2S-p01

論文賞受賞記念講演

RE 系超電導伝導冷却コイルの開発
Development of conduction-cooled REBCO superconducting coils
宮﨑 寛史，岩井 貞憲，戸坂 泰造，田﨑 賢司，石井 祐介（東芝）
MIYAZAKI Hiroshi， IWAI Sadanori， TOSAKA Taizo， TASAKI Kenji， ISHII Yusuke (TOSHIBA)
E-mail: hiroshi17.miyazaki@toshiba.co.jp

2．熱暴走試験用コイル諸元および伝導冷却試験
線材特性から熱暴走限界を予測するためには，コイル製作時に線材特性の劣化がないことが不可欠である。そこで，我々はまず樹脂含浸しても線材特性の劣化を起こさない巻線技術の開発を進めてきた[1]。また，熱暴走を正確に予測するための要素技術として，線材の臨界電流特性から発熱を予測する技術の開発も進めてきた[2]。本章では，線材諸元が異なる RE 系線材を用いた 2 つの含浸シングルパンケーキコイルを試作し，熱暴走開始電流を測定して，解析結果と定量的に一致すること，すなわち，線材特性を劣化させない要素コイル化技術の検証を行った。試作したコイルの諸元を Table1 に示す。
#a および#b コイルともに 4 本の線材を電気的に接続している。
#a および#b コイルを Fig.1 に示す伝導冷却試験装置に組み込み，通電試験を実施した。コイル上面のみに厚さ 0.25 mmのアルミ板を取り付けて，アルミ板の先端を GM 冷凍機の 2 段冷却ステージに接続してコイルを冷却した。コイル温度はTable1 Specification of YBCO tapes and coils
Parameter
Coil #a
Coil #b
Tape width (mm)4.44Tape thickness (mm)0.2
0.1
Substrate
NiW
Hastelloy®
Copper stabilizer thickness (mm)0.10.04
Tape length (m)130200
Number of turns
172257
Inner diameter (mm)200200Outer diameter (mm)296290

GM cryocooler
Vacuum vessel

Current leads

HTS Current leads

HeaterRadiation shieldAl plates

Thermo sensors

Single pancake coil45°

Fig.1 Schematic drawing of the test apparatus-610

Voltage (V/cm)

1．はじめにRE 系(RE1Ba2Cu3O7-x)超電導線材は，高機械強度を持ち，また高温・高磁場中でも臨界電流特性の低下が少ないことから，これをマグネットにした場合には，小型化や冷却負荷の低減が見込まれる。また，冷凍機で冷却する伝導冷却システム
では，冷媒を用いないため取り扱いが容易であり，機器に応じて適切な運転温度を設定することが可能となる。一般に超電導マグネットを設計する際，求められる磁場を得るため，線材の機械強度，臨界電流特性に応じて，運転温度，負荷率およびコイル形状などをパラメータとしたコイル設計を行うとともに，クエンチや熱暴走に対するコイル保護の設計も不可欠である。RE 系コイルの場合，従来の低温超電導コイルに比べて高電流密度設計が可能となるが，クエンチを検出してコイルを保護することは難しく，ひとたび熱暴走してしまうと焼損する危険性が高い。電流密度を犠牲にする方法も考えられるが，小型化のメリットは無くなってしまう。したがって，高電流密度設計を維持しながらコイル焼損を回避するためには，熱暴走させずに運転すること，言い換えれば，樹脂含浸を行うことで冷凍機から線材まで伝熱板等を介して適切な冷却パスを設け，効率的冷却を行うことが必要不可欠である。
本研究では，RE 系超電導線材の樹脂含浸コイル化技術の確立を目的として，まず樹脂含浸シングルパンケーキコイルを試作し，この熱暴走特性が線材の通電特性から予測可能であることを示すとともに，高フープストレスが印加される磁場環境下で通電することにより，線材長手方向の高い許容応力が樹脂含浸を行っても損なわれないことを検証したので報告する。

-710-610exp. (30 K)
exp. (40 K)
exp. (50 K)
exp. (60 K)
cal. (30 K)
cal. (40 K)
cal. (50 K)
cal. (60 K)-710-8-81010-91010-9100
Current (A)1000

1010100
Current (A)1000

Fig.2 V-I characteristics of coil #a and coil #b from 30 to 60 K
2 段ステージに取り付けたヒータにより制御し，設定温度は 30K から 60 K の範囲で変えた。30 K から 60 K の各温度における電流-電圧特性の実験結果および短尺線材の臨界電流特性から計算した電流-電圧特性を Fig.2 示す。#a および#b コ
イルともに 30 K から 60 K の各温度において実験結果と計算結果は定量的に一致し，試作した含浸コイルが良好な超電導特性を有していることを確認した。
3．熱暴走試験
コイル温度を一定に保つようにヒータ出力を制御して通電試験を実施し，コイルが熱暴走する限界の電流値を測定した。
試験方法は，コイル温度を一定値に制御しながら通電電流値を 0.1 A 刻みで上昇させ，コイル電圧およびコイル温度の時間変化を観測し，コイル電圧または温度の急激な上昇が確認された場合に電源を遮断する方法とした。#a コイルの 40 K における熱暴走試験の結果を Fig.3 に示す．電流値を 256 A に設定した後，コイル電圧が上昇し続け，最終的に急激な電圧上昇が観測されたため，熱暴走に至ったと判断し電流を遮断した。
次に，短尺線材の臨界電流値から計算したコイル内部発熱分布を用いて，3 次元熱解析を実施した。解析モデルはFig.4 に示すようにコイル，樹脂層，Al 伝熱板の 3 つの領域をモデル化し，対称性を考慮して 1/4 モデルとした。境界条件と― 162 ―第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

2S-p01

論文賞受賞記念講演

10240

6230
4220

20210

Coil voltage
0Parameter
Tape width (mm)Tape thickness (mm)Substrate
Copper stabilizer thickness (mm)Tape length (m)Number of turns
Inner diameter (mm)Outer diameter (mm)

250

500

1000
1500
Time (s)Current (A)Voltage (mV)

8Table2. Specifications of YBCO tapes and coils

260

Thermal runaway

Current

200
2500

2000

Fig.3 Time variations of the coil voltage and current at 40 K in
the case of coil #a

REBCO

Coil #c4.40.2
NiW0.1910270276

Coil #d40.1
Hastelloy®
0.04
910270273

substrate polyimide tape & resin
REBCO

Impregnated single
pancake coil
1~3turn

Epoxy resin(t 0.1 mm)

θr

Al plate(t 0.25 mm)z

Fig.6 Schematic drawing of the hoop stress test coilFig.4 Thermal analysis model of a conduction-cooled
single-pancake coilElectric field (V/cm)

300
250
200
150

exp. (#a)
exp. (#b)
cal. (#a)
cal. (#b)

100
50
025

4~10turn

30

3540 45
50
Current (A)

55

60

65

Fig.5 Temperature dependence of thermal runaway currents ofboth coil #a and coil #b from 30 to 60 Kして冷却板の温度を一定とし，他の表面は断熱条件とした。
各要素において，要素内で発生するフラックスフロー損失に伴うジュール発熱，隣接する要素間の熱伝導を考慮して，非定常 3 次元伝熱解析を実施した。コイル温度を 30 K から 60 Kまで 10 K 刻みで変化させたときの熱暴走電流の実験結果と計算結果を Fig.5 に示す。実験値と計算値の誤差は 3%未満であり，温度領域や線材構成の違いによらず熱暴走電流を定量的に予測できることを実証した[3]。
4．フープ試験用コイル諸元
RE 系線材は高い引張強度を有するが，樹脂含浸されたコイルにおいては，線材と樹脂等の絶縁物で構成されているため単純に線材の引張許容応力のみで含浸コイルの機械特性を評価することができない。そこで，2 種類の含浸コイルを試作し，RE 系線材の高い引張強度が樹脂含浸により損なわれていないことを検証した。試作した含浸コイル(#c および#d)の諸元を Table2 に示す。REBCO 層の向きの違いの影響および接続部の機械特性も併せて評価するため，Fig.6 に示すように，1 から 3 ターンまでは REBCO 層が内周側，4 から 10 ター
ンまでは外周側を向く構造とし，巻線途中に接続部を設けた。
また，巻線部に均一な電磁力を印加するため，電極および巻枠がない構造とした。
5．磁場中通電試験
試作した含浸コイル(#c および#d)を液体ヘリウムで浸漬冷却し，4 T のバックアップ磁場中で通電試験を実施した。試験方法は，ステップ上に電流を増加し，各電流値において 1分間以上電流をホールドし，電圧発生の異常を調べた。NiW
基板の線材を用いたコイル#c は 586 A 通電時にコイル平均電界が 10-7 V/cm を超えたため通電を終了した。586 A 通電時に線材に印加された応力を数値解析により求めたところ，引張応力は 395～406 MPa であった．一方，Hastelloy®基板の線材を用いたコイル#d は 420 A 通電時においてもコイル部に電圧発生は見られなかったが，試験用の口出し電極-コイル間の電圧が上昇したため試験を終了した。数値解析で 400 A 通電時に線材に印加された引張応力を求めたところ 604～616
MPa であった。フープ試験後，含浸コイル(#c および#d)の劣化の有無を調べるため，液体窒素中での通電試験を実施した。両コイルともに，フープ試験前後でコイル発生電圧に変化はなく劣化していないことを確認した[3]。
6．まとめ
伝導冷却 RE 系コイルを設計可能にすることを目的とし，熱暴走特性が線材の超電導特性から予測可能であること，RE系線材の高い引張強度特性が樹脂含浸により損なわれていないことを実験と解析により検証した。
線材諸元が異なる RE 系線材を用いた 2 つの φ 300 mm級含浸コイルを用いて，伝導冷却中にてコイル初期温度を 30 Kから 60 K まで変化させて通電試験を実施し，初期温度や線材構成の違いによらず熱暴走電流が誤差 3%未満の精度で定量的に予測できることを検証した。また，含浸コイルを 4 T バックアップ磁場中にて通電試験を実施し，線材の引張許容応力程度の応力を印加しても含浸コイルが劣化することがなく，RE系線材の高強度特性を損なうことなく含浸コイルが製作できることを確認した。これらの成果は，RE 系線材を用いた実スケール伝導冷却超電導コイルの開発にあたり，最初の重要なステップとして位置づけられる。
参考文献
1. H. Miyazaki, et al.: IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 24,no. 3, 4600905, Jun. 2014.
2. S. Iwai, et al.: TEION KOGAKU vol. 48, pp. 187-195,2013.
3. H. Miyazaki, et al.: TEION KOGAKU vol. 48, pp. 287-291,
2013.

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第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

2S-p02特別講演

福島における除染の進捗状況
The Progress of Decontamination in Fukushima
青木 仁 （環境省 福島環境再生事務所）
AOKI Hitoshi (Ministry of the Environment)
E-mail: josen-plaza@env.go.jp― 164 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会

2S-p02

特別講演― 165 ―

第90回

2014年度秋季低温工学・超電導学会