2022 Fiscal Year Annual Research Report
革新的超伝導機器の実現の鍵となる長尺高温超伝導線材の電流輸送特性の統一的モデル化
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20H02132
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
東川 甲平 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (40599651)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 高温超伝導線材 / 電流輸送特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温超伝導線材の開発進展により、超伝導機器の飛躍的な高磁界化や冷却負荷低減の可能性が生まれ、従来の低温超伝導線材が支えてきた超伝導機器応用に大きなブレークスルーがもたらされようとしている。一方、高温超伝導線材における電流輸送特性は、低温超伝導線材とは大きく異なり、上記の恩恵を受けて広がった応用範囲を網羅できるような統一的な理解とモデル化が難しく、特に定量的な機器設計に重大な課題を抱えている。また、機器の製作に必要な数百メートル以上の長尺線材には顕著な空間不均一性が存在し、これが原因とみられる焼損が相次いでおり、その評価とモデル化も急務となっている。そこで本研究では、申請者らのグループで実績のある高温超伝導線材の電流輸送特性の評価技術と定量記述モデルをマルチスケールに拡張することにより、高温超伝導機器応用の重大なボトルネックとなっている長尺高温超伝導線材の統一的モデル化に挑戦する。
特に本年度は、通常の計測手法である四端子法では電圧の観点から計測が困難であり、また磁化法によっても計測時間の観点から困難であったほどの低電界領域の特性を頼りに、そのモデル化に成功した。また同様に通常の計測手法では発熱の観点から計測が困難となる高電界領域の電流輸送特性を計測するために構築したシステムにより、直流通電時のみならず高周波交流通電時のデータの取得にまで成功した。さらに、申請者らが先導する長尺線材の空間均一性の評価に関して、これまでの液体窒素温度での評価にとどまらず、液体ヘリウム温度における評価に初めて成功した。また、これらの知見を、応用例として、エネルギー貯蔵機能を有する超伝導ケーブルの設計や運用計画に反映した。
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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
本研究は以下の項目に分けて行っており、それぞれ計画通りの成果が得られていることから、順調に進展している。
Ａ．低電界領域の材料の電流輸送特性の取得とモデル化：本項目に関しては、通常の計測手法である四端子法では、電界感度の問題から計測ができない。一方、磁気顕微法によれば、試料内に空間不均一性が存在しても、材料の本質的な電流輸送特性を低電界領域まで評価できる。昨年度までに、磁気顕微法を用いて、様々な温度・磁界条件下において、材料の本質的な低電界領域の電流輸送特性を取得している。本年度は、取得に成功した電流輸送特性のモデル化を行った。
Ｂ．高電界領域の材料の電流輸送特性の取得とモデル化：超伝導線材は、通電電流の増加に対して電圧が指数関数的に発生するため、通常の電流源を用いた計測手法では、突如の発熱により線材が焼損してしまう可能性がある。すなわち、本項目に関しては、通常の四端子法では発熱の問題から計測が困難である。昨年度までに、超伝導線材が発生する電圧に応じてリアルタイムに電源電流を制御するハードウェア閉ループ試験法の構築している。本年度は同試験によるデータの取得の取得を行い、そのモデル化の検討を開始した。
Ｃ．長尺線材の空間均一性の評価：長尺線材の空間均一性の評価：本項目に関しては、申請者らは世界を先導する評価システムを唯一開発できており、百メートル以上の線材の臨界電流の空間均一性をmm以下の空間分解能で、しかも５テスラまでの磁界印加環境下で計測可能となっている。また、冷媒の変更により温度も可変となる見込みとなっている。昨年度までに、このうちの最も複雑な特性となる磁界印加角度依存性について、データの取得に世界で初めて成功している。本年度は、従来の液体窒素温度による測定にとどまらず、液体ヘリウム温度における測定を行えるようにシステムを増強し、データの取得に初めて成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は以下の項目に分けて行っており、それぞれこれまでに得られた成果を踏まえて以下を計画する。
Ａ．低電界領域の材料の電流輸送特性の取得とモデル化：本項目に関しては、通常の計測手法である四端子法では、電界感度の問題から計測ができない。一方、磁気顕微法によれば、試料内に空間不均一性が存在しても、材料の本質的な電流輸送特性を低電界領域まで評価できる。これまでに、磁気顕微法を用いて、様々な温度・磁界条件下に対して低電界領域の電流輸送特性を取得することに成功し、そのモデル化を行った。今後は、この短尺試料に対して機能したモデルを、長尺線材に適用可能なモデルに拡張する。
Ｂ．高電界領域の材料の電流輸送特性の取得とモデル化：超伝導線材は、通電電流の増加に対して電圧が指数関数的に発生するため、通常の電流源を用いた計測手法では、突如の発熱により線材が焼損してしまう可能性がある。すなわち、本項目に関しては、通常の四端子法では発熱の問題から計測が困難である。これまでに、リアルタイムデジタルシミュレータを用いた高周波の印可によって高電界領域までの電流輸送特性の取得に成功した。今後は、当該データのモデル化に取り組む。
Ｃ．長尺線材の空間均一性の評価：本項目に関しては、申請者らは世界を先導する評価システムを唯一開発できており、百メートル以上の線材の臨界電流の空間均一性をmm以下の空間分解能で、しかも５テスラまでの磁界印加環境下で計測可能となっている。また、冷媒の変更により温度も可変となる見込みとなっている。これまでに、このうちの最も複雑な特性となる磁界印加角度依存性について、データの取得に世界で初めて成功した。また、これまでの液体窒素温度の評価にとどまらず、液体ヘリウム温度でのデータの取得にも初めて成功した。今後は、さらに温度や磁界の条件を変えることで、モデル化に必要となるデータの積み増しを行う。
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