新規領域

ビスマス系高温超電導線材と応用製品の実用化

Commercialization of Bi-2223 Superconducting Wires and Their Applications

林和彦

Kazuhiko Hayashi

1986年末に高温超電導体が発見されて以来、当社ではパワー応用を目指した高温超電導線材の高性能・長尺化に取り組み、特に、ビスマス系2223線材（Bi2223線材）開発では、開発初期より長尺化、高性能化で世界をリードしてきた。また、線材開発と並行して各種応用製品の開発にも取り組み、マグネット、電力ケーブルなどで実用レベルの応用機器が開発されるに至っている。電流リード応用においては MRI 用を始め、商業化された応用機器に組み込まれる例も増えてきた。本稿では、最近の Bi2223線材の開発・製品化状
況及び線材の周辺技術として今後の用途拡大に重要な接続技術、大電流導体化技術、並びに Bi2223線材を用いた各種応用機器の開発・製品化状況を紹介する。

Sumitomo Electric Industries, Ltd. has been engaged in the development of high-performance and long-length Bi2223 hightemperature superconducting wires. These wires and their applied products, such as current leads for magnetic resonanceimaging, have been commercialized and well received by the market. This paper describes the recent development andcommercialization of Bi2223 wires and typical products incorporating the wires, as well as wire joint technology and highcurrent conductor technology, which are indispensable for expanding the application of the wires.
キーワード：ビスマス系高温超電導線材、電流リード、超電導マグネット、超電導ケーブル

1.

緒

言

高温超電導体が1986年に発見されて、既に30年以上が本 稿 で は、DI-BSCCO 線 材 の 製 品 化 開 発 の 現 状 と、DI-BSCCO 線材を用いた応用製品の開発例を紹介する。

経過した。当社では、エネルギー伝送分野において大きなブレークスルーが起きる可能性が無視できないと考え、高温超電導体の発見直後からこの物質の線材化、応用製品開2.

ビスマス系高温超電導線材

発に取り組んできた。

2－1

DI-BSCCO 線材製品最初の発見から30年以上を経て様々な高温超電導体が見

当社の DI-BSCCO 線材は、Ag シースを用いた Powder-つかったが、実用材料として工業化、製品化が進んでいる

in-Tube 法で製造されており、Ag マトリックス中に多数のは、希土類系（REBCO：Rare earth–Ba–Cu–O）とビスの Bi2223フィラメントが細線化された多芯構造となってマス系（Bi-Sr-Ca-Cu-O）に限定される。特に線材化及びい る。線材の横断面を写真1に示す。加圧焼結法の適用に線材を用いた応用製品開発はほぼこの2種類に絞られてきより、密度がほぼ100％の超電導フィラメントが実現できた状況である。ビスマス系高温超電導線材ではその組成比るようになり、フィラメントの高密度化により、強度の向で Bi2212線材（臨界温度が約90K）と Bi2223線材（臨界上、欠陥の発生抑制等が可能となった（1）～（3）。

温度が約110K）に大別されるが、Bi2212線材は4.2K の高磁場応用に応用分野が限定されるため、4.2K（液体ヘリウム温度）～77.3K（液体窒素温度）の幅広い温度領域で応用可能な Bi2223線材とその応用機器開発が進んできた。
当社では、Bi2223線材について DI-BSCCO 線材の商品名で販売を開始し、並行して応用製品の開発とそれらの製写真１ DI-BSCCO 線材（Type H）の横断面品化に取り組んできた。DI-BSCCO 線材の製品化を進める中で、応用側からのニーズに応じて、高強度線材などの製品ラインナップの拡充、接続技術や大電流導体化などの線材周辺技術開発を進めてきた。また応用製品開発では、当

これらの基本的な線材製造プロセスを踏まえ、製品とし社が最終製品まで製作した例や、ユーザに協力してコイルて様々なバリエーションを加えてきた。これまでに製品化などの中間製品や線材供給まで行った例などがある。

した線材のラインナップを表1に示す。

68

ビスマス系高温超電導線材と応用製品の実用化

表１ DI-BSCCO 線材仕様
Type H

Type G

高電流密度型

低熱伝導度型

応用例

Type HT-SS

Type HT-CA

Type HT-NX

高強度型

電流リードマグネット

電力ケーブル

高磁場マグネット

平均幅

4.3+/0.2mm

4.3+/0.2mm

4.5+/0.1mm

4.5+/0.1mm

4.5+/0.2mm

平均厚さ

0.23+/0.01mm

0.23+/0.01mm

0.29+/0.02mm

0.34+/0.02mm

0.31+/0.03mm

マトリックスAg 合金

Ag-Au 5.4wt%

Ag 合金

Ag 合金

Ag 合金

－ステンレス(0.02mmt)

Cu 合金(0.05mmt)

Ni 合金(0.03mmt)

補強材（厚さ）－

臨界電流Ic ※1（77.3K , 自己磁場）

170A, 180A, 190A, 200A

対引張力 *
室温, 95% Ic 維持

80N *

80N *

230N *

280N *

410N *

対引張応力 *
77.3K, 95% Ic 維持

130MPa *130MPa *270MPa *250MPa *400MPa *対引張歪 *
77.3K, 95% Ic 維持

0.2% *

0.2% *

0.4% *

0.3% *

0.5% *

対両方向曲げ径 *77.3K, 95% Ic 維持

80mm *80mm *60mm *

60mm *

40mm ** 典型的な値

2－2Ag-Au シース線材2－3

高強度線材

Ag は金属の中でも最も熱伝導性に優れた材料である。高

標 準 的 な 高 電 流 密 度 型 線 材 の Type H は、臨 界 電 流

温まで超電導状態を維持できる高温超電導体はマグネット

Ic ※1が劣化しない引張応力が77.3K で130MPa であり、大などの通電に用いる電流リードとして期待されているが、口径マグネットや高磁場マグネットのように電磁力が大き理想的な電流リードを実現するためには、高温まで電気抵い場合には、機械的に特性が劣化してしまう。このため線抗ゼロという特性に加えて、熱伝導による熱侵入を抑制す材の高強度化が要求され、当社は Type H 線材の両面に補る必要がある。

強材を半田で集合する技術を開発した。

そこで Ag の熱伝導を抑制するために、超電導特性を劣Bi 系超電導体はセラミックスの一種であり、引張応力に化させることなく低熱伝導化が可能な Ag-Au 合金シースを弱いことから、線材としての対引張応力特性の改善には、選択した。Au の濃度を高めれば熱伝導度は低下するが、コ超電導体に圧縮残留応力を印加することが有効である。こストとのバランスを考慮して、Ag-5.4wt％ Au 合金を選択のため、適切な補強材の材質、厚みの選択に加えて、集合した。その他の構成は標準的な高電流密度型 Ag シース線

時に補強材に引張力を印加することにより、圧縮残留応力材 Type H と同等である。これらの線材の熱伝導度の温度を制御できるようになり、対引張応力特性が改善された。

依存性を図1に示す 。10～20K の温度領域では2桁近く（4）熱伝導率が低下していることがわかる。

これまでに製品化した線材の対引張応力特性を図2に示す。補強材にステンレスを用いた Type HT-SS、補強材にCu 合金を用いた Type HT-CA では77.3K で約250MPa ま10000

Type HAg sheathed Bi-2223 wire

1.21000

I c retention

100101H1Type G
Ag-5.4wt% Au alloy sheathed Bi-2223 wire110

図１ 線材の熱伝導度

1001000HT-CAHT-SS0.8HT-NX

0.60.40.2077K
0100 200 300 400 500 600 700
Stress / MPa

図２ 線材 Ic の引張応力依存性（77.3K）

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号     69で Ic は低下しない。Type HT-SS は主にマグネット応用に、す。図4に線材表面（補強材表面）同士を半田で接続したType HT-CA は低電気抵抗を生かして主として電力ケーブ場合の接続抵抗のラップ長依存性を示す（5）。ラップ長が長ル用に広く用いられている。20T を超えるような高磁場マいほど低接続抵抗となるが、曲げ特性が悪化するので、用グネット応用では、250MPa の対引張応力でも不十分なた途によって最適なラップ長を選択する必要がある。ケーブ

め、特殊な Ni 合金を用いた Type HT-NX を開発した。これ

ル用の Type HT-CA 線材では、20mm を標準としている。

によって400MPa までの引張応力に耐えられるようになっType HT-NX 線材は、高磁場マグネット用に有効であるが、た。また、引張応力特性の改善に伴い、対引張歪特性も改通常の半田接続では高接続抵抗となってしまう。補強材を善されることが分かっている（表1参照） 。

剥いで Ag シース同士の接続とすれば低接続抵抗となるが、（5）Type HT-NX 線材により、後述するように25T レベルの残留圧縮応力が解放されるため、強度が維持できない。そマグネットが実現したが、特殊な Ni 合金を用いているため

こで、強度の低下を最小限に抑えたまま低接続抵抗を得る高コストとなり、また30T ～40T 級のマグネット開発が世ために、補強材の一部を剥いで、隙間部に Cu テープを配界各国で始まったことから、Type HT-NX を凌ぐ高強度線置することで、低接続抵抗と高強度を両立させることが可材が求められるようになった。

能となった。このような接続部の模式図を図5に示す。例

これらの要求を満たすため、低コストの400MPa 級線材

えば、ラップ長を40mm とし、20mm 部分の補強材を剥として0.08mm のステンレスを補強材に用いた線材を開発

いで18mm の Cu テープを挿入することで、77.3K での接した。また、500MPa 級線材としては0.1mmt の Ni 合金を続抵抗54n Ωが得られた。また、対引張応力特性は接続な用いたタイプの線材を開発した（図3）。

しで423MPa の線材を用いて同じ接続構造としたところ、t416MPa が得られ、98％の強度維持率であった（5）。
1.210000

Ic retention

10.8

10000.6696361175

1000.4

N=1N=2
N=30.201,35501001077K200300400500

Stress / MPa0

図３ 500MPa 級高強度線材の対引張応力特性（77.3K）

423126

Type HT-NX
Type HT-SS
Type HT-CA
Type H

1600631101001000

図４ 半田接続抵抗の接続長依存性（77.3K）

3.

接続技術

線材の製造コスト、応用機器の製造コストを考えた時、単長の短い線材を使いこなすことは重要である。また、長単長の線材が製造可能であっても、マグネットでもケーブルでも必ず接続箇所は存在する。このため応用製品の開発、用途拡大には接続技術は大変重要である。
3－1低抵抗接続

図５ Type HT-NX 線材の高強度低抵抗接続構造

Type H 線材は、マトリックスが低濃度の Ag 合金であり、半田付けによっても Cu などの半田付けの場合よりも低抵抗の接続が可能である。これは、接続抵抗が線材の電気抵抗と、半田やマトリックスなどそれぞれの電気抵抗に依存するためである。

3－2超電導接続

MRI や NMR など、単位時間あたり ppm ～ ppb オーダー

表面が補強材になっている Type HT 系の線材では、補の高安定な磁場が要求されるマグネットでは、特殊な直流強材の電気抵抗や接続面積が接続抵抗に大きな影響を及ぼ電源を用いない限り、電流出力の変動により必要な磁場安70ビスマス系高温超電導線材と応用製品の実用化

定度を実現することは困難である。これまでの低温超電導Bi2212相が出現してくるので、このような相変態を利用し線材を用いた高安定度マグネットでは、永久電流運転によた接合法も開発されている（8）。

り電源と切り離して運転されている。永久電流運転を実現するためには、接続部が超電導であって、永久電流の減衰時定数がマグネットのインダクタンスと抵抗の比で決まるため、設計毎に必要な接続抵抗を実現する必要がある。

4.

大電流導体

DI-BSCCO 線材は、1枚当たりの Ic が、77.3K、自己磁DI-BSCCO 線材の超電導接続技術については、あらかじ

場中で最高200A であり、核融合や加速器応用のように大め2本の線材を1°以下の低角度に研磨した後、Bi2223厚膜

電流、低インダクタンスのマグネットを実現するためにを挟んで熱処理することにより、実用レベルの超電導接続は、複数の線材を集合して大電流導体とする必要がある。

が実現できている。低角度に研磨することで、多芯のフィ

これまでに、線材を複数スタックする方法が試みられてきラメントが全て接合に寄与することになる。図6に接続部たが、マグネットの励磁時など電流を変化させる場合に、の模式図を、図7に超電導接続部の臨界電流特性を示す 。

電流分布の不均一が生じやすい。このため、テープ線材でJoint A では露出するフィラメントが少ないため、Ic は低ある DI-BSCCO 線材の位置を入れ替えて転位導体化する技

い。低角度研摩した超電導接続部の接続抵抗も測定されて術が Type HT-NX 線材を用いて開発され、Solid Material

おり、NMR 応用を考慮した4.2K,1T の条件で <10 Ωが得

Solutions 社により Magnum-NX の商品名で販売が開始さられている（7）。

れた（9）。導体の構成・外観を図8に示す（10）。

（6）

-13

また、4.2K の高磁場応用では、接続部が Bi2212相に変化しても高い Ic が得られ、Bi2223相からは半溶融により、

a）導体断面c) 転位中の外観b) 転位導体化の原理d) 完成導体

図８ 大電流転位導体（10）

図６ 超電導接続部構造（6）5.

応用製品開発DI-BSCCO 線材の開発と並行して、各種応用製品の開発が進められ、実用レベルの応用製品が生まれてきた。応用分野は、マグネット応用、電力ケーブルや電流リードなどのエネルギー伝送応用に大別できる。
5－1

マグネット応用

DI-BSCCO 線材を用いたマグネット応用では、数 T ～10
数 T レベルの中磁場応用では、NbTi などの低温超電導マグネットでは運転ができない20K 前後での運転が可能である。また、4.2K 領域では、低温超電導マグネットでは発生不可能な20T を超えるような高磁場の発生が可能である。
（1）伝導冷却マグネット
20K 領域でのマグネットの運転は、昨今の He の供給問題の解決策の一つとなる。20K という温度は液体 He の4.2Kに比べるとわずか15K ほどの高い温度であるが、比熱が約100倍大きいため熱的な擾乱があっても温度上昇が小さ
く、臨界温度が高いため超電導状態から常電導状態に遷移
図７ 超電導接続部の Ic 特性（6）する温度マージンも大きくなる。また、変動磁場下では、

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号     71

超電導体には交流損失が発生して発熱するが、温度上昇も（14）プ循環による伝導冷却）、新生児用1.5T（15）など、汎用小さい。従って20K 運転のマグネットは安定に運転するこタイプではなく特殊な用途に特化した MRI の開発が進んでとが可能となる。

いる。

また、20K 冷却では、真空ポンプの一種であるクライオ加速器応用としては、医療用陽電子サイクロトロン用に、ポンプに用いられる冷凍機による伝導冷却が可能になる。

サイクロトロンのメインコイルに前述の Magnum-NX を、陽電源スイッチをオンすることで容易に運転に必要な温度が子線の軌道補正用のフラッターコイル用として DI-BSCCO得られる。

線材を用いた開発が Varian 社で行われている（10）。更に加高温超電導マグネットは、一度常電導の芽が発生する速器を構成する各種要素マグネット用の検討も大阪大学でと、酸化物セラミックスであるが故に常電導の伝搬が起こ進んでいる（16）。

りにくく、局部的な発熱で焼損に至る恐れがある。但し（2）高磁場マグネット

DI-BSCCO 線材は、Ag シースを用いているため他の高温Type HT-NX を用いた高磁場マグネットの例としては、超電導線材よりも常電導伝搬が比較的早く、低温超電導マ

東北大学金属材料研究所で共同利用マグネットとして使わグネットと類似の方法で、常電導の検出、保護が可能であれている25T マグネットがある、外側に低温超電導コイる（11）。

ル、内側に Type HT-NX を用いた高温超電導コイルで構成

伝導冷却マグネットの例を写真2に示す、この室温ボアされ、4K の冷凍機冷却型である。年間200日以上、3年以70mm の6T マグネットは、高性能希土類永久磁石の磁化上の運転実績があり、固体 NMR 用の他、多くの実験に用曲線の測定装置に組み込まれて製品化されている。6T までいられている（17）。

30秒という高速で励磁が可能である。

高磁場 NMR 用としては、陽電子の共鳴周波数1.3GHz

写真2はソレノイドマグネットであるが、ヘルムホルツ型（30.5T）で、永久電流モードで運転できるマグネットの開スプリットマグネットとしては、写真3に示すハードディ発が進んでおり、マグネットの一部に Type HT-NX を用いスクの検査用マグネットの開発事例もある。て、4.2K で30T の発生に成功している（18）。この例はまだその他の20K 冷却マグネットの例としては、脳用 MRI 3T

永久電流運転になっていないが、今後は前述した超電導接、四肢用1.5T（27K 液体ネオンの閉ルー続技術も活用して、永久電流運転できる NMR を目指してマグネット（12）（、13）ゆくことになっている（19）。
5－2電流リード

従来の銅製電流リードの熱侵入量が理論上1W/kA が限界であるのに対して、Type-G 線材を用いた電流リード応用では0.2W/kA レベルへの熱侵入量低減が可能である。これまでに商用 MRI マグネットを始め、液体ヘリウム冷却マグネットに広く用いられており、液体ヘリウム蒸発量低減に大きく貢献している。国際熱核融合実験炉 ITER プロジェ
クトでは、Type G 線材を使った最大電流容量68kA の電流リードが中国科学院プラズマ研究所によって開発され、ITER 実機用が製作されている（20）。
写真２ 20K 冷凍機冷却マグネット

また、20K または4.2K の冷凍機冷却型マグネットの実現には、冷却能力の制約上、高温超電導電流リードの採用が不可欠であり、前述の各種マグネットに使用されている。
5－3超電導ケーブル

送配電ケーブルの伝送損失低減、コンパクト化による既存管路への増容量リプレース・設置スペース低減等を目的とした超電導ケーブルの開発が世界中で進んでいる。超電導ケーブルのアイデアは高温超電導体の発見前からあったが、液体ヘリウムでは長距離の冷却が困難なため、液体窒素を冷媒に用いる高温超電導ケーブルの出現によって、始めて実用化の可能性が出てきた。
DI-BSCCO 線材が用いられたケーブルプロジェクトの例
としては、米国 Albany プロジェクト（21）、横浜プロジェク
写真３ ハードディスク検査用マグネット（ネオアーク㈱提供）

72

ビスマス系高温超電導線材と応用製品の実用化

ト（22）、ドイツ AmpaCity プロジェクト（23）、ロシア・サンクトペテルブルグの DC ケーブルプロジェクト（24）などがある。更に電力伝送用途以外にも、鉄道のき電ケーブルへの応用検討が進んでいる。

（25）

これらのケーブルプロジェクトの多くでは Type HT-CA線材が用いられている。これは機械強度に加えて、電力ケーブルでは短絡電流等の臨界電流を超える大きな事故電流が流れても、ケーブルの劣化が起こりにくいことや、ケーブル間の接続が半田接続によっても低接続抵抗で実現できるためである。図9に当社が開発した66kV 用ケーブルを示す。

図９ 三心一括超電導ケーブル

6.

結

言

DI-BSCCO 線材の製品化の進展及び DI-BSCCO 線材を用いた各種応用製品の開発状況について紹介した。電流リード用などで実用製品に使われ始めたが、実用化という意味では端緒についたところである。今後も本格的な応用分野の拡大、製品化の拡大を目指してゆきたい。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

臨界電流 Ic

電気抵抗ゼロで流せる最大電流。

・DI-BSCCO は住友電気工業㈱の登録商標です。
・Magnum-NX は Solid Material Solutions, LLC の米国その他の国における商標または登録商標です。

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執筆林者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
和彦

：フェロー
超電導製品開発部

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

74

ビスマス系高温超電導線材と応用製品の実用化