており、原料溶液中に Zr 塩を、超電導体を構成する金属塩とともに有機溶剤に溶解した溶液を用い、塗布・仮焼後、本焼工程において人工ピンニングセンターとなる BaZrO 3 (BZO) ナノ粒子が超電導層 (Y 0.77 Gd 0.23 Ba 2 Cu 3 O y ) 内に均一分散された形をとっている。
　 現在、用途に合わせた線材を提供するため、 YBCO 線材及び nPAD-YBCO TM の 2 種類の線材に関し、販売価格等を考慮した商品開発を進めている。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図 2 TFA-MOD 線材作製方法

 

nPAD-YBCO TM は、 BZO ナノ粒子の均一分散の効果により、磁場中における I c 値が向上することに加え、印加磁場角度依存性についても抑制される。図 3 に印加磁場 3 T 中における nPAD-YBCO TM の印加磁場角度依存性を示す。 ● 及び ▲ は、 nPAD-YBCO TM 、 ○ は、 BZO を導入していない線材の特性を示す。図から、 77 K 中における nPAD-YBCO TM は、 BZO を導入していない線材と比較すると、飛躍的に磁場中の特性が向上していることが判る。印加磁場角度依存性についても改善され、テープ面に対し垂直方向より磁場を印加した場合において、 50 A/cm-width 以上の I c が得られている。また、 65 K 、 3 T 中においては、 4 倍の 200 A/cm-width 以上の I c が得られている。 nPAD-YBCO TM の 長尺化については、 100 m 程度まで開発が進んでおり、図 4 に示すような特性が得られている。本 I c は、電圧端子間距離 1500 mm で測定を行い、電圧基準 0.5 m V/cm で定義した。図 4 は、自己磁場中における I c 分布であり、最低値で I c = 400 A/cm-width が得られており、この位置での 77 K 、 3 T 中での I c 値は 50 A/cm-width であった。
　 上述のような長尺特性が得られているが、均一性に関して、尚、改善が必要である。現在、均一性の向上に加え、特性向上、更なる長尺化について開発を進めている。

 

図 3 nPAD-YBCO TM の印加磁場角度依存性

 

図 4 100 m 級 nPad-YBCO TM の I c 分布

 

　これまで、イットリウム系超電導線材について述べたが、今回開発に成功した nPAD-YBCO TM を応用した超電導電流リードについて述べる。これまで、図 5 に示す、 Bi 系超電導バルクを用いた電流リードの開発及び商品化を行っており、千本以上の販売実績を持っている。しかしながら、超電導体がバルク体であるため、サイズに制限を持つことに加え、曲げなどの応力に弱いこと、磁場環境下での使用においては、 Bi 系超電導体を用いていることから、設置環境に制限が生じるなど、普及には課題があった。 n PAD-YBCO TM の開発を機に、超電導電流リードへの応用を検討し、図 6 に示すような nPAD-YBCO TM 超電導電流リードの開発に成功した。表 1 に各種 nPAD-YBCO TM 超電導電流リードの仕様を示す。
　 nPAD-YBCO TM 超電導電流リードは、磁場中特性に優れた nPAD-YBCO TM を超電導部に使用することで、普及への課題が克服されたものである。当初、 YBCO 線材を用いた超電導電流リードの開発を行っていたが、磁場中特性が壁となり、線材を大量に必要とし、低熱侵入の実現が非常に困難であった。それに対し、 nPAD-YBCO TM は、磁場中特性に優れることから、使用される線材量を少量に出来るため、表 1 のような低熱侵入量設計が実現可能となった。今後、 nPAD-YBCO TM 超電導電流リードの普及・販売について努めていく。

 

 

 

図 5 Bi 系超電導電流リード外観　

 

 

図 6 nPAD-YBCO TM 超電導電流リード外観

 

表 1 nPAD-YBCO TM 電流リード の仕様

項目	YPL �@	YPL �A	YPL �B
定格電流 (A) [@77K, Self field]	250	500	1,500
熱侵入量 (W) [77K-4.2K]	0.02	0.05	0.11
サイズ (mm)	220 L ×9 w ×16 ｔ	220 L ×16 w ×16 t	220 L ×23 w ×16 t

本研究の一部は、「イットリウム系超電導電力機器技術開発」の一環として、新エネルギー産業技術総合開発機構 ( NEDO ) からの委託を受け実施したものである。　　　　　　　　　　　　 ( てるて姫 )