高温超電導体の機的-電磁気連成による力学的挙動の研究

• 研究課題/領域番号: 12750086
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 田村 仁 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (20236756)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2001
• 研究課題ステータス: 完了 (2001年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2001年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2000年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
• キーワード: 高温超電導 / 連成 / 電磁気 / Bi2212 / 電流リード / 繊維強化 / 高温超伝導 / 電磁力 / 構造材料 / 極低温 / 強磁場 / き裂

研究概要

近年、高温超電導の工学的研究のめざましい発達により、非常に高い電流密度をもった材料が開発されている。高温超電導体を用いた機器の一つとして、超電導応用機器の電源と超電導コイルを結ぶ電流リードが提案されている。高温超電導体は、高電流密度とともに低い熱伝導率を持ち、従来の銅製の電流リードに比べて小型化、低温側への低い熱負荷がその優位性として挙げられている。しかしながら、一般に高温超電導体、特に電流リードへの応用が期待されているバルク材料は強度的に非常に脆く、その機械的強度の増強が望まれている。また、実際の通電環境では、自己の電流と外部磁界により強大なローレン力が働く。さらに、電磁力による変形を受けた材料はその物性値が変化し、その力学的挙動は電気と機械の達成となる。本研究では、以上の点に鑑み、高温超電導体の力学的挙動を評価するために、その剛性と変形挙動を理論的・実験的に明らかにした。対象とした高温超電導体は最近開発された拡散法によるBi2212の円筒型のサンプルである。このサンプルは直径29mm長さ200mm、通電電流は約6kAである。このサンプルの表面をガラス繊維とエポキシにより強化し、圧縮強度の変化と常温から液体ヘリウム温度までの線膨張係数を測定し、この方法により強度を増すことができることを示した。また、強化をしたサンプルとないサンプルの通電性能を比較し、電気的、熱的な性能の劣化を伴うことなく、機械的強度が増加していることを示した。電気と機械の達成に関しては、解析的に評価を行った。解析は汎用の有限要素法プログラムであるANSYSの電磁場計算コードを用い、定常磁場に時間的変化が起こった場合に近接物体に発生する渦電流を計算した。また、外力として電磁力のような物体力が作用した場合の過渡的応答を計算について、その計算方法の妥当性と精度を検証した。