○参考人（中川龍一君）　金属材料技術研究所の中川でございます。
　本日は、超電導材料の現状と課題ということで、まず私の方から超電導材料というものは一体どういうものかということをお話し申し上げたいと思います。たまたま私どもの研究所では、金属系の超電導材料でございますけれども、二十数年にわたって研究してまいっておりますものですから、主として金属系の超電導材料をもととしまして、超電導材料とはどういうものか、また今後どういう課題があるかということを御説明したいと思っております。
　まず、超電導材料とはどういうものかと申しますと、お手元に資科がお配りされていると思いますので、その資料に従いまして御説明したいと思います。
　まず、超電導といいますのは、ある種の物質を非常に低温に保持したときに電気抵抗が完全にゼロになる現象を超電導と言うわけでございます。この現象は、一九一一年にオランダのオンネスという人が初めて発見したわけでございますが、その前年に液体ヘリウムというものができるようになりまして、水銀でその次の年に発見したわけでございます。そのときのデータが、そこに図が書いてございますが、電気抵抗を縦軸に、絶対温度を横軸にとりまして、温度をどんどん下げていきますと超電導の臨界温度、Ｔｃと書いてありますが、ここで電気抵抗がゼロになったわけでございます。
　こういう超電導の物質の例を大まかに私が分けてみますと、金属系と、それから最近非常にトピックスになりました酸化物系、まあセラミックス系とも言いますけれども、そういうものと、それから有機物系、大きくこの三つに分けられるかと思います。このそれぞれについて簡単に後で御説明いたしますが、その前にまず次の二ページ目でございますが、説明させていただきます。ここで、非常に基礎的なことですけれども、電気抵抗というものはどういうことかということから簡単に御説明いたしたいと思います。
　電気抵抗、上の方に「無限大」と書いてございますが、これは絶縁体、例えば瀬戸物とか碍子といったものでございまして、電流が全く流れないものでございます。
　金属は大体電気は流れるものでございますが、それにしても、金属の種類によりまして電気抵抗が大きいか小さいかの差がございます。電気抵抗が比較的大きいというものは、ここに書いてございますニクロム線でございまして、これは電気を流しますと熱を発する電熱器などに使われるものでございます。それから電気抵抗が比較的小さいというものは、例えば銅線がございます。これは電線とかあるいは高圧ケーブルなどに使われているものでございます。銅線が小さいと申しましても、例えば高圧電線に使われておるわけでございますが、この高圧電線でも電力が五ないし六％の電気ロスがあるというふうに言われております。この五ないし六％は熱になって逃げるわけでございますが、この五ないし六％は東京都の年間使用量の約半分、金額にして六千億、これが高圧送電でロスになっておるというふうに言われているわけでございまして、決してばかにならない量かと思います。
　一番下に「ゼロ」と書いてございますが、この電気抵抗ゼロということが超電導の材料ということになるかと思います。
　それから、よく温度で何々度Ｋとあらわします。これはその下に、参考２に摂氏の温度と絶対温度との比較が書いてございます。摂氏温度は御承知のように氷が解ける温度を零度Ｃとしておりまして、それから絶対温度といいますのは、物理的にこれ以上温度が下がらないという温度を零度Ｋとするわけでございます。これはちょうど摂氏の温度に換算しますとマイナス二百七十三度になるわけでございます。超電導は非常に極低温でやっと超電導になるものですから、よく何度Ｋという表示をするかと思います。摂氏とそこの絶対温度の何度Ｋというのはこういう関係にあるということを御承知おきいただきたいというふうに思っております。
　次に、三ページに参ります。では超電導というのはどんな条件でもなるかといいますと、決してそうではございませんで、いろんな条件が必要でございます。そこに大きな条件が三つ書いてございます。一番目は温度を上げると超電導が破れます。それから強い磁界をかける、磁場に置くと超電導が破れます。また、電気抵抗がゼロと申し上げましても、どれだけでも電流が流れるかといいますと、決してそうじゃございませんで、ある値以上の電流が流れると超電導状態がやはり破れます。そういうことで、温度を今までは非常に低く保たなければいけない、磁場は余りかけられない、それから電流にも制限があるという、非常に大きな三つの制約があったわけでございます。
　今まで金属系でたかだか二十度Ｋとか二十三度Ｋでやっと超電導になる研究を我々やっていたわけですが、最近それがもっともっと上がりまして、七十七度Ｋといいますとちょうど液体窒素の温度でございますが、それ以上の温度で超電導状態のものが得られたということで、非常にトピックスに、ニュースになったわけでございます。
　今申し上げました三つの条件を真ん中の図で示しております。これは立体図でございますが、電流密度、温度、磁界、それぞれ制限がございまして、これ以上に上がりますと超電導が破れるということを示したものでございまして、この三つの点で囲まれた立体の中でないと超電導状態が保てないということを示しておるところでございます。
　最近温度を上げることを非常に研究されておりますが、もう一つ大事なことは、その例の２のところに書いてございますが、例えば銅線とかあるいは金属系の超電導では一平方センチ当たり約一万アンペア以上の電流が流れて初めて実用になっていたわけでございます。ところが、まだ酸化物系に関しましては二けたほど低い値しか電流が流されない。それ以上電流を流されると超電導が破れるということで、こういう温度を上げること、それから電流を流せる物質を見つけようと今努力されているところでございます。
　超電導の限界はその程度にいたしまして、次のページに移りまして、超電導の特徴と応用分野を簡単に御説明いたしたいと思います。
　一番下の方に「超電導材料」と書いてございますが、その左右に「超電導線材」あるいは「超電導薄膜」、こういうふうに幾ら超電導になる物質が見つかっても、それを線材あるいは薄膜にしなければ使えないわけでございます。そういう線材あるいは薄膜にする研究がこれからの勝負になるかというふうに考えております。もしそういう線材、薄膜ができますと、この樹木図に書いてございますように、いろんな用途が開けるだろうというふうに考えているわけでございます。この詳しいことは恐らく後からの先生方がお話しになると思いますので、これで終わりにしたいと思います。
　五ページに移ります。それでは、現在の超電導材科とその特性・用途はどういうものがございますかといいますと、現在知られている超電導を示す物質としましては、主に金属系でございますが、数千種以上あると言われております。その中で現在実際に線材として使われているのは、そこに書いてございます三種類だけでございます。一つは、ニオブ、チタンの合金でございます。二番目は、ニオブ３スズ、ニオブの金属原子が三つ、スズの金属原子一つが結びついた化合物でございます。それから三番目がバナジウム３ガリウム、バナジウムという金属元素が三つ、ガリウムという金属元素が一つ結びついた金属間化合物でございます。この金属間化合物については後でちょっと御説明いたしたいと思います。
　そういうことで、表１に書いてございますように、開発フェーズのⅠ、Ⅱが実用線材として現在商品あるいは実験設備に使われている材料でございます。このフェーズⅢは現在まだ実用化の研究中でございまして、間もなく実用化されるだろうと思っております。
　まず、フェーズⅠのニオブ・チタン合金でございますが、これは原研などの核融合の実験装置にも使われておりますし、それからＪＲの磁気浮上列車に使われております。また、核磁気共鳴診断装置、これは人間の体をある強い磁場の中に入れて、人間の体を輪切りにして人間の体の状態を知るという診断装置でございますが、こういうものに現実に使われております。それからフェーズⅡに参りまして、バナジウム３ガリウム、Ｖ３ガリウムでございますが、これは実験用マグネットとして私どもの研究所に世界で最高のマグネットをつくってございます。それから、ニオブ３スズ、これは私どものところでその線材を開発しまして、ある会社がアメリカへ輸出したものがこのミラー型核融合試験装置でございまして、アメリカのローレンスリバモア研究所で実験装置に使われているというふうに聞いております。
　次に参りまして、では、今金属間化合物と申し上げましたが、六ページに合金と金属間化合物を簡単に説明する図がございます。
　合金といいますのは、例えばＡという金属原子とＢという金属原子が非常に不規則に並んで全体としてある結晶系をなしているもの、これを合金と言います。これはよく御存じだと思いますが、延性があって非常に加工しやすいのが普通でございます。ところが、金属間化合物というのは、金属原子Ａと金属原子Ｂがそれぞれ規則正しい位置に配列しているものでございます。こういうものを金属間化合物と言っておりまして、これは特徴としまして、非常にかたくてもろいものでございます。どちらかというとセラミックスに近い金属の一つの合金と考えていただいていいかと思います。
　ただし、この金属間化合物には特異な性質、特異な機能をあらわすものが非常に多うございまして、この超電導材科、先ほど申し上げましたニオブ３スズとか、Ｖ３ガリウムといった金属間化合物は非常に起電導材料としてすぐれているものでございます。この金属問化合物はかたくてもろいということで、実際には加工できないわけでございますが、ではどうしてこれを線材化したかということを七ページ以降に書いてございますので、この図に従って説明してまいりたいと思います。
　まず、ブロンズ法、またの名を複合加工法とも言いますが、またもう一つの名前は、私どもの研究者がこれを発明したものですから、太刀川メソッドということで世界的に通用しております。一番上のところに銅とスズの合金がございます。これはいわゆるブロンズでございます。この銅とスズの合金の中にちょうどレンコンのように穴をあけまして、その中に金属ニオブの棒を差し込むわけでございます。これを上から二番目の図のように引き抜き加工をいたします。金属ニオブ、それから銅、スズの合金――ブロンズ、ともに金属の原子ですから非常に引き抜き加工がしやすいわけでございます。
　こういうものをどんどん引き抜き加工しまして細くいたします。そういうものをまた束にしまして、三番目の図でございますが、銅のパイプの中にこういうものを何十本、何百本と入れるわけでございます。それ全体を、鍾のパイプにそういう引き抜き加工したものを詰めたものを改めて一緒に線引き加工するわけでございます。これをどんどん細くしていわゆる線にまで引き抜くわけでございます。今までは金属ニオブ、銅・スズ合金ですからそういう線引き加工もできるわけでございまして、それの断面を拡大して見たのがそこに丸く書いてございます図でございまして、真ん中に小さい丸がございますが、これは金属ニオブのしんでございまして、残りは銅とスズの合金でございます。
　こういう細くなった線を熱処理いたします。これは七百度前後で二日から一週間ぐらい、長時間にわたってずっと熱処理しますと、この銅とスズの合金の中にあるスズだけがこの金属ニオブのところにしみ込んでいくわけでございます。これを拡散と私どもは言っておりますが、長時間温度を上げておきますと金属ニオブの中にスズが拡散していきます。
　そして、その一番下の図にありますように、真っ黒に塗ってあるところがニオブの中にスズが拡散してきたものでございます。拡散してきて、熱処理をずっと続けておきますとニオブとスズが結合しまして、ここで初めてニオブ３スズという金属間化合物ができるわけでございます。こういうことで初めてニオブ３スズの極細多しん線ができるわけでございます。
　この写真が八ページに示してございます。上には線材全体の断面が書いてございます。その黒くなったところが先ほども申し上げましたレンコン状のものの一つと考えていただいていいかと思います。その下の顕微鏡写真を見でいただきますと、真ん丸く黒くなって真ん中がちょっと白くなってございます。この黒い部分が超電導現象をあらわすニオブ３スズの金属間化合物でございます。
　こういう方法によりまして超電導の長い線材がつくれるということでございます。これがブロンズ法でございます。
　その次の九ページに参りまして、別の方法もございます。これはレーザービーム照射法ということでございます。ニオブ３アルミ、こういう金属間化合物の例でございます。これもやはり上の方から説明していきますと、ニオブのチューブの中にニオブの粉末とアルミニウムの粉末を封じ込めます。その封じ込めたものを圧延あるいは線引きして線にしていくわけでございます。
　これは、先ほど申し上げましたように、アルミの粉末、ニオブの粉末、ともに加工できますので、右上の方に拡大図が書いてございますが、ニオブの粉末、アルミの粉末がその中で繊維状に延びているのがわかるかと思いますが、そういうふうに粉末がそれぞれ延びるわけでございます。
　こういうものを、一番右下の図に書いてございますが、こういうふうなニオブ管の中にニオブの粉末、アルミの粉末の延びた繊維状になったものがあるわけでございますが、それをレーザービームあるいはエレクトロンビームなどで急速に溶解していくわけでございます。ニオブ３アルミというのはそのとき溶解してできるわけでございますが、これのメルティングポイントが、溶融温度が約二千二百度から二千三百度でございますので、レーザービームで簡単に、ニオブは溶けませんけれども、中の繊維状になったニオブの繊維、アルミの繊維が溶け合って、結合してニオブ３アルミの超電導材科ができる、こういうことでフープがまたつくれるわけでございます。
　それから三番目のつくる方法でございますが、これはニオブ３ゲルマニウムの例をここに書いてございます。上の方から塩素ガスと一緒に金属ニオブあるいは金属ゲルマニウムの粉末を落としていきまして、塩化炉というふうに書いてございますが、その中で塩素ガスとそれぞれニオブ、ゲルマニウムの金属を反応させまして、金属ニオブ、金属ゲルマニウムがそれぞれ塩化物になります。と同時に、ガス化されるわけでございます。
　そして、ガス化された塩化ニオブ、塩化ゲルマニウムが下の方へ行きまして、反応炉と書いてございますが、その左の方から水素ガスを送り込みまして、塩化ニオブ、塩化ゲルマニウムを反応させまして、ニオブ３ゲルマニウムという金属間化合物の蒸気を反応炉でつくるわけでございます。
　そういう蒸気を、下の方にフープが右から左へ曲がっている図が書いてございますが、これはハステロイというニッケル合金か、あるいはニオブのテープ状のものでございますが、その上に今申し上げましたニオブ３ゲルマニウムの蒸気を蒸着させるわけでございます。そういうことによってニオブ３ゲルマニウムのフープがつくれるわけでございます。
　今、三種類の方法を簡単に御説明いたしましたが、金属系の方はこういうことで超電導の線材あるいはフープがつくれるようになっておりまして、だんだんこれが実用化されたということはただいま申し上げたとおりでございます。
　次に、十一ページに参りまして、そこに超電導臨界温度、これは他と書いてございますが、その歴史的変遷といいますとちょっとオーバーでございますが、時間的にどういうふうに今まで研究開発により上昇してきたかということを示したものでございます。横軸に年号、縦軸に絶対温度、右の方には摂氏温度が書いてございます。
　こういうことで、下の方に丸で書いてございますのが合金あるいは金属間化合物等の超電導になる温度を書いてございます。相当、七、八十年前から余り上がっておりませんで、先ほど申し上げました、たかだか二十度、二十三度Ｋで終わっているわけでございます。ところが、昨年の末ごろから、そこの三角で記した線が垂直に立っております。金属酸化物系で超電導開始温度がすばらしく上昇してきたということがおわかりになっていただけるかと思います。現在まだこの温度が上昇してきているかと思いますし、特に上の方に簡と書いてございますが、実は、最近室温でも超電導になるという発表をあちこちで聞かされております。まだ再現性がございませんので、これはまだ確認はとれておりませんが、そこに書いてあります。アメリカのＥＣＤ社、あるいは私どもの研究所で発見した温度が大体今のところ認められている最高の温度ではないかというふうに考えております。
　これは後で表でもお示ししたいと思いますが、参考までに十二ページに私どもの研究所でことしの三月三日に発表したデータでございますが、イットリウム・バリウム・銅・酸素系でやった実験のデータでございます。右の方から、そういう物質をどんどん冷やしていきますと百二十三度Ｋで超電導が開始された気配がおわかりになっていただけるかと思います。それで、ずっと温度を下げますと急に電気抵抗が下がりまして、九十三度Ｋで完全超電導になったわけでございます。この超電導開始温度は、よく発表されておりますが、この百二十三度Ｋというのは部分的に超電導になったんじゃないかということが考えられます。そういうことで、今後研究することによりましてこの百二十三度Ｋで完全に超電導になるということがあるいは実証できるんじゃないかというふうに考えておりまして、この超電導開始温度も非常に私ども研究者にとっては貴重なデータになっていると考えております。
　次に、十三ページに参りまして、先ほど図で研究の年代と温度を書いてございましたが、ここにもう少し詳しく発見年月日、発見者、それから超電導臨界温度、これには超電導開始温度と完全に超電導になった温度と両方書いてございます。それから物質名を書いてございます。
　後でお話があると思いますが、昨年、六十一年の四月十七日にスイスのチューリヒのＩＢＭ研究所のベドノーツさんが三十度Ｋで超電導が開始するということを初めて見つけられたわけでございます。これは金属系でも得られなかったデータでございまして、昨年の末それを知ったときには私どもちょっとショックを受けたわけでございまして、特に我々はそういう酸化物系というものはどちらかといいますと絶縁物というふうに考えておりまして、そういう絶縁物が超電導になるということで、研究者としては非常にショックを受けたわけでございます。日本も、私どもの研究所もそうでございますが、直ちに研究を始めだというのが実情でございます。その下の方にずっと、どこのだれがどういうデータを出したかというのを日を追って、もうこれは年じゃございませんで、日を追って見つけられた状態がおわかりになっていただけるかというふうに思います。
　十四ページに参りまして、では今後の展開はどうであろうかということを申し上げたいと思います。
　まず、金属系の研究はもちろんでございますが、まず最初に新超電導材料、いわゆる酸化物系の超電導材料のインパクトというものを考えたいと思います。今まで金属系では少なくとも液体ヘリウム、これは先ほど申し上げましたように四度Ｋでございます。そういう高価な液体ヘリウムが絶対必要だったわけでございます。この液体ヘリウムといいますのは一リッター当たり約二千円以上でございまして、資源的にもほとんどアメリカに偏在しておりまして、我が国も一〇〇％アメリカから輸入しているわけでございます。それから製造にも特殊な技術が必要でございます。そういうことで、残念ながら金属系でやっている限り絶対この液体ヘリウムで冷やしてやらなければ超電導にならないし、また使えもしなかったわけでございます。
　ところが、新超電導材料になりますと、それが液体窒素、これは七十七度Ｋでございますが、七十七度Ｋ以上であれば液体窒素でも超電導になるということで、液体窒素が使えるということで非常に大きな問題になったわけでございます。液体窒素というのは非常に安いわけでございます。そこに一リッター当たり百円以下と書いてございますが、大量に買えば五十円以下でも買えるというふうに聞いております。それから取り扱いが容易、製造が容易、それから何にしても窒素は空気中に無限に存在しまして、空気の約八割は窒素でございますので、それを液化すればいいわけでございますので、非常に扱いも資源的にも問題ないということで、この液体窒素で使えるか使えないかというのが非常に大きな問題になったわけでございます。
　その次に参りまして、二番目に、十五ページでございますが、それでは技術的課題としてどういう問題があるだろうかということを申し上げたいと思います。
　これは金属系、酸化物系についてでございますが、まず一番目に、さらに高い臨界温度の追求が必要かと思います。これは金属系にしても酸化物系にしても同様のことが申し上げられると思います。現在、先ほど申し上げました金属系では二十三度Ｋ、配化物系では九十五度ＫのＴｃを持つ材科が発表されております。実用化するには高いほど都合がいいのは当然でございます。この新しい材料の探索が必要かというふうに考えております。もちろん液体窒素じゃなしに室温で使えればもっともっといいわけでございますので、目標は少なくとも室温で使えるところに目標を置きたいというふうに考えております。
　それと二番目に、温度は幾ら高いものができても電流が流せなければ余り実用化されませんので、十分な電流が流せる線材の製造技術の開発研究が今後とも必要かと思われます。先ほど来申し上げましたが、電気抵抗ゼロで流せる電流というのは少なくとも一平方センチ当たり一万アンペア以上が必要かというふうに考えております。酸化物系では今のところまだ残念ながら最大でも一千アンペア流せるか流せないかという非常に小さいものでございます。これは電流の流れ方が従来の金属系と異なるためでございまして、特に酸化物系でその機構解明を行いまして、酸化物系に適した線材の製造技術の開発が非常に大事になるかというふうに考えております。
　三番目に、それと同時に薄膜とか単結晶の作製の技術の開発研究も非常に大事なものでございまして、例えば線材はそういうふうに送電線とかあるいはコイルに使って超電導磁石なんかをつくるわけですが、薄膜あるいは単結品にできますと、エレクトロニクス材料の部品として使用されるわけでございますので、そういう薄膜、単結品の作製技術の研究も今後とも非常に重要になるかと思います。こういう線材あるいは薄膜の技術が今盛んに研究されておりますけれども、少なくとも金属系ではああいう加工できないものが線にできるという技術が開発されておりますので、その延長線上には必ずしもないとは思いますけれども、そういう知識、ノーハウを使ってこういう酸化物系の線材の研究にも努力してまいりたいというふうに考えておるところでございます。
　十六ページに参りまして、今後の発展の方向でございますが、まず第一番目に金属系の超電導の材料開発でございます。酸化物系の非常に高温で使える超電導材料が開発されたからといって必ずしも金属系の超電導材料の研究をやめなければいかぬということではございませんで、今後ともその研究をやって初めてまた酸化物系の進歩にも役立つかもしれませんし、あるいは加工の易しさからあるいはそういう金属系の超電導材科も今後とも使われていくかもしれません。そういうことで、金属系の超電導材料の研究も今後とも続けていかなければならないというふうに考えております。特に先ほど申し上げました、「第三世代（フェーズⅢ）」と書いてございますが、あの材科は、温度は二十三度Ｋぐらいかもしれませんけれども、非常に強い磁場にも超電導が壊れないという非常にいい特徴を持っております。今後、超電導を使いました強力なマグネットを使うとき、どうしても強磁場にさらさなければいけませんので、あるいはこういう金属系の超強磁場にも強い材料も必要かと思いますので、ますます金属系の超電導材料の研究もやっていかなければいけないというふうに考えております。
　二番目に、酸化物系の超電導材料の開発でございますが、新しい理論の解明がどうしても必要になります。現在まだどうして超電導になるかということは残念ながらわかっておりませんので、そういう機構の解明が必要かと思います。そういう機構の解明ができて初めて、その二番目に書いてありますが、今ランタン系、イットリウム系の酸化物の超電導材料が発表されておりますが、新たにそういう機構解明によって新物質の探索も進むかというふうに考えております。また、そういう物質が探索ができても、それを薄膜化、テープ化あるいは線材化ということはまた金属系の超電導材料とは違った意味で非常に難しい技術的な問題があるかと思います。そういう実用化のために、その材料化技術というものが非常に大事になってくるかというふうに考えております。
　次に、特性解析評価技術でございます。ここに書いてございますが、低温強磁界中での超電導特性の測定、解析、評価技術、これはまだまだ確定、確保されておりません。特に、室温超電導材料が発表されてまだそれが確認されてないというのは、まだまだそういう測定技術とか解析技術に問題があるからではないかというふうに私は考えております。そういうことで、こういう測定、解析、評価技術を研究しまして、これがひいては機構の解明にも当たるわけでございますので、こういう研究も必要かというふうに考えております。
　三番目に、以上のような研究を進めていくに当たりまして、特に留意すべき事項としましては、基礎的な研究の一層の充実が大事だというふうに考えております。そういう意味で、私ども温度温度ということに踊らされることなく、もう少し基礎に戻った研究を続けていきたいというふうに考えております。
　また同時に、国際協力の推進がございます。この新超電導材料というものは、私は人類共通の財産というふうに考えておりますので、国際協力が絶対に必要かというふうに考えております。ちなみに、ベルサイユ・サミットの結果、新材料と標準というのがございます。通称ＶＡＭＡＳと言っておりますが、そういうＶＡＭＡＳという共同開発で材科研究を行う組織が現在走っております。その中でテーマが幾つかございますが、日本でその議長国を務めているものの唯一のものがこの超電導材科でございます。そういう意味でも、材料開発の研究には私ども先頭に立って頑張ってまいりたいというふうに考えております。どうか先生方も何分の御援助をお願いしたいと考えております。どうもありがとうございました。