2019 Fiscal Year Research-status Report
高温超伝導体（HTS）を用いた20-70Kで安定動作可能な高磁場超伝導磁石の開発
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18KK0087
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
荻津 透 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, 教授 (30185524)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 研究機関講師 (00469892)
菅野 未知央 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, 研究機関講師 (30402960)
吉田 誠 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (70379303)
鈴木 研人 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, 特任助教 (80764878)
雨宮 尚之 京都大学, 工学研究科, 教授 (10222697)
曽我部 友輔 京都大学, 工学研究科, 助教 (40847216)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | 高温超伝導 / 耐放射線 / 無機絶縁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温超伝導であるREBCOテープ線材を用いた高放射線環境で高磁場を実現する超伝導磁石実現のための研究開発を継続中。本課題は、米国ローレンスバークレー国立研究所(LBNL)と共同で先導的な国際共同研究を行ってきたが、高磁場環境試験での試作コイルの試験をより合理的に試験をおこなうため新たに米国のブルックヘブン国立研究所(BNL)とも協力を始めBNLの高磁場試験装置利用に向けた調整を開始した。令和元年度は、昨年度に引き続きREBCO線材およびセラミックコーティング無機絶縁の耐放射線性を確認する試験を行った。中性子照射による放射線耐性試験は東北大学金属材料研究所付属量子エネルギー材料科学国際センター（IMR大洗）の共同利用研究プログラムを利用。先行研究で1022 n/m2オーダーまで照射したHTS線材の特性評価を行い、超伝導性の消失を確認。令和２年度中には、熱中性子の効果を調べるとともに1021 n/m2オーダーの照射済サンプルの特製評価を行う予定。また、γ線によるREBCO及び絶縁材料の放射線効果を調べるために、量子科学技術研究開発機構高崎量子応用研究所（QST高崎）のコバルト60ガンマ線照射施設において、目標が0.2, 1, 5, 10, 20 MGyのγ線照射試験を行った。特性評価は令和2年度に行う。また短尺超伝導線材でのクエンチ特性試験を行い保護に対する知見を得た。無機絶縁超伝導磁石の基盤技術確立に向け、テープ線材に無機絶縁を連続施工する装置を開発。10 m程度のREBCOテープで試験施工し、膜圧が不均一ではあるが絶縁膜の形成に成功した。また、そのテープでセラミック接着剤を用いて円形コイルを製作、液体窒素を用いて超電導転移を確認した。令和2年度は、長尺コーティングの膜厚均一性を良くするための研究を行うと共に、BNLの試験スタンドに適合するレーストラックコイルの巻き線を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
放射線照射試験は、IMR大洗とQST高崎の2か所で行っている。IMR大洗で行っている中性子照射試験では、先行研究で1.8×1022と2.6×1022 n/m2まで照射されたHTSサンプルの特性評価を行い、超伝導性の消失が確認。また熱中性子の影響を確認するため、HTSに熱中性子吸収材を巻いたサンプルの準備と熱中性子との反応断面積が小さい元素を含むHTSサンプル製作を行った。試作コイルは、BNLの高磁場環境試験装置に合わせて設計を見直し、サポート含めたコイルのサイズが幅30 mm、高さ30 mm、長さ360 mmのものを最低2台製作する。試験ではこれを 90度ずらして挿入することで、HTS線材の試験磁場の向きに対して垂直と平行のデータを同時測定できる。本年度の主な予算執行項目はコイル製作がであったが、これに関しては研究スケジュールと予算を執行の効率化のために3年目と合わせて執行するものとした。一方長尺のREBCO線材のセラミック絶縁施工のための施工技術開発は、初年度繰り越し分を有効利用して、計画相当の成果を上げた。テープ送り・巻取り機、エアブラシを用いた塗料の塗布装置、乾燥・熱処理装置を組み合わせ、テープを連続的に絶縁コーティングできるシステムを構築し、均一性に課題が残るが、100℃程度の温度で最長14 mのテープの両面にそれぞれ膜厚20μm程度絶縁膜の成型に成功した。また、そのテープを用いてセラミック接着剤で円形のダブルパンケーキコイルを製作し、液体窒素を用いた試験により超伝導転移を確認した。これにより無機絶縁超電導コイルの実現に大きく近づいた。
新たに参加した京都大学では短尺線材での各種条件でクエンチ特性試験を行い、高温超伝導コイルのクエンチ保護が可能である運転条件に関する指針を得た。また、一次元クエンチ解析モデルを構築し、実験と解析がよく一致することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
IMR大洗において行われている中性子照射試験で、照射量1022 n/m2オーダーでの超伝導性消失が確認、本計画の初年度に照射依頼したサンプルの目標照射量は1021 n/m2オーダーなので、そのサンプルの試験を令和2年度に行う予定である。またウィーン工科大の研究から熱中性子が疑われるので、今後は熱中性子の効果を中心に研究を行っていく。また、QST高崎において令和元年の3月末まで目標線量20 MGyのγ線照射が行われた。令和2年度はそれらのサンプルの特性評価を行うと共に更なる高線量の照射試験を行っていく。サブスケールコイルの開発・試験に関して、短尺サンプルでのセラミックコーティング最適化と長尺化へ向けた研究が行われ、施工装置および基礎的な技術が確立された。令和2年度は高磁場試験用レーストラックコイルの製作を行う。また、令和3年度にBNLで行う高磁場励磁試験を念頭に高温での要素試験と高磁場環境試験の準備を行う。最終年度となる、令和3年には比較的高温でのコイル要素試験を行ったのち、高磁場政権を行う予定である。高磁場試験は本研究の成果としては是非実現したい項目であるため、BNLとの共同研究について米国側予算獲得も含めて詳細の詰めを早急に行い、高磁場環境での試験を実現させたい。これらと並行してセラミック絶縁REBCO線材のクエンチ特性をマグネット運転安定性やクエンチ保護の観点から京都大学およびLBNLで行なっていく。特に京大およびLBNLでは本研究とは別に各種HTS線材に関してクエンチ特性の検証を行なっているのでこれらの先行研究と比較することによって本研究でのセラミック絶縁コイルの特異性を検証していく。これらを通して高放射線環境で高磁場が実現できるREBCO線材による加速器科学用超伝導マグネットの実現に向けた基盤技術の確立を目指す。
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| Causes of Carryover |
新たに協力を得たBNLに設置されている高磁場環境試験装置でコイルの試験を行うことにしたため、試験コイルの設計が見直された。BLNの試験スタンドを考慮し、サポート含めたコイルのサイズが幅30 mm、高さ30 mm、長さ360 mmのものを2台以上製作することとした。実際の試験では２つの子いるを 90度ずらして挿入して同時に試験できるようにすることで、HTS線材の試験磁場の向きに対して垂直と平行のデータを同時測定できるようにし試験の効率化を図った。このためコイル設計や試験セットアップの見直しのために研究スケジュールに変更が生じた。また試作コイル製作の効率化のためには予算を次年度へと繰り越して次年度予算と合わせて執行することがより合理的であったこともあり、次年度使用額が生じた。
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Research Products
(3 results)
