| Project/Area Number |
23K28354
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| Project/Area Number (Other) |
23H03665 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 80040:Quantum beam science-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
飯尾 雅実 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 准教授 (00469892)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
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| Keywords | 超伝導工学 / 加速器科学 / 耐放射線磁石 / 高温超伝導体 / 原子核物理学 / 素粒子物理学 / 物質科学 |
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| Outline of Research at the Start |
原子核・素粒子実験において、更なるフロンティアを達成するためには、磁石技術のパラダイムシフトが必要である。そこで、本研究では高温超伝導体（HTS）を用いて、100 MGyを超える高放射線環境下で運転可能な高磁場磁石の実現を目指した研究開発を行う。具体的には、REBCOと呼ばれるHTSテープ線材と銅クラッドアルミテープを組み合わせたアルミニウム安定化HTSケーブルを開発し、ショートサンプルや長尺サンプルの特性評価を実施する。そして、最終的に試験コイルを製作し冷却・励磁試験を行う。また、HTS 線材と磁石材料の照射試験を通して放射線損傷についての知見を得ると共に、磁石開発へフィードバックさせる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代加速器において、100 MGyを超える高放射線環境下で動作する20T級高磁場磁石が要求されている。耐放射線コイルの基本的な考え方は、放射線を透過させることで核発熱による熱負荷や放射線損傷による物性劣化を最小にすることであり、本研究では、高温超伝導体（HTS）線材を基にしたアルミニウム安定化HTS導体開発を通して次世代耐放射線HTS磁石の実現に挑戦する。
開発する導体として、銅クラッドアルミ（CCA）リボンと、HTSテープ線材のはんだ接合を試みた。SpuerPower社（SP社）の協力のもと、幅4 mm、厚さ0.17mmのCCAリボンを幅4 mm、厚さ0.1 mmの人工ピン添加YBCO型テープ線材2枚で挟んだ長さ200 mmの短尺試作を行った。温度、時間、圧力の条件を変化させ39本の試作を行い、治具調整ミスによる失敗を除き25本の接合に成功した。断面観察を行ったところ、ボイド等なく隙間にはんだが充填されていることが確かめられた。液体窒素による接合試料の臨界電流（Ic）測定において約14％の低下が観測された。これはCCAリボンを介したHTSテープ間の電流の乗り移りの際に接続部に抵抗が発生していることを示唆している。また、曲げ試験による予想よりも大きなIcの劣化が観測されているため更なる機械特性の測定が必要である。しかしながら、総合的にはHTSテープとCCAリボンのはんだ接合による一体化は有望であることが分かった。
一方、CCA材の入手性が非常に悪いことが分かり、我々の要求する幅6 mm、厚さ2 mmのリボンを入手することは困難である。また、本研究計画立案時と比較してSP社工場の操業状況が変化したため本研究への協力が難しい旨の打診があった。そこで、京都大学と協力し、アルミコアにHTSテープを巻き付けたスパイラルケーブルの開発を行うことにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本計画は、米国SuperPower社の協力により同社が持つREBCOテープ線材へのはんだメッキ及びはんだメッキされたREBCOテープ線材同士の接合技術を利用し、市販の銅クラッドアルミリボンと組み合わせることによりアルミ安定化HTSケーブルを開発するものであった。ショートサンプルの接合試験は概ね順調に進み、次の段階の長尺化試作の準備を進めていた。長尺化のためには工場の製造ラインを組み替える必要があったが、近年の工場の操業状況の変化に伴いそのライン立ち上げが難しくなった。そこで、我々は新たに京都大学雨宮研究室と協力し、直径3mmのアルミコアにHTSテープを巻き付けたスパイラル形状のアルミ安定化HTSスパイラルケーブルの開発を行うことにした。これまで同研究室は銅コアを基にスプリットされたREBCOテープを複数枚巻き付けることで交流損失の小さい大電流のHTSケーブルを開発してきたが、アルミコアでのケーブル製作の経験は少ない。先ずはショートサンプルの試作を行い、そのケーブル特性を調べるところから始める予定であり、当初の研究計画から遅れる見込みである。
一方、REBCOテープの放射線耐性を調べるための中性子照射研究は順調に進んでおり、新たなデータの取得に成功し、第一弾の成果報告の準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記で述べたようにアルミ安定化HTSケーブル開発において大きな方向転換をしたため、まずはケーブルの試作とショートサンプルによる導体の特性評価を重点的に進める。本スパイラルケーブルは2mm幅のREBCOテープ線材を1層当たり3枚用いて多層巻きすることで実現する。並行して行われている中性子照射研究によりその耐性が確かめられたイットリウム系のYBCOベースのテープ線材を用いて、何種類かテープ配置と層構造を変化させたケーブルを試作する。それよりショートサンプルを切り出し、REBCOテープの超伝導特性の変化、テープとアルミコア間の電気抵抗や熱伝導率、テープ間の電流の乗り移り、ケーブルの機械的性質を調べる。また、並行してダミーテープを用いて機械的特性を模擬するケーブルを試作し、それを積み重ねたスタックサンプルを作ることでコイル化のための絶縁構造や冷却方式、機械的特性なども測定する。
中性子照射研究に関して、レアアースの異なる3種類のサンプル（GdBCO、EuBCO、YBCO）に1.47×1021 n/m2の中性子フルエンスまで照射した結果、Y、Eu、Gdの順に耐性が高いことが確認された。本フルエンスでYBCO試料の超伝導特性劣化は観測されなかった。それぞれのサンプルは通常の状態だけではなく低エネルギー中性子抑制のためのCdでシールドされたもの同時に照射され、低エネルギー中性子の寄与が大きくレアアースの中性子吸収断面積に依存した傾向があることが示唆された。そこで、今後は同様のサンプル構成で、中性子フルエンスを変えた照射を行っていく。
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