Ultra fine A15 superconducting wire for high-field accelerator magnets

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H04477
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: KITAGUCHI Hitoshi 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, 特命研究員 (60354304)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西島 元 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, グループリーダー (30333884) ; 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, 准教授 (30402960) ; 菊池 章弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究センター, グループリーダー (50343877) ; 谷貝 剛 上智大学, 理工学部, 教授 (60361127)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Keywords: 超伝導線材 / 極細金属線加工技術 / 超伝導ケーブルの電磁現象 / 極細超伝導線の特性評価技術

Outline of Final Research Achievements

Nb/Al ultra-fine composite wire of 0.05mm in outer diameter and >1km length was fabricated without breakage by improving its cross-sectional design. A part of this wire was successfully reduced to 0.017mm dia., which is thinner than silk thread and the world finest metal composite wire. To demonstrate the potential of Nb/Sn ultra-fine composite for accelerator cables, 7/7/36/0.05 stranded tertiary cable (~3.0 mm cable dia.) was fabricated. The cable is highly flexible after heat treatment for A15 superconducting phase formation, and carries 5kA (4.2K,2T).
For the current distribution analysis. we developed a new approach by introducing an equivalent circuit element. It enables a 35-percent saving of CPU time.
A tensile testing method was established to characterize mechanical properties for ultra-fine Nb3Sn wires without using extensometers. The allowable tensile stress for a twisted cable was confirmed to be equivalent to that of a single wire.

Free Research Field

応用超伝導

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

上部臨界磁場の高いNb3SnやNb3AlといったA15型化合物の超伝導線材（以下、A15超伝導線材と記載）とそのケーブルは超伝導相を生成させる熱処理（リアクト）後は脆いためにコイル巻線（ワインド）できない。髪の毛よりも細い極細超伝導線材を撚り合わせることで、性能を劣化させることなく自在に曲げることができ、これまで前例のないしなやかさをもった超伝導ケーブルの開発を進めている。熱処理後に優れた曲げやすさを維持しながら実際に5kAの大電流通電に成功した本研究の成果は、次世代型高磁場加速器で期待されている熱処理済みのケーブルを巻くリアクト＆ワインド法でのコイル製作への道を拓く。