3C-a01

Y 系バルク (1)

種結晶の数と配置を考慮して異方的に成長させた YBCO バルク磁石のパルス着磁特性Characteristic Pulsed-Field Magnetizing of Anisotropic-Grown Y-Ba-Cu-O Bulk
Superconducting Magnets with Use of Various numbers and Positions of Seed Crystals
岡 徹雄，山田 幸正，堀内 琢磨，小川 純，福井 聡，佐藤 孝雄（新潟大学）；
横山 和哉（足利工大）；マルコ・ランガー（ＩＦＷドレスデン）
OKA Tetsuo, ＹＡＭＡＤＡ Ｙｕｋｉｍａｓａ, ＨＯＲＩＵＣＨＩ Takuma, OGAWA Jun, FUKUI Satoshi, SATO Takao (Niigata University)；
YOKOYAMA Kazuya (Ashikaga Inst. Tech.)； Marco LANGER (IFW Dresden)
E-mail: okat@eng.niigata-u.ac.jp

3．結果と考察バルク表面中央への磁場侵入に対する磁場捕捉率の変化を印加磁場に対してFig. 2に示す。図中の#1と#2は従来法である１つの種結晶を試料中央に設置した試料であり、#3～5は2個の種結晶を並列配置したものである。両者への磁場侵入は明確に異なり、後者へはより低磁場で磁場は侵入した。低磁場での着磁は発熱の低下を暗示し、着磁しやすいバルク
磁石を可能にすると考えられる。EPMAによる特性X線の強度
比Y/Baの半径方向での距離依存をFig. 3に示す。rの位置によって変化が逆転し、個々のGrowth sector region （GSR）によって、Y211粒子とこれに起因する臨界電流密度Jcが異方的に分布すると予想される。これが選択的かつ低磁場での磁場侵入を促したと考えられ、磁場侵入ゲートの意図的な構成が発熱の低下と高磁場捕捉に繋がる可能性を示している。
参考文献
1. H. Fujishiro, et al.: Physica C, Vol.445-448 (2006)
p.334-338,― 191 ―

Growth sector
region(GSR)

Growth sector
boundaries(GSB)

Seed crystals (NdBaCuO-ﬁlm)

Fig. 1 Anisotropic-grown YBaCuO bulk magnet

1

Applied ﬁeld
Penetrating ﬁeld

A7 single center
A18 single gap2.5mm

0.8

Flux-Trapping Ratio

2．実験方法Y123 系とよぶ円柱状の YBaCuO バルク磁石の合成時に、結晶成長の起点となる種結晶を 2 個並列して配置した前駆体を使って、異方的に成長させたバルク磁石を得た。Φ20mm
×t10mm に成形した前駆体は 60～80 時間かけて 0.25K/h の速度で冷却した。Y211 相の含有率は仕掛け組成で 28.5moｌ％である。Fig.1 に典型的なバルク磁石の外観を示す。GM
冷凍機(AISIN，GD101S)により 30.6K まで伝導冷却し、液体窒素冷却したコイルとパルス電源 (日本電磁測器、SBV-10124、120ｍF)を用い、2.8～5T のパルス磁場を逐次印加して着磁した。着磁工程中と工程後の捕捉磁場はホールセンサー(F.W.BELL、BHT-921)により試料表面中央で評価し、試料表面の微細組織を EPMA（JEOL; JXA-8621）により Y と Ba について分析した。

YBaCuO(18mm, #5)

A21 twinseed 80h
A25 twinseed 80h
A26 twinseed 60h

#3

0.6

#1

#5

0.4

#4

0.2

#2

0
2

3

4

5

6

Applied Magnetic Flux Density (T)Fig. 2 Flux-Trapping ratios after PFM

0.40#5 (A26:60h)

0.35

W-GSR

0.30
0.25

N-GSR

Y/Ba

1．はじめに溶融法とよぶ一種の焼結法により粗大な結晶に合成された高温超伝導バルク体はその強いピン止め力により、バルク
磁石とよぶ優れた磁場捕捉性能をもち、擬似永久磁石として利用できる。超伝導状態で外部から磁場を印加するパルス着磁法(PFM) はその簡便な着磁法として知られ、５T を超える
磁場捕捉が報告されている [1]。この PFM では、量子化した磁束の運動による発熱がバルク磁石内部で起こり、その捕捉
磁場性能を著しく下げることが知られている。
種結晶から結晶成長したバルク磁石は一般に Growth
sector boundary （GSB）で区切られた不均質な巨視的構造をもち、これが磁場侵入挙動に影響を与えると考えられる。そこで筆者らは磁場捕捉性能の向上をねらい、磁場侵入の促進を目的に、より不均質性を強めた構造を意図的に作り、磁場印加と磁束の侵入挙動を実験的に評価した。

0.20
0.15

N-GSR

0.10

A26left
Narrow

0.05

Wide
A26under

W-GSR

0.00
0

2

4

6

8

10

r (mm)

Fig. 3 Y/Ba Intensity Ratios in EPMA

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a02

Y 系バルク (1)磁場侵入経路の導入を狙ったバルク超伝導体の合成
Synthesis of melt-processed bulk superconductors
aimed at the introduction of the magnetic penetration route
堀内 拓磨, 山田 幸正, 小川 純, 福井 聡, 岡 徹雄 （新潟大）； 横山 和哉 （足利工大）； LANGER Marco （IFW）
HORIUCHI Takuma, YAMADA Yukimasa, OGAWA Jun, HUKUI Satoshi, OKA Tetsuo （Niigata University）；
YOKOYAMA Kazuya (Ashikaga Institute of Technology)； LANGER Marco （IFW）

１. はじめに

３. 実験結果

バルク超伝導体の着磁において静磁場着磁法は理想的なFig.2 より No. 1, 2, 4 で 2T 以上と同程度の磁場を捕捉した。

着磁が可能となるが大型の装置必要であるのに対し、パルス

種結晶 2 個の試料が低印加磁場（2.8～3.3T）で磁場が侵入し着磁法は装置が簡便なため活躍の場を期待されている。しか種結晶を 2 個用いることで磁場が侵入しやすくなった。種結晶

し、パルス着磁法では磁束線の急激な運動に伴う影響が無視

間隔の異なる試料を比較すると、No. 2 が最も低印加磁場でできず磁場捕捉性能が低下する。本研究では一般的に磁束着磁され、高い捕捉磁場を示した。No. 2 は Wide-GSR とは Jｃ値が低いほど侵入しやすいことから種結晶を 2 個用いる

Narrow-GSR の温度差が最も大きく温度変化にも顕著な差がことによりできる結晶成長領域（Growth Sector Region; GSR）

見られることから、それぞれの GSR で磁場侵入挙動が異なるの異なりが磁場侵入経路の導入に起因するのではないかと考だけでなく、磁場侵入挙動の差が磁場捕捉性能に影響を与え、種結晶を 2 つ使用し、その間隔を変更したバルクを作製しえると考えられる。

た。各々の試料にパルス着磁を行い、試料中心部での捕捉

４. まとめ

磁場と中心から 6 mm 地点の温度上昇の挙動を観察し、磁場捕捉性能、磁場侵入にどのような影響を及ぼすか調査した。
２. 実験方法

種結晶を 2 個、その種結晶の間隔を 1, 2, 3 mm と変更した
バルクを作製し以下の結果を得た・種結晶 2 個用いると種結晶１個では磁場が侵入しなかった

Fig.1 (a), (b)に実際に作製した Y 系バルク超伝導体を示す。
超伝導相 Y123 とピン止め点 Y211 の粉末を調合し、直径20mm に圧粉、種結晶を試料表面に設置し、溶融することでバ

低印加磁場領域（2.8～3.3T）で磁場が侵入する
・ Wide-GSR 、 Narrow-GSR で は 磁 場 侵 入 が 異 な り 、Wide-GSR の方が磁場の侵入が速い

ルク超伝導体を得る。溶融時に設置する種結晶の個数を 1 個

これらの結果から種結晶 2 個の場合に磁場の侵入が容易とから 2 個に変更し、その 2 個の種結晶間隔を 1, 2, 3 mm と変なり、Wide-GSR、Narrow-GSR での磁場の侵入の違いが捕捉

更した試料を作成した。種結晶 2 個の場合 GSR は上下側と左磁場に大きく影響したと考える。

GSR を Wide-GSR、左右側の領域の狭い GSR を Narrow-GSRと名付ける。

No.4 twin-seeded sample
with a gap 3 mm(a)(b)
Fig.1 YBCO bulk superconductor samples

No. 1 center -seeded sample― 192 ―

Trapped magnetic ﬂux density (T)右側で面積が異なることが見て取れ、上下側の領域の広い

2.5
2
1.5
No.1 center
seed
No.2 twin
seed gap1mm
No.3 twin
seed gap2mm
No.4 twin
seed gap3mm

1
0.5
0

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Applied magnetic ﬂux density (T)Fig.2 Trapped magnetic flux density measured
at the center of the samples

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a03

Y 系バルク (1)RE123 溶融凝固バルクにおける RE 混合および Ba2Cu3O4Cl2 添加効果
Effects of RE-mixing and Ba2Cu3O4Cl2 doping for RE123 melt-solidified bulks
瀬戸山 結衣，下山 淳一, 山木 修, 山本 明保, 荻野 拓, 岸尾 光二（東大院工）；水戸瀬 智久, 淡路 智（東北大金研）
SETOYAMA Yui， SHIMOYAMA Jun-ichi, YAMAKI Shu, YAMAMOTO Akiyasu, OGINO Hiraku, KISHIO Kohji (Univ. of Tokyo);
MITOSE Tomohisa, AWAJI Satoshi (Univ. of Tohoku)
E-mail: 6071721904@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
1．緒言
REBa2Cu3Oy (RE123)溶融凝固バルクの臨界電流密度(Jc)特性改善にはピンニングセンターの制御が重要となる。例えばRE2BaCuO5 (RE211)といった常伝導析出物は自己磁場下において、RE の Ba サイトへの低濃度の部分固溶(RE/Ba 固溶)
領域や、(Nd,Eu,Gd)123[1]のような複数の RE 元素の使用(RE混合)は磁場中において、Jc 改善に有効であることが知られている。しかし RE 混合による Jc 改善効果は再現性にやや乏しく
起源が十分に理解されていない。前回の発表では、1 - 2 種類の RE を用いて作製した計 8 種類の試料の超伝導特性や組織の違いを考察し、RE 混合が 123 相における RE/Ba 固溶量を制御できる可能性を指摘した[2]。今回はそれらの試料の低温・高磁場での Jc 特性の評価や、TEM による微細組織観察を通じ、RE 混合の本質解明に迫った。また、新規ピンニン
グセンター探索を目的として、Ba2Cu3O4Cl2 微量添加が Y123
バルクの Jc 特性にいかに影響を及ぼすかを検討した。

Ba2Cu3O4Cl2 添加試料はいずれの添加量においても鋭い超伝導転移を示し、Tc は~ 92 K であった。Fig. 2 に a-growth 領域での 77 K における Jc の種結晶からの距離依存性を示す。
Y123 原料に対し Ba2Cu3O4Cl2 を 0.5 mol%添加したバルクにおいて、自己磁場下で最も高い Jc (~ 9.5 × 104 A cm-2)が得られた。無添加試料では種結晶から離れるにつれ Jc が低下した
一方で、Ba2Cu3O4Cl2 を添加した試料ではその Jc の低下が抑制されることがわかった。今回、Y123 溶融凝固バルクへの新規ピンニングセンター導入を目的として添加を試みた結果、ピンニングセンターが生成した可能性も考えられるものの、通常のバルクにおいて種結晶から離れた位置で Jc が低下する要因(211 相の堆積や過剰な RE/Ba 固溶)が Ba2Cu3O4Cl2 の添加により緩和された可能性、もしくは、Ba2Cu3O4Cl2 由来の化合物が 123 相の配向を補助した可能性が示唆された。
講演では両研究における試料の TEM 観察結果を併せて報告し、Jc 改善の機構について議論する。

2．実験方法RE2O3 (RE : Dy, Y, Er), BaCO3, CuO の原料粉を混合し、固相反応法により RE123 粉末と RE211 粉末を合成した。これらをモル比で RE123：RE211 = 7：3 となるように秤量し各々Pt を
0.5 wt%添加して混合後、一軸プレス(100 MPa)により 20 mm
×10 mmt のペレットに成型した。種結晶に Nd123 単結晶を用
い、底面加熱式の電気炉にて溶融凝固を行った。育成したバ
ルクの様々な部分から約 2 mm×2 mm×1 mm//c の小片を切り出し、450℃酸素気流中で 100 h 以上アニールした。今回は得られた試料について TEM による微細組織観察、最高 18 T
までの VSM による磁化測定を行った。Ba2Cu3O4Cl2 添加効果の検討では、BaCO3, CuO, CuCl2 から固相反応法で合成した
Ba2Cu3O4Cl2 粉末を Y123 : Y211 = 7 : 3 の混合物(Pt 0.5 wt%
添加)へ、Y123 粉末に対し 0, 0.5, 1.0, 5.0 mol%添加し、溶融凝固による結晶育成、超伝導特性や組織の評価を行った。

参考文献[1] M. Muralidhar et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 237001.
[2] Y. Setoyama, et al. Abstracts of CSSJ Conference 87(2013) p.28.

3．結果と考察
Fig. 1 に(Dy,Er)123、(Y,Dy)123、(Y,Er)123 の 40 および 60 K
における Jc の磁場依存性を示す。これらの試料の中では(Dy,Er)123 が、40 K では~ 11 T まで、60 K では~ 5 T まで最も高い Jc を示したが、さらに高磁場領域では(Y,Dy)123 や(Y,Er)123 の Jc が高くなった。RE/Ba 固溶は RE が Dy のようなイオン半径の大きな中軽希土類であると生じやすい。低温・高磁場領域では RE/Ba 固溶による 123 母相の汚れが Jc を低下させる影響が強まるため、(Dy,Er)123 や(Y,Dy)123 よりも固溶量が少ないと考えられる(Y,Er)123 が、15 T では最も Jc が高くなったと説明できる。また Y123 を原料に用いた試料では 40
K における Jc-B 曲線で 2 つのピークが確認され、高磁場まで
高 Jc (~ 2.8 × 105 A cm-2, 40 K, 15 T)を維持した。これはより高温では 1 つに見えていたピークが分裂したものと考えられ、~ 3 T でのピークは周期的な格子欠陥によるもの、10 T 以上の高磁場領域でのピークは化学的なピンニングセンターの働きによるもの、とそれぞれ推測できる。このピークの分裂は RE
混合試料のみで確認され、高 Jc を高磁場まで保つことに寄与していると考えられる。以上の結果から、Y123 相原料を用いた RE 混合バルクが、低温・高磁場での応用を考えると材料として高いポテンシャルを有することがわかった。

Fig. 1 Jc-H curves at 40 and 60 K for RE-mixed bulks.

Fig. 2 Variation of Jc with distance from seed crystal in
a-growth regions of Ba2Cu3O4Cl2 added Y123 bulks at 77 K.

― 193 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a04

Y 系バルク (1)低温における Ga 添加 Y123 溶融凝固バルクの Jc-B 特性
Jc-B characteristics of Ga-doped Y123 melt-solidified bulks at low temperatures
山木 修, 下山 淳一, 瀬戸山 結衣, 山本 明保, 荻野 拓, 岸尾 光二 (東大院工) ; 水戸瀬 智久, 淡路 智 (東北大金研)
YAMAKI Shu, SHIMOYAMA Jun-ichi, SETOYAMA Yui,YAMAMOTO Akiyasu, OGINO Hiraku,
KISHIO Kohji (Univ. of Tokyo) ; MITOSE Tomohisa, AWAJI Satoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: 3450281928@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
１．はじめに
REBa2Cu3Oy(RE123)溶融凝固バルクは高磁場下でも高い
Jc を示すことから、強力な超伝導磁石として非常に高いポテン
シャルを持っている。しかし、強力超伝導磁石としての応用の多くは液体窒素温度以下で運転することを想定しているのに対し、これまでの研究における Jc の最適化は主に 77 K で行われてきた。77 K で最も良い特性を示す条件が、低温でも最も良い特性を示すとは限らないことは既にわかっており[1]、RE123 バルク応用の拡大には、77 K 以下の低温で高い Jc を達成するための改善指針の確立が不可欠である。そこで本研
究では低温で高い捕捉磁場特性を有する小型超伝導バルクの開発を目的とし、磁場中での Jc の改善に有効であることが知られている Ga の微量添加[2]を行った Y123 溶融凝固バル
クの低温における Jc-B 特性の評価を行った。

る直径 8 mm、厚さ 4 mm という小型のバルクでも 10 T 級の磁場が捕捉できることが示唆された。
当日は、Ga を微量添加した Y123 バルク以外にも電子線を照射した Y123 バルクの Jc の磁場依存性についても報告する。
参考文献[1] Y. Ishii et al., IEEE Trans. Appl. Supercond.,19 (2009)3487-3490.
[2] Y. Ishii et al., Appl. Phys. Lett.,89 (2006) 202513.

２．実験方法
本研究では原料粉末に Y123 と Y211 を低温固相反応により同時生成させたものを用いている。具体的には、出発原料をモル比で Y2O3 : BaO2 : CuO = 13 : 34 : 48 となるように秤量し、さらに作製するバルクによって Ga2O3 や Pt 粉末を添加、混合後 20% O2 / Ar 気流中、800°C で 60 h 焼成することにより Y123と Y211 を 7 : 3 の比で含む原料粉末を作製した。得られた原料粉末を一軸プレス(100 MPa)により10 mm φ ×8 mmt のペレットに成型し、Nd123 単結晶を種結晶としてペレットの上面中央に置き、底面加熱方式の電気炉にて空気中で溶融凝固を行った。作製した溶融凝固バルクから小片を切り出し、所定の温度にて 100 h の酸素アニールを行った後、SQUID 磁束計やVSM による磁化測定から Jc を評価した。
３．結果と考察
前回の発表において、従来は Y211 を微細化する目的で加えられていた Pt を加えずに Y123 バルクを作製すると、40 K に
おいて磁場中での Jc が改善するという結果が得られたことを示した。この効果が Ga を微量添加した Y123 溶融凝固バルクにも有効であるかを確認するため、Pt 無添加 Ga 添加 Y123 バ
ルクを作製した。Fig. 1 に Ag2O を 10 wt%加え、Ga を Cu-O 鎖の Cu に対して 0.5 mol%ドープしたバルクの 40 K における Jcの磁場依存性を示す。Pt 無添加による磁場中での Jc の改善
は Ga ドープ試料においても再現し、c-growth 領域の Jc は、40
K, 3 T において 5.8×105A cm-2 という非常に高い値に達した。
しかし、Fig. 1 に示した SQUID による 5 T までの磁化測定の結果では、3 T 以下の Jc しか正しく評価することができず、まだ Jcの第 2 ピークが現れていなかった。そこで、東北大学の金属材料研究所の VSM を用いて 18 T までの磁化測定を行った。Fig.
2 に Ga を微量ドープした試料の 15 T までの Jc の磁場依存性を示す。なお、Pt-free の試料は Fig. 1 に示したものと同一であるが、Pt-added の試料は Fig. 1 に示したものとは別の試料であり、Jc が少し低下していることを注記する。Ga を微量ドープした試料の低温での Jc のピークは非常にブロードであることが明らかになり、特に Ga ドープ Pt 添加した試料の 20 K での Jc
は 8 T 付近において 9.3×105A cm-2 に達した。また、Pt フリーの試料の 40 K での Jc は 10 T 付近でも 5×105A cm-2 程度を保っていることから、この Jc からビオサバールの法則を用いて捕捉磁場を計算したところ、実際に育成したバルクのサイズであFig. 1 Magnetic field dependence of Jc at 40 K for
Ga-doped and Ag-added Y123 bulks.

Fig. 2 Jc-B properties measured by VSM at 20, 40, 60 K for
0.5% Ga-doped and 9.3 wt% Ag-added Y123 bulks.

― 194 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a05

Y 系バルク (1)磁場配向法による c 軸配向 Hg(Re)1212 焼結体の作製
Preparation of c-axis aligned Hg(Re)1212 sintered bulk via magnetic orientation
椎野 匠，下山 淳一，山本 明保，荻野 拓，岸尾 光二 （東大院工）SHIINO Takumi， SHIMOYAMA Jun-ichi， YAMAMOTO Akiyasu， OGINO Hiraku， KISHIO Kohji (Univ. of Tokyo)
E-mail: 6894966696@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
1．はじめにHg 系銅酸化物超伝導体（HgBa2Can-1CunOy）の Hg サイト
への Re 置換は化学的安定性を改善し、かつ異方性を低下させることから、不可逆磁場が上昇する[1]。本研究室では最も高い Tc (̃135 K)を有する n =3 の Hg(Re)1223 において、磁場配向法によって強く c 軸配向したバルクを作製することに成功している[2]。同じホモロガスシリーズの n =2 である Hg(Re)1212
も Hg(Re)1223 と同じく c 軸が磁化容易軸であるためこの手法によって c 軸配向体を作製することが可能であり、高い Tc(100-120 K)を有するため液体窒素を冷媒とした応用が期待できる材料である。 Jc を支配する要因の一つとして粒間結合が挙げられるが、銅酸化物超伝導体においてはキャリアのオーバードープ状態は粒間結合の向上につながる。
Hg(Re)1212 は Hg(Re)1223 よりもオーバードープ状態が容易に達成されるため、Tc では Hg(Re)1223 に劣るが高臨界電流特性の多結晶材料作製に期待が持てる。本研究では、磁場配向法によって Hg(Re)1212 の c 軸配向体を作製し、それを焼結することによって高臨界電流特性 Hg(Re)1212 多結晶バルクの開発を目指している。

Fig. 1XRD patterns of Hg(Re)1212 powder and the surfacesof magnetically oriented Hg(Re)1212 aggregates.

2．実験方法ReO3 、 BaCO3 、 CaCO3 、 CuO を 仕 込 組 成 がo
Re0.1Ba2CaCu2Oy となるように混合し空気中 880 C で焼成後、急冷を行った。ここで得られたプリカーサ 0.75 g と 0.29 g の
HgO の混合物をペレット成型し石英管に真空封入した後820oC で 10 時間焼成し、Hg(Re)1212 焼結体を得た。その焼結体を粉砕後、有機溶媒中に分散させスラリーとし、8 T の
磁場中でスリップキャストを行った。得られた堆積物を仮焼し有機物を分解した後、一軸プレスを行い、プリカーサと HgOの混合圧粉体と共に石英管に真空封入し様々な条件で再焼成した。試料の構成相の同定及び配向度の評価を X 線回折(XRD)測定によって行い、超伝導特性は SQUID 磁束計を用いた磁化測定より評価した。また、微細組織は走査型電子顕微鏡により観察した。

Fig. 2

3．結果と考察
Fig. 1のXRDパターンに示すように、HgOとプリカーサの混合物を焼結した試料はHg(Re)1212が主相であったが、不純物相が残存していた。しかし磁場配向体においては表面とその研磨面のXRDパターンは強い(00l)由来のピークを示しており、磁場配向体内部まで配向していることを示唆している。Fig.
2のXRDパターンより、再焼成後においてもHg(Re)1212相及
びc軸配向を保持していることをXRDパターンから確認した。
Fig. 3 に Hg(Re)1212 焼 結 体 及 び 磁 場 配 向 → 再 焼 成 後 のHg(Re)1212バルクのJc-H曲線を示す。いずれのバルクもHgOとプリカーサの混合物を焼結した試料よりも低い Jc を示した。
内部の配向度が弱いことや磁場配向後に見られる不純物相
が電流パスの障害となっていることが考えられる。 現在、Hg(Re)1212の単相合成、より粒間結合に優れる高度にc軸配向したバルクの作製条件の最適化に取り組んでいるところである。当日は、粒間結合の向上を図り、BaのSr置換を行った
Hg(Re)1212のc軸配向体の作製及びその超伝導特性についても報告する予定である。

Fig. 3 Jc-H curves of Hg(Re)1212 bulks.
参考文献
1. J. Shimoyama, K. Kitazawa and K. Kishio Proc. Of 10th
Anniv. HTS Workshop on Physics, 85 (1996).
2. T. Ozaki, J. Shimoyama, H. Ogino, A. Yamamoto and K.
Kishio, IEEE Trans. Appl. Supercond. 2013;23:6800404.

― 195 ―XRD patterns of magnetically oriented Hg(Re)1212
aggregates before and after re-sintering.

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a06

Y 系バルク (2)高温超電導バルク材における捕捉磁場特性の温度領域による逆転現象
Crossover phenomenon in the temperature dependence of trapped magnetic fields in HTS bulks
手嶋 英一、森田 充（新日鉄住金）、内藤 智之、藤代 博之（岩手大）
TESHIMA Hidekazu, MORITA Mitsuru (Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp.),
NAITO Tomoyuki, FUJISHORO Hiroyuki （Iwate Univ.)
E-mail: teshima.a5b.hidekazu@jp.nssmc.com

１．はじめにきた。なお、50K 以下で再び差が小さくなるのは、本実験での印加

RE-Ba-Cu-O 系（RE は Y または希土類元素）高温超電導バルク

磁場（10T）のためであり、印加磁場の制約がなければ、差は更に

材は、磁場中でのピン止め力が強いため、卓上型 NMR/MRI、医療

大きくなるものと予測される。捕捉磁場の温度領域における逆転現用小型超強力磁石、MDDS、船舶用モータ、風力用発電機などの象は、バルク材の中に複数のピン止め種が存在し、それぞれの要

強磁場発生源としての応用が期待されている。このようなバルク磁

素ピン止め力の温度依存性が異なることから起こるものと考えられ

石応用では高い捕捉磁場が求められるが、捕捉磁場は液体窒素中る。高温超電導バルク材の品質が向上してきために、このような現（77K）で評価されることが多い。一方、多くのバルク磁石応用は、よ象が実験的にも観測されるようになったと推定される。想定される運り強い磁場強度を得るために、冷凍機冷却によって 30-50K の温度

転温度領域によってピン止め点を最適設計することで、今後バルク領域を想定している。従来、77K で捕捉磁場が高いものは、より低材の捕捉磁場特性はさらに大幅に向上することが期待できる。

い温度領域でも高い捕捉磁場特性を有すると考えられており、実際、報告されているデータでもそのような傾向を示していた[1]。しかし、最近、良質な単結晶試料において、臨界電流密度（Jc）が温度領域

1.5

Sample A

で逆転する可能性があることが示唆されている[2]。高温超電導バ

Sample A

ルク材でも材料の最適化が進み、高品質な試料が得られるようにな

1ってきており、バルク材の捕捉磁場特性の温度依存性を詳細に調0.8

べることは有用であると考えられる。そこで、本研究では、77K での

0.6

Sample B

Sample B0.50.4

捕捉磁場特性の異なる直径46mmの大型Gd系バルク材を用いて、0.2

捕捉磁場特性の温度依存性の比較評価を行った。

0

Fig.1 Appearance of Gd-Ba-Cu-O bulk superconductors 46 mm in

２．実験

diameter and their trapped field distributions at 77K.

本研究で用いたGd系バルク材は、高配向した超電導相（123相）
中に 1μm 程度の非超電導相（211 相）が微細分散した試料で、製した。試料サイズは直径46mm、厚さ 15ｍｍとした。機械的特性を改善するため銀添加を行い、さらに SUS リングで補強した。77K での捕捉磁場は、磁場中冷却で着磁した後、JIS 規格（H73132007）に基づき減磁後15 分以上経過してから、試料表面の約0.6mm 上をホール素子を走査して測定した。一方、捕捉磁場の温度依存性は、
10T の外部磁場中で 40K 程度まで冷却した後、昇温しながら試料中央表面に貼付したホール素子で測定した。

Trapped Magnetic Field（T）

Gd123 相：Gd211 相＝1：3 の組成比にて改良型QMG 法[3]により作

10
9
8
7
6
5
4

Sample A

3
2

Sample B

1
0

30

40

50

60

70

80

90

Temperature (K)３．結果
Fig.1 は、本研究で用いた Gd 系バルク材の外観写真と 77K での捕捉磁場分布である。77K での捕捉磁場のピーク値は試料 A で

Fig.2 Temperature dependence of trapped magnetic field of the
Gd-Ba-Cu-O bulks shown in Fig.1.

1.51T、試料 B で 1.04T であった。Fig.2 は、試料 A と試料 B の捕捉
磁場の温度依存性を示す。77K では Fig.1 と同じように試料 A の捕参考文献

捉磁場の方が高いが、60K以下の温度領域では逆に試料Bの方が１．U.Mizutani et al. : PhysicaC 335 (2000) 92-96

高くなることが分かった。すなわち、高温超電導バルク材の捕捉磁２．Y.Ishii et al. : J. Cryo. Soc. Jpn. Vol.44 No.12 (2009) 573-578

場特性が温度領域によって逆転することが初めて実験的に確認で３．M.Morita et al. : Physica C 253-240 (1994) 209-212― 196 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a07

Y 系バルク (2)超電導バルクの磁場中冷却着磁過程のシミュレーション
Numerical simulation in superconducting bulk during field cooled magnetization
藤代博之，内藤智之（岩手大），手嶋英一 (新日鐵住金)
FUJISHIRO Hiroyuki, NAITO Tomoyuki (Iwate Univ.), TESHIMA Hidekazu (Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp.)(E-mail: fujishiro@iwate-u.ac.jp)[4] H. Teshima et al., Physics Procedia 45 (2013) 61
10

GdBCO
FCM

8

Bean model
Kim model(B0=10)B (z=0mm) (T)exp. data [4]

6

4 10

9

Bean model

3 10 9Kim model(B0=10)cz

2 10 9
1 10 92

T=40 K000

this work

this work2

J (A/m )

4

0

2

4

µ0H (T)

20

6

8

40

10

T (K)

60

80

100

Fig. 1. Results of the simulation of trapped field Bz at the center of thebulk surface as a function of temperature under the various conditionsof Jc-B characteristics. The experimental results [4] are also shown.
10
10
simulation
T=40K
Bex

8

-0.17T/min

9.4

6

41

4
Bex

9.2

0

40

80

20

40

60
80 100Time (min)120
160Time (min)422-0.17 T/min

40
0

9

6

10

42

ex

9.6

8

Bex (T)

9.8

B (T)

図１に各温度でのバルク中心表面(z=0 mm)における捕捉磁場 Bz の結果を示す。比較のために Bean model と Kimmodel (B0=10)の場合の結果も示す。また挿入図には各モ
デルにおける 40 K の Jc-B 特性を示した。simulation の結果は、捕捉磁場 Bz は温度低下とともに増大するが、FCMの印加磁場が 10 T であるため、最終的には Bz=10 T に漸近する。図中には GdBCO バルクの FCM の実験結果を示
すが[4]、Jc-B 特性を反映させた simulation 結果は実験値を非常に良く再現することが分かった。
図２に T=40 K においてバルク中心表面(z=0 mm)における捕捉磁場 Bz と最高温度 Tmax の時間依存性の simulation
結果を示す。熱解析においてバルクと cold stage の接触熱伝導率を 5x10-3 W/mK と仮定すると、Tmax は減磁終了直後に約 1.6 K となり、時間依存性とともに実験結果を再現できることが分かった。
図３に T=40 K における FCM 後の捕捉磁場分布のsimulation 結果を示す。バルク表面(z=0 mm)では Jc-B 特性を反映して先端が尖った分布形状を示すが、z の増大とともに最大強度は減少し、なだらかな分布となる。図中には中心(z=0 mm)の捕捉磁場及び、z=4 mm における磁場分布の実験値[4]を示すが、simulation 結果よりも絶対値が低い
結果となった。これはバルク内の Jc-B 特性の分布の影響
や反磁場の影響のためであると考えられる。
発表では MgB2 バルクの解析結果についても報告する。

[3] T. Kii et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 22 (2012) 4100904

Tmax (K)(1)[1] H. Fujishiro et al., Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 105021[2] M. Jirsa et al., Phys. Rev. B 55 (1997) 3276

Bz (z=0mm) (T)n   
 B 
B
1
B  
Jc  Jc1 exp   J c 2
exp  1 
 

Bmax

 BL n  Bmax  参考文献

0120 140

0
240

200

Fig. 2. Time dependence of trapped field Bz and temperature rise T
during FCM process from 10 T at 40 K.

108
6
Bz (T)

はじめに
本研究グループはこれまで、超電導バルクのパルス着磁(PFM)現象について実験とシミュレーションで検討してきたが[1]、磁場中冷却着磁(FCM)における捕捉磁場強度や磁場分布については、Bean model を用いた解析や、Jc-B
特性が優れているほど捕捉磁場特性が良いという程度の定性的な議論しか行われてこなかった。本研究ではREBCO 系や MgB2 バルクの FCM 過程の捕捉磁場シミュレーションについてモデルの構築と解析結果を示す。実験結果と比較した結果、解析において各温度で Jc-B 特性の実測値を用いることで信頼性の高い再現が可能となった。
解析と検討
SUS リングにマウントした直径 46 mm、厚さ 15 mm の新日鐵住金製 GdBCO 超電導バルクを、各温度 T において超電導マグネット（内径 120 mm、外径 150 mm、高さ 100mm）を用いて、10 T からの FCM（減磁速度：-0.17~0.22
T/min）を行うことを想定してモデルを構築した。電磁界と熱伝導の軸対称連成方程式を (株)フォトンの EDDYTHERMO により有限要素法を用いて解析した。超電導体の非線形な E-J 特性は n 値モデル(n=8)を用い、各温度における Jc-B 特性は、Jirsa らの論文[2]を参考に第１，第２ピークを表現した (1)式を使って、Kii らの実験結果[3]を再現して用いた。熱伝導方程式にはバルクおよび SUS リ
ングの比熱及び熱伝導率の温度依存性も解析に導入した。

4

T=40K

simulation
z=0mm

z

z=4mm

z=0
bulk

z=6mm

φ46mm

z=8mm

2

exp.(z=0mm)
exp.(z=4mm)

0
-2
-30

-20

-10

0
r (mm)

10

20

30

Fig. 3. Trapped field profiles on the bulk after FCM process from 10 T
at 40 K, as a function of the distance z from the bulk surface. The
experimental results [4] are also shown.

― 197 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a08

Y 系バルク (2)対向型バルク磁石による均一磁場発生の基礎的な検討
Fundamental examination of a homogeneous magnetic field generation
by a face-to-face superconducting bulk magnet
三田 裕幸，津久井 友隆，坪野谷 典之（足利工大）； 岡 徹雄（新潟大）； 横山 和哉（足利工大）
MITA Hiroyuki， TSUKUI Tomotaka， TSUBONOYA Noriyuki (A.I.T.)；
OKA Tetsuo (Niigata Univ.)； YOKOYAMA Kazuya (A.I.T.)
1．はじめに

今後は、さらに均一度が向上する条件や均一磁場空間を

近年、超伝導バルク体を用いた研究用の小型 NMR/MRI装置が開発され、マウス胚の MR 顕微画像が撮影できることが拡大する方法を検討し、さらに対向型バルク磁石装置を用いて実験を行う予定である。

実証された[1]。同装置はリング状の Eu 系バルク体を積層し、それを磁場中冷却法により着磁することで、ボア内で均一磁場を発生させている。
本研究は、装置の汎用性や操作性を考慮して、対向型バ
ルク磁石装置の磁極間で均一磁場を発生させることを目的とする。リング型バルク体を用いることで、磁場分布は台形型となり、更にそれらを異極対向配置することで、磁極間中央部

rで均一磁場を発生させることが可能となる。本文では、既存のバルク体の着磁結果を用いて、数値解析により磁場分布や均z

一度を評価する。

Fig.1 Principle of a homogeneous magnetic field generation

2．解析方法
φ60×20 mm の Gd 系超伝導バルク体を対向型バルク磁石装置に装着してパルス着磁を行ったところ、捕捉磁場は約3 T であった。この実験結果から、臨界電流モデルを用いて、数値解析により臨界電流密度を算出した。次に、Fig.1 に示す
ように、バルク体の中央部に穴を開けてリング形状とすることを想定し、内径の大きさ a を 10～50 mm、及び対向する磁極
間距離 d を 4～30 mm に変えた時の磁場分布を評価した。
3．結果および検討
Fig.2 に内径が 30 または 50mm、および磁極間距離が 10
または 20 mm の磁極間中央部分の一次元磁束密度分布を示す。横軸は径方向の座標を表し、0 は中心を表している。内径Fig.2 One dimensional magnetic flux distribution

が 30 mm の場合、磁束密度は 1.5 T 以上と大きいが、磁束の均一性はほとんど見られない。一方、内径が 50 mm の場合、磁束密度は 0.7 Ｔ以下と小さいものの、磁束の均一性が確認できる。
次に、各磁場分布の結果から 1%および 5%以内の均一度の割合を計算した。Fig. 3 に比較した結果を示す。内径が 50mm の方が 30 mm の場合よりも均一度は高いことがわかる。また、磁極間距離が 10 mm の場合では 20 mm の場合よりも均一度が高く、均一度が 1％の割合は内径が 50 mm の場合では、20 mm の場合と比較して 1.3 倍以上に向上した。
4．まとめ
本文は対向型バルク磁石装置の磁極間で均一磁場を発生

Fig.3 Comparison of the homogeneity

させることを目的として、既存のバルク体の着磁結果を用いて数値解析を行い、磁場分布や均一度の評価を行った。解析の結果、バルク体の内径が大きいほど、また磁極間距離が短いほど均一度が高くなることがわかった。

参考文献
1． 仲村：第 86 回 2012 年度秋季低温工学・超電導学会 講
演概要集（2012）2S-p01― 198 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-a09

Y 系バルク (2)細孔の大きさによるバルク体への着磁特性の影響
Influence of the hole size on magnetizing properties of a bulk superconductor
津久井 友隆，三田 裕幸，坪野谷 典之（足利工業大学）；岡 徹雄（新潟大）；横山 和哉（足利工大）
TSUKUI Tomotaka， MITA Hiroaki, TSUBONOYA Noriyuki (A.I.T.); OKA Tetsuo (Niigata Univ); YOKOYAMA Kazuya (A.I.T.)
1．はじめにでは、低温の場合、磁束の減少が抑制されているが、細孔の超伝導バルク磁石は、従来の永久磁石や電磁石よりも容大きさによる影響の違いは少ないと思われる。一方、高温の易に強磁場を発生させることができる。一方、近年の材料技

場合、試料 A、B 共に低温時に見られた抑制効果はなく、通術の進歩により、大型で高特性の試料においてパルス着磁が常試料よりも磁束の減少が大きくなることが分かった。

難しくなる傾向にある。本研究は、それらのバルク体を着磁し易くするため、細孔を開けたバルク体を提案し、着磁特性を評価している。これまでにφ2[mm]の細孔バルク体を用いて実験を行ってきたが、本文ではφ1[mm]の細孔バルク体で実験を行い、着磁特性への影響を比較・検討する。

5．まとめ
本文では、φ1[mm]の細孔を開けた試料でパルス着磁実験を行い、これまでのφ2[mm]の細孔と比較した。低温において細孔の有用性が確認でき、さらに細孔は大きい方が磁束の侵入が容易になることが確認できた。また、高温の場合、細孔

2．細孔ありバルク体の大きさにあまり関係なく、通常試料より磁束が大きく減少す一般にバルク体の growth sector region (GSR)は growth
sector boundary (GSB)に比べて超伝導特性が低いため、パる事が確認できた。今後、同一試料による細孔を開けたバルク体の捕捉磁場特性を検証する予定である。

ルス磁場を印加すると、GSR から選択的に磁束が侵入する。
しかし、前述の通り材料の大型化・高特性化に伴い、GSR でも超伝導特性が高く、磁場を侵入させることが難しくなってきた。
そこで、GSR に細孔を開け、意図的に超伝導特性を下げて、パルス磁場印加時に選択的に磁束を侵入させる方法を考案した。これにより、弱い磁場でも細孔部分から、効率的に磁束を侵入させることが出来る。しかし、その反面強い磁場を印加した際に、発熱に伴う磁束フローにより捕捉磁場が減少することが懸念される。Fig.１に細孔の大きさがφ1[mm](試料Ａ)とφ(a)hole size:φ1mm (b)hole size:φ2mm
Fig. 1. Photographs of bulk superconductors

2[mm]( 試 料 Ｂ ) の バ ル ク 体 の 写 真 を 示 す 。 両 試 料 と も
φ60×20[mm] の GdBa2Cu3O7-x で、細孔を端から 3、7、11、15[mm]の位置に、細孔を４ヶ所開けている。さらに、両試料には補強と冷却のために半田を充填している。
3．実験方法
Fig.１のバルク体を冷凍機に取り付け、真空断熱した後に冷却する。両試料ともに 3.1～7.0[T]の単一パルス磁場を、約0.8[T]間隔の大きさで印加する。これを 20～50[K]まで 10[K]ごとに行った。なお、いずれもパルス立ち上がり時間は約10[ms]である。各磁場印加後、三次元磁場分布測定装置に(a) 20K取り付けたホールセンサで、磁極表面の磁場分布を測定した。
4．実験結果Fig.2 に試料Ａ、Ｂ、及び細孔のない通常試料の各印加磁場における総磁束量を比較した結果を示す。試料Ａは 4.6[T]までの低印加磁場の場合、20 および 50[K]ともに試料Ｂと通常試料の中間的な特性を示している。5.4[T]以上の高印加磁場の場合、20[K]では磁束の減少傾向が試料Ｂとほぼ同じで、通常試料より磁束の減少が小さくなっている。一方、50[K]の印加磁場 5.4[T]の時は、試料Ｂよりも磁束の減少は少なかっ(b)50Kたが、印加磁場 6.2[T]以上では試料Ｂと同様に、通常試料よFig. 2. Comparison of total magnetic flux

り大きく磁束が減少することが確認できた。
これらの結果、低印加磁場では、細孔のサイズを大きくする
ことで、磁束が侵入し易くなることが確認できた。高印加磁場― 199 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p01
風力用大容量電気機器・電力機器

発電機の機器パラメータが発電機性能に及ぼす影響

牧 直樹， 許 媛媛 和泉 充 （東京海洋大学）
，

．はじめに
級の大容量
（高温超電導）発電
洋上風力用に機の開発研究が活発化しており、経済性の高い突極型
発電機の設計研究を進めている。今回は、改良した設計
機の運転温度や発電機外径など
プログラムを用いての機器パラメータが発電機性能に及ぼす影響を明らかにし、それに基づく最適設計結果について報告する。

は発電機の基本性能に及ぼす回転子鉄心部磁、極数 ､固定子外径束密度の影響を示す。運転温度の場合であり、回転子鉄心部磁束密度程度がバランスの良い電気性能を与えることが分かる。

．
機の基本性能と機器パラメータの影響改良した設計プログラムを用いて発電機性能 重量、効率、長さ に及ぼす機器パラメータの影響について検討した。
は発電機の基本性能に及ぼす界磁巻線運転温
固定子外径度の影響を示す。極数 ､極ピッチの場合であり、所要長さと発電機効率に及ぼす影響が大きいことが分かる。実際には、この発電機性能と冷凍機の動力・信頼性を考慮して運転温度を決めることになる。

．
機の最適設計機を対象に、上記機器パラメータの影響を
有効出力
に示す。界
考慮して最適化した主な電気設計結果を
磁巻線冷却法の異なる 種類を示しており、次項が分かる。
・ いずれも超低速機の性能向上のため、発電機外径がで発電機長さがの大口径短軸機である。
・ 低温運転時には導体電流密度が増大するので、
長さ
では
運転時の
、
に低減できる。
は 、～トンであり、低温になるほど幾・ 発電機重量は分軽量化するが、冷却温度の影響は小さい。
・
運転時の冷凍機動力は他機よりも著しく増大する。
以上の点から、現状では運転が望ましいと言える。
は発電機の基本性能に及ぼす固定子外径の影響を示す。運転温度、極ピッチの場合であり、
以上にしないと発電機重量が著しく増
固定子外径を大することが分かる。陸上輸送制限を越えるので、海上輸送法や分割部品の現地組立法の開発並びにを越える大口径発電機の製作法の開発が必要になる。

Operating temperature [K]Coolant for field winding
Stator outer diameter [m]Stator length [m]Magnetic flux [Wb/pole]
Magnetic flux density
in air gap [T]Magnetomotive force offield winding [kA/pole]
HTS field current [A]Length of HTS wires [km]Rotor weight [ton]Generator weight [ton]Armature copper loss [kW]Refrigerator power [kW]Generator efficiency [%]

77
LN2
14.1
0.312
0.119

68
Sub-cool LN2
14.1
0.313
0.119

50
Conduction
14.1
0.316
0.119

1.10

1.10

1.09

36.7

35.9

35.4

64
104
49
106
271
30
96.5

134
42
46
103
271
42
96.4

293
22
45
102
271
105
95.8

参考文献
１
２

― 200 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p02

電気機器・電力機器

高温超電導誘導同期回転機における電機子巻線技術開発
Technology development of armature windings in HTS induction/synchronous machine
中村 武恒 (京大)，伊藤 佳孝，吉川 雅章，寺澤 俊久 (イムラ材研)，福井 聡 (新潟大)，古瀬 充穂 (産総研)
NAKAMURA Taketsune (Kyoto Univ.); ITOH Yoshitaka, YOSHIKAWA Masaaki, TERAZAWA Toshihisa (IMRA MATERIAL);FUKUI Satoshi (Niigata Univ.); FURUSE Mitsuho (AIST)
E-mail: tk_naka@kuee.kyoto-u.ac.jp

Fig.1 Photograph of fabricated HTS stator

20

W - PhaseU - Phase

15
Voltage V (V)

１．はじめに
我々は，輸送機器への適用を目指した高温超電導誘導
同期回転機(High Temperature Superconducting Induction/Synchronous Machine: HTS-ISM)の研究開発を実施している[1]。本回転機は，かご形誘導機の回転子巻線を超電導化することにより，同期回転に伴う高効率化や高トルク密度化他の飛躍的高性能化を実現することができる。一方で，上記性能を究極化するためには超電導固定子巻線技術も確立する必要があるが，少なくともレトロフィット機としては，我々のグループの回転試験成功[2]の他はほとんど例が無いと思われる(最近になって，ケンブリッジ大学のグループが成功したとの報告があるが，詳細は不明)。全超電導回転機の真の革新性を明示するためには，低電圧駆動化ならびに低交流損失化の観点から大電流容量電機子巻線技術が不可欠になる(後述)。本研究では，大電流・低損失超電導固定子巻線技術を実現するために実施している検討現状について報告する。
２．高温超電導固定子巻線法の検討
Fig. 1には，NEDOプロで開発した高温超電導固定子(3相，8極, DI-BSCCOⓇテープ材使用)の外観写真[2]を示す。我々
は，本固定子とDI-BSCCO Ⓡ 回転子を組み合わせて回転数
1800 rpmにおける連続無負荷回転試験に成功した[2]。一方，
本プロジェクトでは冷却系まで含めたシステム全体の高効率化を志向しており，冷凍機COPの制約から77 K程度の高温運転を目指している。しかしながら，同温度ではHTSコイルの臨界電流が低く，Fig. 1に示す固定子巻線では30 A程度である。
従って，Fig. 1では巻数30に増やして高電圧駆動することで出力を維持しているが，これでは超電導化の圧倒的優位性を見出すことができない。さらに，固定子(電機子)巻線には3相交流通電されることから，交流損失低減技術も不可欠である。
上記背景に基づき，筆者は電機子巻線の大電流容量化が重要との認識のもとで研究開発を展開している。即ち，
HTS-ISMは所謂電気装荷極大化型回転機ということができ，鉄心を積極利用するが故に駆動電圧を低減して高トルク時の磁気飽和を抑え，その替わりに大電流容量導体化を実現する必要がある。そのためには，バンドル導体化が必須となり，かつその経験磁界を極限まで低減する必要がある。本回転機において，固定子巻線は鉄心スロット内に収められるが，その磁気鏡像効果をうまく利用することによって上記磁界を低減することが可能である。また，上記コイル経験磁界低減，
HTS特有のコイル巻線形状に伴うスロット占積率低下他の制約条件をクリアするため，1スロット1コイルサイドの単層巻が基本になるのでは無いかと考えられる。
一方，交流損失に関しては，電流負荷率の調整によって低減する戦略を考えている。電磁エネルギー変換に際しての超電導体の特長は，電界(E )－電流密度( J )構成関係にのみ現れる[3]。従って，上記構成関係さえ定量化できれば，形式的にはMaxwell方程式との組み合わせで議論でき，近年では市販の電磁界解析ソフトによって比較的容易に評価できる。ただし，量子化磁束の履歴運動が本質である交流損失(ヒステリ
シス損失)を議論する際には，非線形でかつ閾値を与える臨
界電流をしっかり考慮する必要がある。

V - Phase10

Percolation
model

5
0
-5
0

10

20
30
Current I (A)40

Fig. 2 Voltage(V )-current(I ) curves of DI-BSCCOⓇ
stator coil (Fig. 1).
３．大電流・低損失固定子巻線開発のための検討例
まず，固定子巻線(Fig. 1)の臨界電流について，定量評価を行った。評価に際しては，木須らが提案しているパーコレー
ション遷移モデルを利用した[4]。まず，スロット内の磁界ベクトル分布を 2 次元静磁界解析に基づいてデータベース化し，上記モデルを利用してコイルの通電特性を評価した。Fig. 2 にはその結果を示すが，立ち上がり付近を除いて実験結果と解析結果は良く一致している。立ち上がり付近の不一致は，コイ
ルエンドの影響を考慮していないことが主因と考えられるが，現在検討中である。さらに，上記解析コードを利用し，磁気鏡
像効果によってテープ材に垂直に印加される磁界成分を低減すると，Fig. 1 の固定子について臨界電流が 47.7 A(約 1.5倍)に改善された[5]。現在は，臨界電流 200 A 程度@77 K 程
度の固定子開発にも成功している(なお，既述した単層巻とすることで臨界電流はさらに改善すると期待される)[5]。
謝辞
本研究は，JSTの委託事業「戦略的創造研究推進事業 先
端的低炭素化技術開発(ALCA) (低炭素社会を支える輸送機
器用超伝導回転機システム)」の一環として実施された。
参考文献
1. 中村武恒: 応用物理, Vol. 82, No. 7 (2013) pp. 579-582
2. D. Sekiguchi, et al.: IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Vol. 22, No. 3 (2012) 5200904 (4 pp)
3. 松下照男：磁束ピンニングと電磁現象(産業図書) (1994)
4. 木須隆暢 他，低温工学，Vol. 34, No. 7 (1999) pp.322-331
5. 投稿準備中― 201 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p03

電気機器・電力機器

系統安定化用超電導フライホイール蓄電装置の検討
Study of superconducting flywheel energy storage system for power plant
長谷川 均，長嶋 賢,山下 知久（鉄道総研）；前田 忠和（クボテック）；松岡 太郎（古河電工）
宮崎 和也（山梨県）；清水 秀樹（ミラプロ）
HASEGAWA Hitoshi， NAGASHIMA Ken (RTRI) ; MAEDA Tadakazu (KUBOTECK)MATSUOKA Taro (FURUKAWA ELECTRIC) ; MIYAZAKI Kazuya (YAMANASHI Pref.) ; SHIMIZU Hideki (MiraPro)
E-mail: hasegawa.hitoshi.10@rtri.or.jp
1．はじめに現在、NEDO の助成事業により、系統安定化用蓄電装置
をプロジェクト各社とともに開発している。蓄電装置としては、二次電池、電気二重層キャパシタなどいくつかの方法が考えられるが、我々のプロジェクトでは、寿命、コスト、蓄エネルギ
容量、出力等を検討し、フライホイールを用いた蓄電装置の適用を検討している。フライホイール蓄電装置は、電力を回転エネルギに変換して蓄エネルギを行うため、電気化学的な反応を使用しない。このため、二次電池等で課題となっている、
化学的な劣化を生じない。また、鉛やカドミウムなどの有害物
質を含まない、リチウムなどの希少な元素を使用しないなどの特徴がある。さらに、蓄電容量と出力を独立して設計できるため、高出力低容量や低出力高容量といった機器設計の自由度が大きい。一方で、体積当たりの蓄エネルギ量が二次電池等に比べると小さいといった課題があり、弾み車の大質量化
や高回転化の必要がある。
本報告では、現在検討中のフライホイール蓄電装置の概要について述べる。
2．超電導フライホイール蓄電装置の構成
弾み車は直径２ｍ程度であり、炭素繊維は通常のフィラメ
ントワインディングを使用しない円形螺旋織物方式を検討している。この織物方式では、直径が大きく厚み方向に薄い弾み
車を作ることができる特徴がある。このような円盤状のものを積み重ねることにより、蓄エネルギ容量に応じた弾み車が構成できる。回転数は定格で 3,000～6,000ｍｉｎ-1 で運転し、例えば、弾み車質量１,000kg で 30ｋWh 級、3,000kg で 100kWh 級、
10,000ｋｇで 300kWh といったスケールアップができる。
このような重量物を損失を極力少なく浮上するため、ステータにＲＥ系高温超電導コイル、ローターに高温超電導バルク体を使用し非接触で支持する構造とした。また、冷凍機損失の低減や冷却期間の短縮をはかるため、低温とする部分を
超電導軸受部分のみに限定し、弾み車を格納した容器は減圧とするものの常温となる構成とした。発電電動機は永久磁
石同期電動機を使用し、電力変換器の直流で系統とやりとりをする。(Fig.1)

発電
電動機

継手

真空シール
減圧槽
補助軸受

真空ﾎﾟﾝﾌﾟ
弾み車

補助軸受制御装置
補助軸受

超電導
軸受

SCﾊﾞﾙｸSC ｺｲﾙ

冷凍機

圧縮機

励磁電源

Fig.1 Flywheel energy storage system using superconducting
bearing
太陽光発電所 所内6kVﾌｨｰﾀﾞｰ
6.6kV 3Φ3W 50Hz

系統
連系装置

変圧器
1000kVA
6.6kV／270V

単独運転
検出装置

実証用変圧器
300kVA
6.6kV／400V

∆
Y

∆
Y

PCS
(1000kW)

3．太陽光発電所との系統連系実証試験として山梨県米倉山の太陽光発電所に接続し系
統安定試験等を行う予定である。(Fig. 2)実証試験では、太陽光発電装置とは 6.6ｋV 交流系統で連系する予定であるが、直流リンク部での電力安定化も検討していきたい。
4．おわりに現在、系統安定化に限らず、安全、低コスト、安定な蓄エネルギ装置の要望が高くなってきており、フライホイール蓄電装置が注目されている。大きな重量の弾み車を低損失で支持する構成として超電導軸受を使用することを提案し、実証試験を行っていく予定である。
なお、この研究開発は NEDO 助成事業「次世代フライホイ
ール蓄電システムの開発」にて行われている。

ドライブ用
インバータ

DC600V

双方向ｺﾝﾊﾞｰﾀ±300kW

SP SP

SP SP

ﾄﾞﾗｲﾌﾞ用
ｲﾝﾊﾞｰﾀ±300kW

FW
MG

太陽光パネル合計約1MW

Fig.2 Circuit diagram of photovoltaic power plant
参考文献
1. Arai, Yoshizawa, Kashiwagi, Nagashima: "Contactlessrotation of high temperature superconducting magnetic
bearing over 20-kN load ", Spring meeting of Cryogenics
and Superconductivity, May 2013 (in Japanese)― 202 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p04

電気機器・電力機器

高温超電導体を用いた可変リアクトルに関する基礎検討
Fundamental study on variable reactor using a high temperature superconductor
佐藤 裕太，本田 慎太郎，宮城 大輔，津田 理（東北大）
SATO Yuta， HONDA Shintaro, MIYAGI Daisuke, TSUDA Makoto (Tohoku university)
E-mail: yutasato@ecei.tohoku.ac.jp
1．はじめに分散型電源である風力発電や太陽光発電の大量導入に伴い，急峻な電圧変動や逆潮流による系統末端電圧の上昇といった問題が生じる可能性がある。このため，電圧調整装置が重要な役割を果たすことになるが，既存の電圧調整装置
である SVR では，機械式のタップ切換のため，急峻な変動に対応できず，連続的な電圧調整ができない。また，SVC では，半導体を使用しているため，装置が大型化し，回路が複雑になるため高価となる[1]，といった課題がある。そこで，本研究では，高温超電導体を用いた超電導可変リアクトルの構造や動作原理等について検討した。

御することで，リアクトルのインダクタンスを任意にコントロール
できることを確認した。

2．超電導可変リアクトルの構造と動作原理
超電導可変リアクトルの構造を Fig.1 に示す。鉄心に一次巻線と励磁用コイルを巻いた超電導バルク体（以下，バルク体）を取り付けた構造である。バルク体に磁場を印加していな
い状態では，一次コイルで発生した磁束はバルク体によって打ち消されるため，装置には漏れインダクタンスのみが生じる。
一方，バルク体に巻いたコイルにより磁場を印加すると，バルク体の臨界電流密度が低下し，鉄心内に磁束が生じる。従って，バルク体に印加する磁場の大きさを制御することで，リア
クトルのインダクタンスを任意にコントロールすることが可能となる。

Magnetic flux density in iron [mT]Fig.1 Superconducting variable reactor

3．超電導可変リアクトルの動作原理の検証実験
Fig.1 に本検証実験で使用した小型モデルを示す。本実験
では，鉄心内の磁束を検出するためにピックアップコイル(φ0.8mm，20 turns)を用いた。小型モデルは，鉄心(断面積 100mm2 ，磁路長 400 mm)，一次コイル(φ0.5mm，20 turns)，
YBCO バルク体（内直径 16 mm，外直径 27 mm，高さ 10 mm），
励磁コイル(φ0.3mm，100 turns，ソレノイド)で構成されている。
まず，室温及びバルク体が超電導になっている状態において鉄心内の磁束密度を測定し，バルク体の遮蔽特性を評価した。
次に，バルク体が遮蔽できる範囲内で一次起磁力を固定し，励磁コイルに通電する電流量(バルクに加える磁束密度)を変化させたときの鉄心内の磁束密度を測定し，インダクタンスの変化量を算出した。

5．まとめ
鉄心及び一次コイル，励磁コイルを巻いた超電導バルク体で構成される超電導可変リアクトルを提案し，その動作原理を検証した。そして，バルク体に印加する磁束密度の大きさを制

0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

with bulk
w/o bulk

10
20
30
40
Primary magnetomotive force [AT]50

Magnetic flux density in iron [mT]Fig.2 Magnetic shielding characteristics of YBCO bulk
0.05

B=0.042 (w/o bulk)
0.04
0.03
0.02
wtih bulk
w/o bulk

0.01

NI = 4.58 [AT]

0
0

5
10
15
Magnetic flux density applied to bulk [mT]20

Fig.3 Magnetic shielding characteristics of YBCO bulk
with applied magnetic field0.4

L=0.336 (w/o bulk)
0.3

Inductance [mH]4．実験結果バルク体の遮蔽特性実験の測定結果を Fig.2 に，バルク体を励磁した時の鉄心内の磁束密度の測定結果を Fig.3 に，そのときのインダクタンスの変化を Fig.4 にそれぞれ示す。Fig.2
より，一次起磁力が大きくなるにつれて鉄心内の磁束密度が大きくなることが確認された。そして，一次起磁力が 6 AT 程度
までは鉄心内に磁束が発生せず，バルク体内に誘起される電流によって遮蔽できることが分かった。また，Fig.3，4 より，バルク体に印加する磁束密度を大きくするにつれて，鉄心内の磁束密度が大きくなり，それに応じてリアクトルのインダクタ
ンスも大きくなることが分かった。

0.5

0.2
0.1
0
0

with bulk
w/o bulk

5
10
15
Magnetic flux density applied to bulk [mT]20

Fig.4 Inductance of primary coil as a function of magnetic flux density
applied to YBCO bulk

参考文献
1. T.Ohinata, et al.:T. IEE Japan, Vol.126-A, No.10 (2006),
pp.997-1003― 203 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p05

電気機器・電力機器

高温超伝導リニアスイッチトリラクタンスモータの通電特性評価
Evaluation of current-carrying properties of HTS linear switched reluctance motor
平山 斉，浅川 慎一郎，川畑 秋馬（鹿児島大）
HIRAYAMA Tadashi， ASAKAWA Shinichiro， KAWABATA Shuma (Kagoshima University)
E-mail: hirayama@eee.kagoshima-u.ac.jp

2．HTS-LSRM 固定子の構造および実験方法
HTS-LSRM 固定子の写真を Fig. 1 に示す。本 LSRM の固
定子鉄心は突極構造をしており，固定子の各突極部に集中巻された励磁巻線が施される。励磁巻線は三相であり，図は三相のうち一つの相のみに施された 4 個のコイルからなる励磁巻線を示している。励磁巻線には Bi-2223 テープ線材を用いた。本実験機は，高温超伝導線材を LSRM に用いた場合の基本的な特性や数値解析による特性算定法などを評価することを目的としていることから，実用化には適さないがBi-2223 テープ線材を使用している。使用した Bi-2223 テープ
線材の臨界電流は，77 K，自己磁界中で 80 A である。コイル
形状はレーストラック型ダブルパンケーキコイルで，ターン数
は 1 極あたり 24 ターンである。ダブルパンケーキを構成する 2つのコイルは，コイルの最内周で巻線に使用した Bi-2223 テープ線材を用いて，はんだ付けで接続されている。
Fig. 1 に示す励磁巻線を用いて，空芯および鉄心中のコイルの電圧 V－電流 I 特性を測定した。電圧は，各極のコイルに電圧端子を取り付けてそれぞれのコイルで測定した。また，コイルの冷却は，励磁巻線を施した固定子全体を液体窒素に浸して行った。
3．測定結果Fig. 2 に，励磁巻線に直流電流を通電したときの V-I 特性の測定結果を示す。図には，励磁巻線を構成する 4 個のコイ
ルのうち，1 個のコイルの結果を示している。横軸は通電電流値，縦軸はコイルの電圧値である。図より，電流が小さい領域
で電圧がほぼ電流に比例して増加していることが確認される。
これは，ダブルパンケーキコイルの最内周で接続に用いているはんだの抵抗によるものであると考えられる。また，鉄心中と空芯で V-I 特性がほとんど変化していないことが確認される。
この特性の数値解析による考察については当日に報告する。
4．HTS-LSRM の駆動回路
本リニアモータの励磁巻線には，可動子位置に応じて一定振幅の方形波電流が供給される。本リニアモータの駆動システムは，このような電流を供給するために電流形インバータを用いた駆動システムを構成している[2]。Fig. 3 に駆動システ
ムを示す。本駆動システムは，整流回路，チョッパ回路，電流形インバータ，クランプ回路および非対称 H ブリッジインバー
タから構成される。チョッパ回路は，平滑用リアクトル Ls に流れる電流が電流振幅指令値となるように動作する。電流形インバータは負荷側への通電の制御を行い，電源側から負荷側へ電流を供給しない動作が可能であるため，LSRM の自在な印加角制御を実現できる。クランプ回路では，励磁する相の切替え時に発生するサージ電圧を抑える。非対称 H ブリッジインバータでは，電流形インバータから出力された電流を通電する相の切替えを行う。Fig. 2 の V-I 特性を電流値に依存する非線形抵抗素子として扱った場合の通電特性のシミュレ
ーション結果や磁界解析結果については当日報告する。

HTS coil

HTS coil

Stator iron coreFig. 1 Photograph of the HTS-LSRM stator
1
without iron corewith iron core

0.8
Voltage (mV)

1．はじめに産業応用分野においてリニアモータを動力源としたリニア
ドライブシステムが数多く利用されている。リラクタンス力を利用したリニアスイッチトリラクタンスモータ（LSRM）は，高性能な希土類永久磁石を必要とせず，堅牢かつ安価な可変速モータとして期待されているが，産業応用分野に適用するためにはモータのサイズおよび質量の低減，ならびに推力，効率の改善が要求される。本研究では，LSRM の高効率化，高推力化を目指して，励磁巻線に高温超伝導体を使用した LSRM
（HTS-LSRM）を提案している[1]。今回，固定子鉄心に巻線された高温超伝導励磁巻線の通電特性を評価したので，その結果について報告する。

0.6
0.4
0.2
0
-0.2

0

5

10

15

20 25 30
Current (A)

35

40

45

Fig. 2 Measured results of V-I characteristics
RectifierChopper
circuitAsymmetrical H-bridge inverter

Ls
Cs

Clamp
circuitCurrent
sourceinverterA-phaseB-phaseC-phaseHTS-LSRM

Fig. 3 Driving circuit configuration for the HTS-LSRM
参考文献
1. T. Hirayama, et al.: Abstracts of CSJ Conference, Vol. 87(2013) p.125
2. T. Hirayama, et al.: 2013 IEE-Japan Industry Application
Society Conference, Vol. 3, No. 3-74 (2013) pp.355-356― 204 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p06

核融合 (2)ヘリカル型核融合炉 FFHR-d1 の超伝導コイル断面内応力解析
Analysis of structural components of a superconducting coil for the LHD-type helical fusion
reactor FFHR-d1
田村 仁，柳 長門，高畑 一也，相良 明男（NIFS）
TAMURA Hitoshi， YANAGI Nagato, TAKAHATA Kazuya, SAGARA Akio (NIFS)
E-mail: tamura@nifs.ac.jp
1．はじめに
現在核融合研では、ヘリカル型核融合炉 FFHR-d1 の概念設計を進めている。FFHR-d1 は大型ヘリカル装置(Large
Helical Device; LHD) の４倍の大きさ基本形とした主半径15.6m の装置である[1]。超伝導コイルは、強制冷却あるいは間接冷却が候補となっており、超伝導導体として Nb3Sn、
Nb3Al の他 ReBCO 等の高温超伝導体の採用も考えられている。このようにいくつかの候補材料や冷却方式が検討段階にある状況ではあるが、超伝導マグネットシステムとして、その全体構造を決めなければ、プラズマ真空容器、重力支持、クライ
オスタットといった他の機器の検討を進めることができない。そのため、コイル巻線部の剛性を LHD や ITER 等のこれまでの実績を元に仮定することより支持構造物の応力・変形状態を解析して、設計を進めてきている[2]。
一方、ヘリカルコイル断面内の超伝導導体、冷却機構、絶縁物等の健全性評価は、マグネットシステムの成立性を示す上で不可欠である。しかしながら、いくつかの設計オプションに対応したコイル断面構造を詳細にモデル化し、支持構造物
を含めて応力解析を行うのは、コイル内部が数ミリ単位のスケールであるのに対し、全体寸法が数十メートルに達するため現実的ではない。そのため全体解析とマルチスケール解析による局所的な解析を行い、機械的挙動について評価した。
2．ヘリカルコイル断面形状
ヘリカルコイルの断面形状は、核融合炉のプラズマ閉じ込
め磁場を決めるのと同時に、発生する電磁力に大きく影響する。FFHR-d1 の設計では、Fig.1 に示すように。ヘリカルコイルの電流中心が小半径 3.744m の位置に設定され、コイルの底側はプラズマおよびブランケットとの干渉を回避するために階段状となっている。巻線部分は 390 本の超伝導導体で、1 本は 94kA の電流値で、絶縁物や冷却機構を含めて 62mm 角の正方形をその領域としている。この断面形状を元に、磁場分布を求めた。磁場計算においては 62mm 角部分に均等に電流が流れるものとした。

4．コイル断面内応力解析
支持構造物の解析で得られたコイル巻線部の応力・ひずみ分布は等価な剛性を持つ単一材料の値となるが、マルチスケール解析を考慮して、モデル化の際に導体１本の外形を保つようにし、巻線方向に進み角毎に分割した。この等価な要素に作用するひずみを境界条件として別に作成した詳細な導体モデルで解析を行った。Fig.3 は Fig.2(b)のコイル底部の導体に対して適用し、円形のケーブルインコンジット導体が絶縁層を介して支持プレートで囲まれている形状を模擬した場
合の結果の例で、導体部のせん断応力分布を示したものである。講演では、種々の超伝導導体種類や断面構成による機械的挙動の違いについて評価した結果について詳細を報告する。
参考文献
1. A. Sagara, et al., Fusion Engineering and Design 87 (2012)
pp. 594.
2. H. Tamura, et al., Fusion Engineering and Design, 88(2013) pp.2033.

Fig.1 Cross section of the helical coil perpendicular to thecoil winding direction.

3．支持構造物の応力解析
磁場分布から導体に作用する電磁力をコイル断面毎に積算すると、最大で 64MN/m の電磁力がコイルに作用する。この電磁力を支持するために、SUS 製のトーラス構造物でヘリカルコイルを覆うが、核融合炉では、ブランケットの遠隔保守
や加熱・計測機器のためのアクセスポートが必要なため、支持構造物はなるべく大きな開口部を持つことが望ましい。そのため、支持構造物の形状の修正と応力計算を繰り返し行い、形状を決めていった。ここでの計算では、広域的な応力分布を知ることが目的なため、超伝導部分は導体の断面面積率による複合則から得られる等価な剛性をモデルに与えて解析を行った。ヘリカルコイルは 3 次元形状なので、導体に作用する
電磁力分布もコイルの空間的な場所および断面内の導体の位置によって変化するので、導体一本一本の領域をモデル化し、電磁力を与えた。Fig.2 に得られた広域的な応力分布とコイル巻線部を拡大した部分を示す。支持構造物に発生する最大相当応力は 660MPa で SUS316LN 等の許容応力内となった。

― 205 ―

(a)(b)
Fig.2 (a) Spatial stress distribution of the support
structure. (b) Longitudinal strain distribution in a helicalcoil cross section.

Fig.3 In-plane shear stress distribution in asuperconductor.
第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p07

核融合 (2)ヘリカル型核融合炉への適用をめざした
100 kA級高温超伝導導体の製作と試験 ―(1)全体概要―
Fabrication and testing of a 100 kA-class HTS conductor developed forthe helical fusion reactor ―(1) Overview―
柳 長門(NIFS)，寺﨑義朗（総研大），伊藤 悟，清野祐太郎（東北大），夏目恭平，濱口真司，野口博基，田村 仁，三戸利行，相良明男 (NIFS) ，橋爪秀利（東北大）
YANAGI Nagato (NIFS), TERAZAKI Yoshiro (Sokendai), ITO Satoshi, SEINO Yutaro (Tohoku Univ.),
NATSUME Kyohei, HAMAGUCHI Shinji, NOGUCHI Hiroki, TAMURA Hitoshi, MITO Toshiyuki,
SAGARA Akio (NIFS), HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: yanagi@LHD.nifs.ac.jp
１． はじめに概念設計が進んでいるヘリカル型核融合炉 FFHR-d1 の超伝導マグネットシステムは、蓄積磁気エネルギーが 160 GJ に及び、3 次元形状をしたヘリカルコイル（大半径 15.6 m）には、最大経験磁場 12 T において 100 kA 級の導体が要求される[1]。その選択肢のひとつとして、高温超伝導（HTS）導体を検討している。HTS 導体は冷却安定性が高く、クエンチする心配を大幅に軽減できるとともに、巨大なヘリカルコイルを短尺
導体の接続によって迅速に製作できると期待される[2-4]。
2012 年より、NIFS と東北大学・量子エネルギー工学専攻との共同研究として大電流容量 HTS 導体サンプルを製作し、NIFS の大型導体試験装置を用いて特性試験を行っている[4-6]。前回までに報告した 30 kA 級導体では、温度 20 K、磁場 6 T において 45 kA の臨界電流を確認した。今回は、100kA 級導体の試験結果について報告する。

Fig. 1 Cross-sectional image of the 100kA-class HTS conductor
sample.

２． 100 kA 級 HTS 導体サンプル
導体サンプルの断面構成を Fig. 1 に示す。フジクラ製のGdBCO 線材（FYSC-SC10、幅 10 mm、厚み 0.22 mm、臨界電流 ~600 A@77 K、s.f.）を合計 54 枚用い、3 列×18 層で単純積層して銅ジャケットに収めた。30 kA 級導体では、GdBCO
線材は 20 枚（2 列×10 層）使ったため、線材量は 2.7 倍となった。外側には機械的な固定のためにステンレスジャケットをボルト締めし、これにヒータを仕込み FRP ジャケットで断熱することで液体ヘリウム中において温度 30 K までの試験を可能とした。さらに 20 mm 厚のステンレス板を配置し、強大な電磁力を支えた。サンプル全体はレーストラック形状であり、東北大学
によって開発された機械的ブリッジジョイント[5]を入れて１ター
ンループを形成し、スプリットコイルで印加した外部磁場を変化させて電流を誘起した。
３． 通電試験結果の概要
温度 20 K において臨界電流を測定したときの通電波形をFig. 2（上）に示す。サンプル電流は、ロゴスキーコイルを用いて測定した。この場合、サンプル電流が 103 kA に達したところ
でクエンチが生じている。外部磁場は 5.3 T であった。この場
合、クエンチは機械的な固定の甘い円弧部から生じた可能性があり、検討している。一方、Fig. 2（下）は、温度を 4 K まで下げ低磁場においてサンプル電流が 120 kA まで達した例である。この場合、クエンチは生じず、その後、約 20 分に至る減衰
時定数を確認した。この時定数よりサンプルのインダクタンス
をもとに接続抵抗が求めまり、所定の接続抵抗率を達成したことが確認できた。これについては、次の講演で報告する[7]。
一方、導体全体の臨界電流に関する数値解析も進めており、サンプル電流によって生じる自己磁場が線材テープ面に垂直方向に作る成分が臨界電流を支配的に決めていることがわかった[6]。この解析についても別途報告する[8]。

Fig. 2 Waveforms of the sample current and bias magnetic fieldmeasured at temperature 20 K (upper) and 4.2 K (lower).
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]

― 206 ―

A. Sagara et al.: Fusion Eng. and Des. 87 (2012) 594.
H. Hashizume et al.: Fusion Eng. and Des. 63 (2002) 449.
N. Yanagi et al.: Fusion Sci. and Tech. 60 (2011) 648.
N. Yanagi et al.: to be published in IEEE Trans. Appl SC.
S. Ito et al.: to be published in IEEE Trans. Appl SC.
Y. Terazaki et al.: to be published in IEEE Trans. Appl SC.
S. Ito et al.: Abstract CSJ Conf. 88 (2013) 3C-p07.
Y. Terazaki et al.: Abstract CSJ Conf. 88 (2013) 1P-p25.
第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p08

核融合 (2)ヘリカル型核融合炉への適用を目指した 100 kA 級高温超伝導導体の製作と試験(2) 接合部抵抗評価
Fabrication and test of a 100 kA class HTS conductor to be used for a helical fusion reactor(2) Evaluation of joint resistance伊藤 悟，清野 祐太郎（東北大）; 柳 長門（NIFS）; 寺﨑 義朗（総研大）; 相良 明男（NIFS）; 橋爪 秀利（東北大）
ITO Satoshi， SEINO Yutaro (Tohoku Univ.); YANAGI Nagato (NIFS);TERAZAKI Yoshiro (Sokendai); SAGARA Akio (NIFS) HASHIZUME Hidetoshi (Tohoku Univ.)
E-mail: satoshi.ito@qse.tohoku.ac.jp
1．はじめに
ヘリカル型核融合炉 FFHR-d1[1]のマグネットに適用できる
100 kA 級の高温超伝導（HTS）導体の開発へ向け，NIFS と東北大の共同研究で大型 HTS 導体サンプルの製作と試験を行っている。また，マグネットを分割製造し，組み立てて使用する分割型高温超伝導マグネットの採用を検討していることから[2,3]，導体サンプルは機械的ブリッジジョイントを用いた接合部を有する。これまで 30 kA 級 HTS 導体サンプルを製作して通電試験を行い[4]，接合抵抗が許容値以下に低減できることを示してきた[5-7]。このたび，導体をさらに大型化し，100 kA 通電試験を行うこととなった。本講演では，100 kA 級
導体の接合部の設計・製作，予備試験・本試験での接合抵抗の評価結果について報告する。なお，本試験の概要，および通電電流値の評価については，別講演[8]にて報告する。
2．導体サンプル構成
Fig. 1 に 100 kA 級 HTS 導体サンプルの構成を示す。導体
サンプルは 3 列 14 層（3 列 18 層）に単純積層された GdBCO
テープ（フジクラ製 FYSC-SC10）を銅ジャケット，ステンレスジ
ャケットに収めて製作しており，機械的ブリッジジョイント（接合面に In 箔を挿入）により接続してレーストラック形状の 1 ターン
ループとしている。30 kA 級導体サンプル（2 列 10 層）[4-7]では，接合部の GdBCO テープを全て配置してから接合力を負荷して機械的接合を行ったが，今回は橋渡し部の GdBCO テ
ープを 1 層配置するごとに接合力（接触圧力 119 MPa）を負荷し，接合状況を逐一確認する施工方法に変更した。
3．接合抵抗の評価結果
100 kA通電試験に先駆けて，3列4層のGdBCO導体を機械的ブリッジジョイントしたサンプルの通電試験（予備試験）を東北大学にて実施した。予備試験では，各層に独立した電流供給端子を取り付けて，液体窒素中で層ごとに接合抵抗を評価した。電流と層ごとの接合抵抗率（接合抵抗×接合面積）・
全層の平均接合抵抗率の関係をFig. 2に示す。接合抵抗の平均値は過去の1列1層・2層の試験結果[9]における接合抵
抗の2倍程度に抑えることができた。
Fig. 3にNIFSで行った3列14層導体の通電試験での接合
抵抗・接合抵抗率の評価結果および予備試験と過去の試験[9]における接合抵抗率を示す。電流は外部磁場の変化（電磁誘導）によって印加し，ロゴスキーコイルにより評価した。接合抵抗は外部磁場を一定にした後の電流の減衰時定数よりを評価している。本試験では，データごとに到達電流が異なる（23～120 kA[8]）が，到達電流が100 kAを超えても接合抵抗が上昇しないことを確認できた。また，自己磁場時の接合抵抗は，予備試験における測定値の約1/2となった。20 K以下における接合抵抗は77 Kにおける接合抵抗の約1/2である
ことが要素試験[10]により示されており，今回の試験結果は妥
当な結果と言える。外部磁場増加にともなう接合抵抗増加は，
磁気抵抗効果によるものと考えられ，定量的評価については
今後の課題である。また，1列1層・2層の場合[9]の接合抵抗に比べて，今回の接合抵抗の評価結果が高くなっているのは，接合面における接触圧力分布の不均一性に起因するものであると考えられ，こちらの改善についても今後の課題となる。

Fig. 1 Sample's structure in the test

Fig. 2 Joint resistivity as a function of applied current in a pilot
experiment.

Fig. 3 Joint resistance and joint resistivity as a function of bias
magnetic field (sample current is also shown in this figure)
参考文献
1. A. Sagara, et al.: Fusion Eng. Des. Vol. 87 (2012) p.594
2. H. Hashizume, et al.: Fus. Eng. Des., Vol. 63 (2002) p.449
3. N. Yanagi, et al.: Fus. Sci. Tech., Vol. 60 (2011) p.648
4. Y. Terazaki, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Accepted
5. S. Ito, et al.: Abst. CSJ Conf., Vol. 86 (2012) p.216
6. S. Ito, et al.: Abst. CSJ Conf., Vol. 87 (2013) p.36
7. S. Ito, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Accepted
8. N. Yanagi, et al., Abst. CSJ Conf., Vol. 88 (2013), 3C-p07
9. K. Kawai, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 23,(2013), p.4801704
10. Y. Seino, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Accepted― 207 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p09

核融合 (2)

CIC 導体の撚りピッチがケーブル内の循環電流分布に及ぼす影響
Influence of Twist Pitches on Circulation Current Distribution in a CIC Conductor
森村 俊也，渡部 一晃，伊東 大貴，宮城 大輔，津田 理(東北大);
濱島 高太郎（八戸工業大）；谷貝 剛（上智大）；小泉 徳潔，布谷 嘉彦(JAEA);高畑 一也（NIFS）
MORIMURA Toshiya, WATANABE Kazuaki, ITO Hiroki, MIYAGI Daisuke, TSUDA Makoto(Tohoku University);
HAMAJIMA Takataro(Hachinohe Institute of Technology); YAGAI Tsuyoshi(Sophia University); KOIZUMI Norikiyo,
NUNOYA Yoshihiko(JAEA); TAKAHATA Kazuya(NIFS)
E-mail: morimura@ecei.tohoku.ac.jp
1．はじめに超電導マグネットを構成する CIC 導体は，多数の超電導素線を多段階に撚り合わせたケーブル構造を持つ。このケーブ
ルに変動磁場が印加されることにより，素線間ループ部分に循環電流が誘起されるが，ケーブル構造の乱れなどにより，この循環電流分布が不均一になることが考えられる。
本研究では，我々が考案した推定手法[1]より求めた素線軌跡に対し，超電導マグネットの簡易運転モデルにおける循
環電流分布を解析した。さらに，導体の撚りピッチを変化させた素線軌跡に対して循環電流分布を解析し，導体の撚りピッチが循環電流分布に及ぼす影響について検討・考察した。

4．まとめ
ある CIC 導体において素線軌跡を推定し，超電導マグネッ
トの簡易運転モデルにおける循環電流分布を解析した。その結果，導体内の循環電流分布が非常に不均一となることが確認された。そこで，撚りピッチの値を変化させた素線軌跡についても同様に循環電流分布を解析したところ，電流分布の不均一性が抑えられるとともに，周期性が表れることがわかった。
よって，導体内の循環電流分布は，撚りピッチの大きさだけではなく，その組み合わせに大きく依存することが考えられる。
謝辞：本研究の一部は JSPS 科研費 24360103 の助成を受けたものです。

2．簡易運転モデル
CIC 導体の諸元を Table 1 に示す。素線数は 486 本である。
本研究では，4 m の直線導体に対し，導体断面の長軸方向のみで均一な外部磁場が印加される場合を考える。
超電導マグネットに電流を流すと，電流に比例した磁場が発生し，導体に印加される。超電導マグネットはパルス運転を行うことから，本研究では外部印加磁場として台形波を考えた。
本研究で用いる CIC 導体では，運転電流 31.3 kA に対し，最大磁場 5.0 T が印加されることになる。よって，電流の立ち上がり速度を 200 A/s とすると，磁場の時間変化率は約 0.032
T/s (= 5.0 T/156.5 s)となる。磁場の立ち下がり速度は，立ち上がり時と符号が異なるものの大きさは同じであるとした。また，
フラットトップ領域は，10.0 s とした。

Table 1 Specifications of CICC
number of strands
486
strand diameter [mm]0.89cable size [mm]20.5×24.8
conductor length [mm]4000

3．循環電流分布の様子
我々が考案した推定手法を用いて素線軌跡を解析し，簡易運転モデルにおける循環電流分布を解析した。素線軌跡の検討は 5 段階の撚りピッチが「70/120/170/250/400 mm」となるもの(「軌跡 1」)と「40/80/100/200/400 mm」となるもの(「軌跡 2」)の 2 種類について行った。また，循環電流分布は，導体内部の素線間ループを LR 回路として計算した。ループインダ
クタンスは，素線間ループを単一ループコイルとして求め，ループ端部の素線間接触抵抗は，我々が実施したジョイント部の抵抗測定試験結果[2]を参考に導出した。
Fig.1(a),(b)に軌跡 1,2 について，486 素線のうちある 1 つの4 次サブケーブル(81 素線)に磁場の立ち上がり開始から
78.25 s 後に生じている循環電流分布を示す。このとき，素線には 1 本当たり，約 30 A の輸送電流が流れている。Fig.1(a)より，軌跡 1 における循環電流分布は，非常に不均一となり，導体長手方向に対しても大きく変化している。一方，Fig.1(b)より，軌跡 2 の場合は，循環電流分布の不均一性が抑えられ，周期的な分布が得られた。1-5 次の撚りピッチの最小公倍数が素線軌跡の周期を示す。軌跡 1 の撚りピッチの最小公倍数
が 714 m と長いのに対し，軌跡 2 のものは 0.4 m と短い。よって，軌跡 2 の方が素線間の接触間隔の短いループが多く表れ，循環電流が小さくなったと考えられる。以上より，循環電流分布は，撚りピッチの値だけではなく，その組み合わせに大きく依存することが考えられる。

(a) path 1(b) path 2
Fig.1 Circulation current distributions in two types of CICCs
with different twisting pitch combinations
参考文献[1] D.Miyagi, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.22
No.3 (2012) P.4802104[2] 森村 俊也, 他.: 低温工学講演概要集, Vol.87 (2013)
P.39― 208 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会

3C-p10核融合 (2)

ＬＨＤヘリカルコイルの片側常伝導伝播の常伝導長に対するサブクールの効果
Effects of subcooling on the length of a propagating normal zone in the LHD helical coils..
今川 信作，尾花哲浩，柳長門，野口博基(NIFS)IMAGAWA Shinsaku , OBANA Tetsuhiro, YANAGI Nagato, NOGUCHI Hiroki (NIFS)
E-mail: imagawa@LHD.nifs.ac.jp
12

Current (kA)

1. はじめに
大型ヘリカル装置（ＬＨＤ）のヘリカルコイルでは，図 1 に示す
ように，飽和ヘリウム冷却の場合に 11.0 kA 以上の電流値で片側常伝導伝播，11.4 kA 以上では両側伝播が起こり得ることが実験で確認されている[1]。冷却安定性を改善するために，供給温度を 3.5 K，コイル出口温度を 4.0 K 以下に低下させた場
合には，片側伝播の起こり得る電流値（最小伝播電流）が 11.4
kA まで上昇する。このサブクール冷却の場合，励磁による発熱の影響を小さくするため，11 kA で 2 時間の電流保持を行ってからそれ以上の励磁を行うようにしている。この方法での常伝導伝播がこれまでに２回観測され，バランス電圧の最大値が飽和
ヘリウム冷却の場合の半分程度に小さいことが再現した。

Both side @4.4 K>1 pitch @4.4 K<1 pitch @4.4 K
Subcooled

11.5

23rd
25th

11

10.5

Im.p. of HC (subcool)Im.p. of HC at 4.4 K
Im.p. of conductor
samples@4.42 K
before subcool

5.2@ 3.49 K@ 4.42 K after subcool

17th

5

Model coil(B//12.5) (B//18)

5.4
5.6
5.8
Magnetic Field (T)66.2

τ=0.06 sStart recovery

11.2 kA, 4.4 K
11.6 kA, 4.4 K
Cal_tr=0.04 s
Cal_tr=0.08 s

Balance Voltage, eI-eM/α (mV)Fig. 1. Minimum propagating current, Im.p., of LHD helical coil.
2. 測定結果
The magnetic fields of LHD are at the bottom.
ヘリカルコイルは I, M, O の３つのブロックに分割されており，I
15
No.
Current of H-O/M/I (kA)
ブロックに常伝導が伝播する場合に M と O には導体内の電流
17th(4.4 K): 11.00/11.00/11.00
23th(3.9 K): 11.53/11.40/11.40
重心の変化に伴う誘導電圧が誘起される。I の 1 層目を常伝導
25th(3.9 K): 11.80/11.75/11.20が伝播する場合の常伝導部の抵抗成分 VR は，I と M のバラン
10ス電圧を各々，eI と eM とおくと，VR = eI – eM/ で与えられる
17th_eI-eM/0.68[2]。この方法を用いて，17 回目，23 回目，および，25 回目の常23rd_eI-eM/0.685伝導伝播時の抵抗成分の時間変化を求めた結果を図２に示す。
25th_eI-eM/0.68
いずれのケースもヘリカルコイルの最下部付近で生じた常伝導部が外側赤道側（電流下流側）に片側伝播して，飽和ヘリウム0冷却の場合はコイル上部，サブクール冷却の場合は赤道部付
近で停止した。17 回目は飽和ヘリウム冷却で観測された常伝
00.5
1
導伝播の中で最も到達電圧が低かったケースである。サブクー
Time (s)ル冷却の場合は，到達電圧がその半分程度に低くなっているこ Fig. 2. The resistive voltage at 17th, 23rd, and 25th propagationとが分かる。すなわち，片側に伝播する常伝導部の長さが半分 of normal zones in the LHD helical coil.
程度に短くなっていることを意味している。

参考文献
1. S. Imagawa, et al.: Fusion Science and Technology, Vol. 58,
No. 1 (July 2010) 560-570.
2. S. Imagawa et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 23(2013) 4700904.

Tap Voltage (mV)

0.4

tr

0.3
0.2

y(t<tr)=V0(1+1.6e-t/0.06)
y(t>tr)=V0((0.58+1.99e-tr/0.06)e(tr-t)/0.018+0.39(1-e-tr/0.06)e(tr-t)/0.24+0.03e(tr-t)/1.5)

0.1
0(distance of taps: 23 mm)

0

0.05

0.1

0.15
0.2
Time (s)

0.25

0.3

Fig. 3. Output of voltage taps of the helical coil conductor during
one-side propagation of a normal zone in the HC model coil.
108Voltage (mV)

3. 評価結果
モデルコイルでの実験により，片側常伝導伝播の場合の導体
抵抗値の時間変化は，図３に示すように，常伝導伝播開始から回復開始までの「伝播時間 tr」をパラメータとする指数関数の回帰式で近似できる[2]。伝播速度が分かれば，この回帰式を伝播距離で積分することにより常伝導部の抵抗成分 VR を求めることができる。
25 回目の常伝導伝播の場合について，前述の回帰式から求めた抵抗成分とバランス電圧から求めた抵抗成分の比較を図４に示す。伝播速度については，伝播距離が短かくてヘリカルコ
イルのピックアップコイルの検出時間差から求める方法では同定できなかったため，モデルコイルのサブクール後の 4.4 K での実験値から平均 7 m/s を採用した。導体抵抗の回帰式の積分により求めた VR を，バランス電圧から求めた値と比較すると，
tr =0.03 s が最適であることが分かる。この値は，飽和ヘリウム冷
却の場合の 0.06 s (at 11.0 kA) -0.12 s (at 11.3 kA)と比較して半分以下となっている。伝播時間 tr は同じ冷却状態（熱伝達率）
では電流値が高いほど長くなり，同じ電流値では熱伝達率が高いほど短くなることから，サブクール冷却によって冷却が改善していることを示している。

vp=7(1-0.17cos(θ -23.4)) (m/s)θ : poloidal angle from outer midplane

25th (eI-eM/0.68)
Cal._tr=0.04 s
Cal._tr=0.03 s
Cal._tr=0.02 s

6
4
2
0
0

0.5
Time (s)Fig. 4. Calculated resistive voltage at the 25th propagation. The
stopping time of the propagation is set at 0.34 s.

― 209 ―

第88回

2013年度秋季低温工学・超電導学会