〈一般研究課題〉 再生可能エネルギーの高効率利用に向けた
高温超電導ケーブルに関する研究
助 成 研 究 者

名古屋大学

土屋雄司

再生可能エネルギーの高効率利用に向けた
高温超電導ケーブルに関する研究
土屋 雄司（名古屋大学）

Research on high-temperature superconducting cables
For highly efficient use of renewable energy
Yuji Tsuchiya(Nagoya University)

Abstract：
In recent years, development of the renewable energy has been remarkable. However, thedevelopment of technology for connecting energy sources such as the solar power generation andthe wind power generation to the power grid has been delayed. Superconducting cables haveadvantages such as large capacity, compactness, and zero loss. Therefore, they are the key
technology for the grid connection toward the early spread of renewable energy. Research anddevelopment on cost reduction and high efficiency are needed to the high-temperature
superconducting cables. Our group has developed a technology that dramatically improves thecharacteristics of superconductors by using the vapor phase growth method and nanotechnology. In
this research, we aimed to improve the superconducting characteristics by introducing a multilaminated structure, and to make a high-temperature superconducting tapes and scale it up by
making it into a cable to improve the efficiency of transport current of the high-temperature
superconducting cable.
1．はじめに再生可能エネルギーの普及に向けた技術開発が近年著しいが、太陽光発電や風力発電などの天候により変動するエネルギー源を、既存電力系統へ接続する技術の開発が立ち遅れている。たとえば－ 31 －

を実現し、かつ安心できる生活環境を実現するためには、電力系統同士の接続方法の開発が必須と
昨年、九州電力では太陽光発電の供給過剰により大規模停電へつながる恐れがあるとして出力制御なる。このような中、超電導ケーブルは大容量・コンパクト・ゼロ損失といった利点を持ち、再生を行っており、現状では、再生可能エネルギーを完全には生かしきれていない。今後、低炭素社会可能エネルギーの早期普及に向けて系統接続のキーテクノロジーとなり得る技術である。高温超電を実現し、かつ安心できる生活環境を実現するためには、電力系統同士の接続方法の開発が必須と導送電ケーブルは、国内外で産学官の連携により活発に研究・実証が行なわれている。例えば、ドなる。このような中、超電導ケーブルは大容量・コンパクト・ゼロ損失といった利点を持ち、再生イツでは 2014 年に「Ampacity プロジェクト」にて市街地での 1km 級の送電網への組み込みが成功
可能エネルギーの早期普及に向けて系統接続のキーテクノロジーとなり得る技術である。高温超電している。高温超電導ケーブルの普及のさらなる後押しとなるコスト削減や高効率化に関する研究
導送電ケーブルは、国内外で産学官の連携により活発に研究・実証が行なわれている。例えば、ド開発が必要である。我々のグループではこれまで、気相成長法とナノテクノロジーを用いることで、イツでは2014年に「Ampacityプロジェクト」にて市街地での1km級の送電網への組み込みが成功し超電導体の特性を飛躍的に向上する技術を世界に先駆けて開発してきた[1]。しかし現状では、数ている。高温超電導ケーブルの普及のさらなる後押しとなるコスト削減や高効率化に関する研究開
mm 程度の小さい試料での再現のみ得られている。そこで本研究では、テープ状の高温超電導線を発が必要である。我々のグループではこれまで、気相成長法とナノテクノロジーを用いることで、作製し、さらにケーブル化することでスケールアップを行い、高温超電導ケーブルの輸送電流高効超電導体の特性を飛躍的に向上する技術を世界に先駆けて開発してきた[1]。しかし現状では、数率化を目指した。
mm程度の小さい試料での再現のみ得られている。そこで本研究では、テープ状の高温超電導線を高温超電導送電ケーブル

作製し、さらにケーブル化することでスケールアップを行い、高温超電導ケーブルの輸送電流高効の課題として、以下の２点が率化を目指した。
挙げられる。



高温超電導送電ケーブルの課① ケーブルに流れる大

題として、以下の２点が挙げら
電流により、自身が発生した

れる。
磁場を受け超電導特性が低下する① ケーブルに流れる大電流② 原料、冷却コストを下により、自身が発生した磁場をげるため、超電導領域の空間受け超電導特性が低下する

電流密度の増強② 原料、冷却コストを下げ



本研究では、両課題に対しるため、超電導領域の空間電流

図 1. 縦磁界効果を用いた超電導ケーブルの模式図。て、磁界の向きを制御するこ
密度の増強

図1. 縦磁界効果を用いた超電導ケーブルの模式図。

縦磁界効果 を用とで特性が向上する
本研究では、両課題に対して、磁界のいる。縦磁界効果とは電流の磁界の向向きを制御することで特性が向上する縦表1. BaHfO
3 添加 SmBa 2 Cu 3 Oy 多層薄膜の成膜条件。
表 1. BaHfO
SmBa2Cu3Oy 多層薄膜の成膜条件。
3 添加

きを揃えることで量子化磁束にかか磁界効果を用いる。縦磁界効果とは電流るローレンツ力をゼロにする効果での磁界の向きを揃えることで量子化磁束ある。図 1 に、縦磁界を利用した超電にかかるローレンツ力をゼロにする効果
導ケーブルの模式図を示す。
である。図1に、縦磁界を利用した超電導ケーブルの模式図を示す。

2. 実験方法
高温超電導薄膜のナノ構造を制御
2．実験方法することで超電導ケーブルに適した高温超電導薄膜のナノ構造を制御する
超電導特性を発現させる。さらに、強ことで超電導ケーブルに適した超電導特磁場中での特性評価測定と組み合わ性を発現させる。さらに、強磁場中でのせることで、特性向上を目指して研究特性評価測定と組み合わせることで、特を行った。
性向上を目指して研究を行った。

2－ 32 －

2.1 積層構造をもつ BaHfO3 添加 SmBa2Cu3Oy 薄膜の作製方法
金属基板に積層構造を持つ BaHfO3 添加 SmBa2Cu3Oy 薄膜を作製し、縦磁界中で超電導特性測定
2.1 積層構造をもつBaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜の作製方法を行った。表 1 に示すように、総膜厚及び積層数 (積層界面密度)を変化させて薄膜を作製した。液金属基板に積層構造を持つBaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜を作製し、縦磁界中で超電導特性測定を
体 N2 中における縦磁界中超伝導特性を測定した。超伝導特性は薄膜に幅 100 µm、長さ 1 mm 程行った。表1に示すように、総膜厚及び積層数 (積層界面密度)を変化させて薄膜を作製した。液体度のブリッジ加工を施し、直流四端子法 により測定した。
N2中における縦磁界中超伝導特性を測定した。超伝導特性は薄膜に幅 100 µm、長さ 1 mm 程度のブリッジ加工を施し、直流四端子法 により測定した。
2.2 量産が容易な Y2O3 添加 SmBa2Cu3Oy
表 2. Y2O3 及び Sm2BaCuO5 添加 SmBa2Cu3Oy 薄膜の薄膜の作製方法
成膜条件。
2.2 量 産が容易なY 2 O 3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy 薄表2. Y2 O3 及びSm2 BaCuO5 添加 SmBa2 Cu3 Oy 薄膜の成膜条件。
2.1 項で示した積層構造は、構造が制御膜の作製方法しやすい利点がある一方、構造の複雑さ
2.1項で示した積層構造は、構造が制御から量産には適していない。そこで、本項しやすい利点がある一方、構造の複雑さか
目 で は 量 産 に 適 し た Y2O3 ま た はら量産には適していない。そこで、本項目
Sm2BaCuO5 を導入した SmBa2Cu3Oy 薄膜
では量産に適したY 2 O 3 またはSm 2 BaCuO 5における臨界電流密度の向上について研を導入したSmBa 2 Cu 3 Oy 薄膜における臨界究を行った。金属基板上に作製した高温電流密度の向上について研究を行った。金超伝導薄膜に対して、強磁場中での超電属基板上に作製した高温超伝導薄膜に対し導特性評価を行なった。超伝導特性は薄て、強磁場中での超電導特性評価を行なっ
膜に幅 100 µm、長さ 1 mm 程度のブリッた。超伝導特性は薄膜に幅100により測定µm、長さ 1ジ加工を施し、直流四端子法mm程度のブリッジ加工を施し、直流四端した。
子法 により測定した。

2.3 BaHfO3 添加 SmBa2Cu3Oy 線材の作製
2.3
BaHfO 3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy線材の作製おおよびケーブル化
よびケーブル化
リールトゥリールパルスレーザー蒸着（PLD）成膜装置を用いて、10cm 級の BaHfO3 添加
リール3Oトy ゥ
リ ー ル パ ル ス レ ー ザ ー 蒸 着（PLD）成 膜 装 置 を 用 い て、10 cm級 のBaHfO 3 添 加テープ線材を作製した。また、テープ線材の巻き角度を変化させてケーブル化を行っ
SmBa
2Cu
SmBa
2 Cu 3 Oyテープ線材を作製した。また、テープ線材の巻き角度を変化させてケーブル化を行った。並行して、超電導ケーブルの評価装置の立ち上げを行なった。電流源および液体窒素容器をた。並行して、超電導ケーブルの評価装置の立ち上げを行なった。電流源および液体窒素容器を購購入し、液体窒素中での 200 A までの超電導特性評価装置を立ち上げた。図 2 に、BaHfO3 添加
入し、液3体素 中 で の200 Aま で の 超 電 導 特 性 評 価 装 置 を 立 ち 上 げ た。 図 2に、BaHfO 3 添 加
Oy 窒テープ線材を用いた(左)横磁界ケーブルおよび(右)縦磁界ケーブルの外観を示す。
SmBa2Cu
SmBa2 Cu3 Oyテープ線材を用いた(左)横磁界ケーブルおよび(右)縦磁界ケーブルの外観を示す。

図 2. BaHfO3 添加 SmBa2Cu3Oy テープ線材を用いた(左)横磁界ケーブルおよび(右)縦磁界ケーブルの外観。
図2. BaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oyテープ線材を用いた(左)横磁界ケーブルおよび(右)縦磁界ケーブルの外観。

3－ 33 －3．実験結果
3.1 積
 層構造をもつBaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜の微細構造及び超伝導特性
図3に、多層構造をもつBaHfO3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy薄膜の断面透過電子顕微鏡像を示す。暗い領域が、非超電導であるBaHfO 3 が結晶化した領域であり、磁束ピンニングを増強する役割を持つ。同様の構造を持つ薄膜について、積層回数や膜厚を変化させることで、構造最適化を行った。
図 4(左)に、多層構造BaHfO 3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy 薄膜における磁場中臨界電流密度の磁場依存性を示す。赤い四角で示した多層構造を持つ試料において、縦磁界下における臨界電流密度の増強を確認した。他の構造を持つ試料では、臨界電流密度は磁場の増加に対して単調減少した。図3(左)に、多層構造の一覧を示す。丸および星は、単結晶基板

図3. 多層構造BaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜の断面透過電子顕微鏡像。

および金属基板を示している。黒丸または赤い星で示した試料でのみ縦磁界下における臨界電流密度の増強を示した。図の左上ほどBaHfO 3 粒の密度が高いことを示している。結果から、BaHfO 3 粒の密度と縦磁界下における臨界電流密度の増強に強い相関があることが示された。特に、金属基板上の高温超伝導体における縦磁界効果を制御した結果は世界初である。

図4. (左) 多層構造BaHfO3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜における磁場中臨界電流密度の磁場依存性。
(右) 試料の膜厚および層数の一覧。黒丸および赤星はJc増強の現れた試料を示す。

3.2 量産が容易なY2 O3 添加SmBa2 Cu3 Oy薄膜における超伝導特性
本項では、量産に適したY2 O3 またはSm2 BaCuO5 を導入したSmBa2 Cu3 Oy薄膜における臨界電流密度の向上について研究を行った。図5に、Y2 O3 またはSm2 BaCuO5 を導入したSmBa2 Cu3 Oy薄膜における縦磁界中での臨界電流密度の磁場依存性を示す。結果、Sm2 BaCuO5 を導入した試料がもっとも縦磁界中での特性が高いことが示された。この結果は、3.1項で得られた非超電導相の密度に関する議論と同様に、非超電導Sm2 BaCuO5 粒がSmBa2 Cu3 Oy薄膜中で微細に分散していることを示し－ 34 －

ている。しかし、各試料において縦磁界中での臨界電流増強は観測されなかった。これは、多層構造を持つSmBa 2 Cu 3 Oy薄膜において、非超電導粒との界面がすべて面内に揃っているのに対し、本研究項目の試料はランダムに配置した非超電導粒が存在している差によると考えられる。
3.3 B
 aHfO 3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy 線材をケーブルの通電試験
本 項 で は、 金 属 テ ー プ 基 板 上 に 作 製 し た

図5. Y2 O3またはSm2 BaCuO5を導入したSmBa2 Cu3 Oy薄膜における縦磁界中での臨界電流密度の磁場依存性。

BaHfO 3 添加SmBa 2 Cu 3 Oy線材において、液体窒素中にて3 Tまでの外部磁場を印加しながら通電 特 性 を 測 定 し た。 図 6は、 作 製 し た 縦 磁 界ケーブルの外観を示す。電圧端子はケーブル内の1本の線材にハンダ付けを行い、電流を均一に通電するために電流端子の銅板を銅線を用いて圧着した。テープ線材は電磁界計算に基づき

図6. 作製した縦磁界ケーブルの外観。

10°の角度で巻き付けた。
図7に、液体窒素中での0.1 Tまでの磁場を印加した中での通電試験の結果を示す。液体窒素冷却中で20 A以上の臨界電流を示した。0.1 Tまでの磁場下で、超伝導特性が10%低下することを明らかにした。

図7. 作製した縦磁界ケーブルの臨界電流Icの磁場依存性。

参考文献
［1］K
 . Sugihara, Y. Ichino, Y. Tsuchiya, A. Ichinose, Y. Yoshida,“Investigation of the longitudinalmagnetic field effect in SmBa2 Cu3 Oy films with various shaped artificial pinning centers”,
Supercond. Sci. Technol., 32 035004 (2019).

－ 35 －