ビスマス系超伝導線材を用いた 25T 無冷媒超伝導マグネットの運用実績
東北大学

金属材料研究所

1. はじめに高温超伝導(HTS)線材は低温領域で高い磁場中臨界電流特性を示すことから、従来の金属系低温超伝導材料では実現できなかった 20 T を超える強磁場マグネット開発が期待され、世界中で強磁場超伝導マグネットをベースとする超伝導応用機器開発が行われている。実用高温超伝導線材の中で、住友電工（株）がいち早く開発した Ag シー
ス Bi2Sr2Ca2Cu3Oy (Ag/Bi2223, DI-BSCCOⓇ )は、安定性や均一性に優れている他、補強テープとの複合化により機械的強度も向上し、高電磁力下で設計される強磁場マグネットへ適用可能である。東北大金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センタ
ーでは、強磁場無冷媒超伝導マグネットを開発し共同利用に供してきた。特に 2005 年頃からは最内層に Bi2223 コイルを用いた強磁場無冷媒超伝導マグネット開発を行ってきた。
（図 1）。本稿では、特に無冷媒超伝導マグネットで世界最高の磁場を発 生 で き る 25T 無 冷 媒 超 伝 導 マ グ ネ ッ ト（25T-CSM）を中心に Bi2223 線材を用いた強磁場無冷媒超伝導マグネットの運用実績について概説する。
2. 25T 無冷媒超伝導マグネット
図 2 に 25T-CSM の外観を示す。25T-CSM は、
古 河 電 工 製 の 高 強 度 Nb3Sn-Rutherford 及 び

強磁場超伝導材料研究センター

淡路智NbTi-Rutherford 導体を採用した 14 T 外挿コイル（LTS コイル）と、住友電工製の高強度 Bi2223 テープ（Ni-Alloy /Ag / Bi2223, HT-Nx）を用いた 11T
高温超伝導内挿コイル（HTS コイル）で構成され、52 mm 室温ボアに最高 25.1 T の磁場を発生する無冷媒超伝導マグネットである 1)。HTS コイルは 2台の 4K-GM 冷凍機で、LTS コイルは 2 台の GM-JT冷凍機で冷却される。HTS コイルと LTS コイルは熱的に分離されているため、磁場掃引時の交流損失によって HTS コイルの温度上昇があっても、LTS コイルは十分低温を保持できる構造となっている。両コイルの同時掃引によって 25 T まで最速1 時間で到達する。線材にかかる電磁力は、HTSコイルで最大 323 MPa、Nb3Sn コイルでも最大 251
MPa と高電磁力設計となっている。
3.無冷媒超伝導マグネットの運用
まずは、25T-CSM 以前に運用していた 20T 無冷媒超伝導マグネット(20T-CSM)の開発と運用について簡単に触れておく。図 1 に示すように
20T-CSM は、2006 年に補強無し Bi2223（Type-H）を用いて 18T-CSM として開発した 2)。その後、高圧酸素処理により臨界電流が大幅に改善され、銅合金による補強線材が利用可能となったため 3, 4)、2012 年に Bi2223 内挿コイルの更新により 20 T へとアップグレードを行っている 5)。2023 年時点で、

図 2 25T 無冷媒超伝導マグネット（25T-CSM）の外観。周りには木製の架台が設置されている。架台を含む 25T-CSM は映画「ガリレオ 沈黙のパレード」のセットにも使われた。

図 1 東北大学金研における無冷媒超伝導マグネット開発の推移。図中の物質名は、最内層コイルに用いた超伝導材料。18T 以上ではBi2223 高温超伝導コイルが用いられている。
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18T-CSM と合わせた 18 年間で合計 1988 日の運転を行った。20T-CSM は、現在開発中の 33T 無冷媒超伝導マグネット設置のため、2023 年 12 月にその役目を終えることになっている。
25T-CSM の Bi2223 ダブルパンケーキコイルは、コイル内で分布する電磁力を下げるため、その一部は機械的なターン間分離を施している。しかし、ターン間分離はコイルの剛性を落とし、今回の場合は含浸不良と相まって線材モーション（今回の場合は超伝導テープのずれ）が発生しやすくなることが、後に発覚した 6)。このため、磁場の掃引
時には、線材モーションに起因すると考えられる電圧スパイクや、異常な電圧のふらつきが頻繁に現れた。一方で、中心磁場は最高 24.6 T まで安定して発生することができ、高安定度が必要な NMR実験も問題無く実施できた。しかし 2016 年に、パンケーキ間の短絡が発生し、修理を余技無くされた。これは、Bi2223 テープがずれ、パンケーキ間の絶縁シートを突き破って一つ上のパンケーキに接触したことによる。このときは、短絡の発生したコイル及びその周辺のダブルパンケーキコイルの一部を再制作して置き換えることで運用を続けた。しかし、2019 年に再び他のパンケーキ間で同様の短絡が発生したため、Bi2223 内挿コイル全体を再制作した。このとき、線材モーションの原因となる全ターン離型をやめ、5 分割構造とすることで最大応力を抑えつつ、コイル内部での線材モーションも抑制することができた。その後新コイルでは、旧コイルで見られたコイル電圧のスパイクノイズや異常なふらつきは全く見られなくなり、極めて安定な磁場発生が可能となった。この際、当初の目標だった 25.1 T の磁場発生にも成功し、無冷媒超伝導マグネットの世界記録を再更新した。
その後順調に共同利用に利用されていたが、2022 年 3 月宮城県で起こった M7.4 の地震によりクエンチが発生した。その際、定格に近い 24 T を発生していたが、保護回路が正常に動作し HTS コ
イルの温度上昇は最大で 35 K 程度に抑えられた。
これは、HTS コイル内部に常伝導領域が発生せず、ほとんどの蓄積エネルギーが外部の保護抵抗で消費されたためと考えられる。その後、約 26 時間後には運転温度まで再冷却され、定格の 25.1 T の磁場発生を確認した 6)。無冷媒超伝導マグネットの場合、クエンチが発生しても液体ヘリウムの爆発的な蒸発は起こらず、そのまま放置していれば冷凍機により再冷却され、励磁可能となるメリットがある。その後共同利用を継続したが、残念ながらその半年後、HTS 冷却系に低温リークが発生し、現在はその修理作業を行っている。
25T-CSM は 2016 年から 2023 年の 8 年間で通算1101 日 の 共 同 利 用 運 転 の 実 績 を あ げ て い る 。
18T/20T-CSM を含む Bi2223 コイルの運用は述べ日数で 3000 日を超え、長期間の運転によって高電磁力運転やクエンチ保護などに関する多くの知見を得ることができた。結果として新しく更新した
Bi2223 コイルは、堅牢性が大幅に向上し、これまで以上の安定運転が可能となっている。2024 年 3月にはリーク修繕が修了し、その後少なくとも 10年以上の運用を計画している。
4. まとめBi2223 テープを用いた強磁場無冷媒超伝導マグネットの開発と長期間の運転によって検証された技術や、初めて分かった問題点とその克服方法について簡単に紹介した。これらの知見は、同様のテープ構造を有する REBa2Cu3Oy (REBCO)コイルなどにも有効であり、現在建設中の REBCO 内挿コイル採用する 33T-CSM の開発にも活用されている。高温超伝導線材を用いた超伝導応用機器は、安心・安全な低炭素社会のキーテクノロジーとなることは間違いない。今後、Bi2223 と REBCOの 2 種類に加え、他の高温超伝導材料と共に材料の選択肢を増やすことで設計の自由度を確保しておくことも重要であろう。
5. 参考文献
1) S. Awaji et al., SuST, 30 (2017) 065001.
2) G. Nishijima et al., Fusion Eng. Design, 81 (2006)
2425.
3) T. Kagiyama et al., IOP Conf. Series, 18 (2011)
152001.
4) T. Nakashima et al., IEEE TAS, 25 (2015)
6400705.
5) S. Awaji et al., Adv. Cryo. Eng., 59 (2014) 732/AIP Conf. Proc., 1573 (2014) 732.
6) K. Takahashi et al., IEEE TAS, submitted.

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