S4-3
Nb3Sn線材の展望
Prospect of Nb3Sn wire
淡路	  智Satoshi Awaji
東北大学	  金属材料研究所
Institute for Materials Research, Tohoku University
１．はじめに	  Nb3Sn はNbTiに次ぐ実用超伝導線材として知られ，多くの強磁場用超伝導マグネット及びそれを用いたNMRなどの超伝導機器に使用されている。核融合関連でも，現在フランスに建設中の国際熱核融合実験炉(ITER)に，多量のNb3Sn線材が用いられている。超伝導線材は，その磁場中臨界電流密度Jc特性により，利用できる磁場領域が概ね決まっている。図１には，各実用超伝導線材の磁場中 Jcをまとめた。ここで示した Jcは，安定化材を除いた断面あたりに流れる電流密度ということで，non-Cu Jcと呼ばれている量である。Bi2223線材だけは，Agが安定化とシースを兼ねているので，コア部分の断面積で割ったcore- Jcを示している。図から分かるように， Jc が交差する点を使用領域とすれば，10T以下はNbTi，17-20T以下が Nb3Sn ，それ以上が高温超伝導材料という位置づけになり，実際も概ねそのようになっている。核融合では，12-15Tの間で用いられるため， Nb3Sn が採用されている。

Fig. 1 Non-Cu Jc of various practicalsuperconducting wires.

２．Nb3Sn線材開発の現状
実用Nb3Sn線材は，世界各国の多くの線材メーカーから販売され，その多くはブロンズ法と内部拡散法の２種類に大別される。日本では現在，ほぼブロンズ法に偏っている。一方で，海外では内部拡散法を改良したRod Restacked Process (RRP)
法 が 米 国 の OIST(Oxford Instruments Science andTechnology)社で用いられ，高いnon-Cu Jcが実現できている（図１）。ドイツのBruker 社はこれとは別にPowder-in-tube (PIT)法を発展させ，こちらも高い臨界電流密度の線材が得られている。
これらNb3Sn線材の作製技術には，太刀川氏が発見したブロンズ法に端を発している。すなわち，ブロンズ法は銅が触媒となり固相拡散反応を促進することを利用して，ブロンズ（Cu-Sn）とNbの反応により，現実的な熱処理時間で実用に足るNb3Snを生成することができる。一方で，ブロンズ法はCu-Sn化合物を生成せずに固溶できるSn濃度限界が低く，最終的なNb3Snの体積分率を増やすことが困難であることも知られている。すなわ
ち，Nbの量を増やしてもSnが不足するために化学量論組成のNb3Snの体積分率を増やすことが難しい。このため，内部拡散法やPIT法では，Snを別に導入することでNb3Snの体積分率を向上させてnon-Cu Jcを高めている。一般的に，Cuに固溶できるSnの量は15-16wt%であり，それ以上添加すると，Cu-Sn化合物が生成し線引き加工性が著しく低下する。一方で，内部拡散法は金属Snを用いるために加工性が良く，線引き加工した後に１段目の熱処理によって一旦Cu-Sn化合物を生成し，２段目の熱処理でNb3Snを生成する。Nb3Snの体積分率を向上するためNbフィラメントの体積分率を上げておくと，フィラメント同士が融合してしまいフィラメントサイズが大きくなってしまう問題がある。すなわちJcは向上するが，有効フィラメント径が非常に大きくなってしまう。これを避けるために拡散バリアで囲われたサブバンドルを作製し，これを一つのフィラメントなるよう構成する。このため，この方法ではフィラメントサイズをブロンズ法のようにミクロンオーダーにする1.0

Ic/Icm

0.8
0.6
0.4

Cu/Nb3Sn
Nb rod CuNb/Nb3Sn

0.2

In-situ CuNb/Nb3Sn (IS-2)
In-situ CuNb/Nb3Sn
Cu/Ta/Nb3Sn

0.00Fig. 2 Strain dependence of Jc in Nb3Sn wire.
ことが難しく，Jcを高く保ったまま有効フィラメント径を下げることが内部拡散法の最大の課題となっている。内部拡散法のうち，極端にCuの体積分率を減らした方法がRRPである。これにより飛躍的にNb3Sn量を増やすことができ，高Jcに繋がっている。図１に示した２種類のNb3Sn線材のうち，RRP-Nb3Snが高い磁場中Jcを示しているのは，このためである。現在，CERNが計画を打ち出した次世代円形加速器(FCC)では，Nb3SnのJcを16Tで1500A/mm2以上を目標としているので，各線材メーカーはこれに向けて，高Jc化を進めている状況である。このため，この数年で，Nb3Sn線材のJc特性はさらに向上すると見込まれる。

２．Nb3Sn線材の機械特性	  NbTiと比べて強磁場特性の優れたNb3Sn線材は，一方でひずみに弱いことが知られている。線材の軸方向にひずみを印加すると，図２に示すように，ドーム型のひずみ依存性を示す。基本的に立方晶であるNb3Snは，ひずみによって結晶の対称性が下がることで，超伝導特性を落とす。このため，最も対称性の高いひずみゼロの状態で，最大のJcをとる。しかし，複合材であるNb3Sn線材は，各構成材料との熱収縮率の違いによる発生する熱ひずみのため，Jcがピークをとる位置がずれる。
ピークとなるひずみの値emが，概ねNb3Snの残留ひずみに相当する。このような状況で，線材に補強材を配置した高強度Nb3Sn線材の開発も行われている。図３に，高強度Nb3Sn線材におけるJcの応力依存性をまとめた。補強材の高い機械特性（応力—ひずみ関係）によって同じひずみに対する応力が向上するため，Jcの応力ひずみ特性は，高応力側に伸びている。結果として，より高い応力まで高いJcを保つことが可能となり，高電磁力下で利用することができる。図中のCuNb/Nb3Sn線は，最近開発された25T無冷媒超伝導マグネットに利用され，250MPaの高電磁力下でも問題無く運転さ

CuNi-NbTi/Nb3Sn

100200300
Stress (MPa)400500Fig. 3 Stress dependence of Jc in high strength
Nb3Sn wires.
れている。

４．核融合におけるNb3Sn線材の状況	  	  国際熱核融合実験炉 (ITER)では，Nb3Sn素線をコンジットに詰めたCable-in-Conduit(CIC)導体が採用されている。これは，大電流を高磁場中で流したときに発生する大きな電磁力に耐えるためであり，Conduit内部に流れる超流動ヘリウムによる高い冷却安定性も大きなメリットである。一方で，ConduitとNb3Sn素線の熱収縮差による大きな圧縮ひずみのため，大きく低下したJcで設計せざるを得ない点が問題の一つとして認識されている。ITERでは電磁力によるひずみと熱ひずみを合わせて約-0.7-0.55%の軸方向ひずみが想定されている。さらに，素線には軸方向の応力の他に巨大な電磁力によって横方向の圧縮応力が印加され，より厳しい条件で用いられることとなる。このため，Jcが大きく劣化した条件で用いることになり，効率の悪い使い方をしている。これらを改善した設計ができれば，Nb3Sn線材の特性を有効に用いることが可能となる。原型炉では，さらに磁場と電磁力共に大きくなると想定されるため，熱ひずみを含めた応力/ひずみの設計が重要となると予想される。高強度線の活用や，熱処理済み線材をコイルに巻くリアクト＆ワインド法の採用などを，再検討することが重要と考えられる。
４．まとめ	  Nb3Sn線材はすでに多くの超伝導応用機器に採用されているが，機械特性・臨界電流特性など，まだまだ伸びしろがある。特に，近年の高強度線材の開発により，これまでは難しいと考えられてきた熱処理済み線を巻線するリアクト＆ワインド法も可能となってきた。今後のさらなる特性改善と普及が期待できる。