高磁場用 Nb3Sn 線材開発
株式会社
1. はじめに
Nb3Sn は、上部臨界磁界（Hc2）が 4.2 K では 26
T 付近となり、10 T 以上の磁場領域で高い臨界電流密度（JC）を有することから、NMR や国際熱核融合実験炉（ITER）用などの高磁場超電導マグネット用の線材として広く使用されている。
神鋼グループは、量産に適した Nb3Sn 線材としてブロンズ法を採用し 15-16 wt%の高 Sn 濃度ブロンズ法 Nb3Sn の量産にいち早く成功した。さらにこの成果は高磁場 NMR マグネットの開発や ITER用コイル開発にも貢献している。加えて、23T 以上の磁場を発生する 1 GHz 級の超高磁場 NMR マ
グネット向け線材として TS-PIT 法線材の開発を進め、実用的な特性を満足することを示した。近年神鋼グループは、次世代の大型加速器などへの適用を目指し、従来の開発で得られた成果を活用し、分散 Sn 法 Nb3Sn の開発を行っている。開発したそれぞれの線材断面と JC を図 1、図 2 に示す。
超電導応用装置の実現においては、適用する装置に応じて、JC 、RRR（残留抵抗比）、機械的強度、交流損失などの特性を向上させた Nb3Sn 線材が開発されている。これらのうち、JC は最も基本的な特性であり、この値が向上することで、高磁場が発生できるほか、超電導マグネット自体のコンパクト化も可能となる。
JC を高くするための主な要因として、線材中のNb3Sn 相の生成量（面積比率）、結晶粒径（結晶粒界）、化学量論組成の 3 点が挙げられる。この
うち、線材断面中の超電導相面積の増大は JC 向上に直結する。例えば、ブロンズ法では Cu-Sn 合金

神戸製鋼所

技術開発本部川嶋慎也

中の Sn 濃度増加量に合わせて、線材断面中の Nb芯面積率を調整し、熱処理後の Nb3Sn 生成量を増やすことが可能である。
次に、Nb3Sn 相の結晶組織も JC に対して大きな影 響 を 及 ぼ す 。 Nb3Sn 相 の 磁 束 ピ ン 止 め 点 はNb3Sn 結晶粒界であるため、微細で等軸な結晶粒である場合に高 JC 特性が得られる。結晶粒径はNb と Sn の濃度比や熱処理条件などによって変動する。
さらに、Nb3Sn 相の組成は、特に 18 T を超える高磁場領域において JC との関係が強い。高磁場領域の JC 特性向上に関しては、Nb3Sn 相への第 3元素（Ti や Ta）の添加や化学量論組成に近づけるための高温熱処理などが実施されている。
以下、各製法についての性能を詳細に述べる。
2. ブロンズ法 Nb3Sn
高磁場化での高Jc化を図る上で、Cu-Sn(ブロンズ)合金中のSn濃度の増加、Nb3Snの臨界磁場の向上のために、Ti添加ブロンズを用いたNb3Sn線材の開発を行った。Sn濃度増加による加工性の課題に対しては、断面設計に加えて加工条件や焼鈍条件等のプロセス適正化によって対応し、高Sn 濃度Cu-Sn-Ti合金を用いたNb3Sn線材開発に成功した。
12 TのJCは750 A/mm2程度である。一方，Nb-Sn拡散反応後の母材はボイドも少なく、ほぼCuで母材面積が占める割合の大きさから、0.2 ％耐力はCu比0.3の一般的な断面構成で190 MPa程度とJC と強度のバランスが取れた線材と言える。2000 年代に は 22T 前 後 の 定 常 磁 場 を 発 生 す る-256-

図 2 Jc – B 特性
高磁場NMRマグネットの開発に貢献している 1) 。
さらに高磁場NMR用途に開発した技術を中磁場用途ブロンズ法Nb3Sn線材にも展開している。
ITER用Nb3Sn線材は、トロイダル磁場（TF）コイル用線材と中心ソレノイド（CS）コイル用線材の2種類があり、共に12T付近の磁場領域で使用される。ITER用Nb3Sn線材には15～16wt%SnのCu-Sn合金を用い、さらにJc向上のために従来のNMR用よりもNb芯を細径化してNb3Sn相の反応を促進し、熱処理条件についても最適化を行なった。4.2 K、12 TにおけるJCとしてTFコイル用：約900 A/mm2、CSコイル用：1,177 A/mm2 という、ブロンズ法としては極めて高いJC を達成している。
3. 粉末法 Nb3Sn
粉末法Nb3Sn 線材は、Nb合金チューブの内部にSn を含む粉末（純Sn、Sn 合金、Sn 化合物）を充填し、その外周にCu を配置したものを複数束ねた断面形状である。Ta-Sn粉末を用いたパウダーインチューブ法（TS-PIT法）では、Ta およびSn 粉末をモル比6：5 の割合で混合し、950 ℃、10 時間の溶融拡散熱処理を施した上で粉砕しコア粉末とし、さらにNb3Sn 生成反応を助長するCu粉末が混合する。
商業規模に近い重量50 kg クラスのTS-PIT 法
Nb3Sn 線材を製作し、量産性と全長での特性安定性を評価し、4.2 K、 18.5 T におけるJc = 295 ±10 A/mm2という結果が得られ、長手方向での特性が均一であることを実証した 2) 。また、その他の特性として残留抵抗比RRR＝289、4.2K での0.2％耐力が168 MPa であることも確認し、これらの特性はブロン ズ法Nb3Sn 線材と同等 の値であり 、TS-PIT 法 Nb3Sn線 材 が 実 用 的 な 特 性 を 満 た す ポテンシャルを持つことを実証した。

4. 分散 Sn 法 Nb3Sn
欧州原子核研究機構の計画する次々世代粒子加速器（Future Circular Collider (FCC)）マグネット
向け Nb3S ｎは、非常に高い Jc の線材が大量に使用される 3) 。そこで当社グループは内部拡散法の一種である分散 Sn 法 Nb3Sn 線材を選択した。分散 Sn 法は、Cu マトリクス中に複数の Nb 芯が埋め込み配置された Nb モジュールと Cu マトリクス中に Sn 合金が埋め込まれた Sn モジュールとを組み合わせて製作される。これまでに、Sn 拡散距離低減による拡散状況の改善、Ti 添加量の制御により、4.2 K、16 T における Jc = 1,100 A/mm2を達成し、ブロンズ法と比較して、約 3.8 倍に改善し、他社のトップクラスの線材に匹敵するレベル（Jc = 1,200 ~ 1,300 A/mm2）まで向上出来た。
FCC 仕様の 16 T で 1,500 A/mm2 に向けては、第 4、5 元素添加による Nb3Sn 結晶粒のさらなる微細化による高 JC 化に取り組んでいる。
そ の 他 の 特 性 と し て 残 留 抵 抗 比 RRR＝ 350、4.2K での 0.2％耐力は Cu 比が 0.3 で約 130 MPa であることを 確認してい る。標準的 なブロンズ 法
Nb3Sn 線材と比較し、大きく劣るため、今後の改善には Ta 補強などを検討している。
5. まとめNMR や ITER、粒子加速器など高磁場マグネットへの適用を目的として 3 種類の製法を適用した
Nb3Sn 線材の高 Jc 化開発を行ってきた。NMR 向けや ITER 向けに量産に成功しているブロンズ法
Nb3Sn に加え、ブロンズ法での Cu 中の Sn 固溶限界の問題が発生しない粉末法や分散 Sn 法でさらなる高磁場中でブロンズ法を凌駕する性能を得られることを実証した。当社グループでは、今後も超電導マグネットの高磁場化やコンパクト化の進展を支える Nb3Sn 線材の高 Jc 化を進めていきた
いと考えている。
6. 参考文献
1) T.Kiyoshi, et al.: ”Operation of 930-MHz
High-Resolution NMR Magnet at TML,” IEEETransaction on Applied Superconductivity,” 15(2005) 1330-1333
2) 財津享司ら：「Ta-Sn パウダー・イン・チューブ法(Nb,Ta)3Sn 超電導線材の開発」, 低温工学
43 (2008) 15-223) A. Ballarino and L. Bottura: “Targets for R&D on
Nb3Sn Conductor for High Energy Physics,” IEEE
Trans. Appl. Supercond. vol. 25, no. 3.

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