RE 系 (RE ： Y または希土類元素 ) 高温超電導バルクには、�@磁場中での大電流通電、�A制御フリーでの安定浮上、�Bコンパクトな強磁場という優れた応用的特長があり、その特長を生かしたユニークな応用開発が様々な分野で進んでいる。
　特に、低温工学・超電導学会論文賞が 2 年連続でバルク応用に関するもの (2012 年：理研・イムラ材料開発研・ ISTEC ・ JEOL の「バルク超電導体を用いた小型無冷媒磁石の NMR 応用」、 2013 年：日立製作所の「手のひらサイズの超小型超電導バルク磁石の開発」 ) であったことからも分かるように、この数年間でバルク応用開発が再び注目を集めるようになった。これらのバルク応用開発を加速するために、新日鉄住金では、高性能な RE 系バルク材 ( 商標 QMGR) を研究所から有償サンプルとして社外の研究機関に提供し、応用開発と連携した材料開発を行っている。
　 QMGR は、単結晶状の 123 相中に 211 相が微細分散した材料組織を有し、高磁場中においても高い J c を有するため、着磁工程を経て、超強力な磁場を発生する永久磁石的な応用が提案・検討されている。比較的簡便な着磁方法としてパルス着磁法があるが、超電導状態で高密度の磁束を入れるために大きな熱が発生する。そのため超電導特性の不均一が増幅され、均一に高密度の磁束を着磁することが難しかった。この問題を解決するために、 2013 年度春季低温工学・超電導学会にて森田ら (1C-a05) は、図 1 のような多重リング構造のバルク磁石を提案した。この多重リング構造のバルク磁石は、パルス着磁特性の改善を目的に考案されたものであったが、バルク内部の超電導電流を周方向に限定する機能を有しているので、磁場均一性の要求が非常に厳しいバルク NMR 応用に対しても磁場均一性を一層改善する効果が期待される。
　 卓上型 NMR/MRI を始め、医療用超小型強力磁石、磁気的薬剤搬送システム、船舶用モータ、風力・潮流用発電機、磁気分離、マグネトロンスパッタ、アンジュレータなど多くのバルク磁石応用では、バルクは 30-50 K に冷却されて使用される。一方、バルクの捕捉磁場特性については、液体窒素中 (77 K) で評価されることが多い。これまで 77 K で最適化したバルクはより低温でも高い捕捉磁場特性を有するものと考えられていたが、 2013 年度秋季低温工学・超電導学会にて手嶋ら (3C-a06) は、図 2 のように 77 K と 60 K 以下の温度領域では捕捉磁場特性が逆転する場合があるという実験結果を初めて報告した。このことは、バルク応用が想定される温度領域 (30-50 K) でピン止め点を最適化する必要があることを示唆するものである。新日鉄住金の手嶋主幹研究員によると、「ピン止め点の最適化にはミクロ的な視点も不可欠であるが、 SQUID 試験片の 1 mm 程度のサイズで最適化を実現するだけでは不十分で、実用サイズのバルクで実現する必要がある。そのためには、ミクロ的なピン止め点の最適化をマクロ的な結晶成長制御と高度に両立させることが重要な課題であり、材料開発の難しい点でもある」とのこと。現在、バルクの材料開発は高度な水準まで進んでいるが、学術的にも応用的にもまだまだ興味深い点や研究課題を多く残していると言える。
　 磁石以外のバルク応用としては、鉄道総研らのグループが 2013 年度秋季低温工学・超電導学会で紹介した超電導フライホール蓄電装置 (3C-p03) が有望である。 RE 系バルクと RE 系線材コイルから構成された世界最強クラスの超電導軸受を採用しているこの装置は、 2015 年度から山梨県米倉山の 10 MW 太陽光発電所にて系統安定化実証試験が行われる計画であり、実用化に向けて大きく期待されるプロジェクトである。超電導軸受の浮上力はバルクサイズに比例するが、鉄道総研らのグループは直径 140 mm の大型バルクを用いて荷重 20 kN で非接触回転試験にも成功している (2013 年度春季： 2A-a05) 。このような大型バルクでは、結晶成長中の試料端部の過冷度も大きくなるために多結晶化しやすいという問題が顕著になる。この問題を解決するため、新日鉄住金では RE サイト元素による溶融温度 ( 包晶温度 ) の違いを利用して結晶成長中の過冷度を低下させる RE 元素組成勾配法を開発し、直径 150 mm 級大型バルクの単結晶化にも成功している。
　 また、 別の応用例として電流リードがある。電流リードは超電導コイル利用機器の冷却効率を左右するキー部品であり、 Bi 系に比べて J c - B 特性の優れた RE 系バルクは電流リードに理想的な材料である。電流リード用途では、侵入熱を抑制するため低熱伝導性が要求されるため、新日鉄住金では RE 系バルクの中でも熱伝導率が低い Dy 系バルクを用いた QMG R 電流リードを開発している。磁場に強い RE 系バルク電流リードは現在までに多くの使用実績を蓄積しており、もしかすると読者の研究室にある超電導マグネットにも採用されているかもしれない。
　 上述したように、 RE 系バルクの特長を生かしたユニークな応用開発が様々な分野で進み、それと共にバルクの材料技術・性能も着実に進展している。 2014 年は、これらのバルク応用が実用化に向け大きく前進する年になることを期待したい。さらに、超電導はエネルギー・環境分野での貢献が期待されているが、この分野でも新たなバルク応用が発展することを祈念したい。 (QMG 太郎 )

 

図 1 　多重リング構造のバルク磁石の外観写真

 

 

図 2 Gd 系 f 46 mm 級バルクの捕捉磁場特性の温度依存性の測定例