超電導磁石の冷却電力半減を達成

日立は希少資源である液体ヘリウムを使用せずに冷凍機による冷却のみで使用可能な線材長さ8kmの二ホウ化マグネシウム（以下、MgB2）超電導線材を開発しました。開発した線材を用いて、マイクロ波発生装置（以下、クライストロン）用の超電導磁石を製作し検証した結果、温度20K（マイナス253℃）で磁束密度0.8テスラを達成しました。本技術により小さな電流でも強力な磁場を発生できるため、超電導磁石内部への熱侵入量が削減され、従来の超電導磁石と比べ冷却電力の半減化を実現できます。今後日立は、より強力な超電導磁石を本線材を用いて実現することでMRI*1などの現行超電導機器の消費電力を削減するとともに、エネルギー、交通分野への応用展開を進めることで、環境負荷低減に貢献します。

画像: 図1　MgB2超電導線材（線径0.67mm）の断面写真および外観 — 図1　MgB2超電導線材（線径0.67mm）の断面写真および外観

背景および取り組んだ課題

加速器施設などで使用されるクライストロン用超電導磁石では、その消費電力の約半分を電磁石の励磁に用いる必要があり、その省エネ化が課題でした。
超電導磁石の省エネ化のために、線材長さ8kmにわたる性能の均一化に取り組みました。

開発した技術

MgB2を保護する厚さ30µmの金属層を破損させないMgB2超電導線材細線化技術

確認した効果

本技術で作製したMgB2線材を用いたクライストロン用超電導磁石を温度20Kで運転し、大幅な省電力を実現するとともに、従来の超電導磁石（NbTi*2）と比べて半分以下の冷凍機消費電力（3kW以下）で超電導状態を維持できることを確認

発表する論文、学会、イベントなど

本成果の一部を2019年9月22日からカナダで開催された26th International Conference on Magnet Technology にて発表

開発した技術の詳細

MgB2はマグネシウムとホウ素の混合粉を加熱することで得られますが、その際混合粉を適切な金属で覆って保護する必要があります。従来は、その金属保護層を維持したまま細線化することが困難なため、線材長さは数百メートル程度に留まっていました。今回開発した線材の金属保護層は約30µmの厚さですが、この保護層が破れにくい線材断面構成および加工条件を明らかとすることでMgB2超電導線材細線化技術を開発しました。結果、線材長さ8kmにわたって均一なMgB2線材を実現しました。線材長さが長くなることで、超電導磁石作製における線材接続数が減り、超電導磁石のコスト低減も可能となります。

確認した効果の詳細

超電導磁石が作る磁場の大きさは、電磁石に通電する電流値と、電磁石形状に巻線された超電導線材の巻数（すなわち超電導線材の長さ）の積に比例します。クライストロン用超電導磁石において、今回開発した線材のうち約6kmを用いて超電導磁石を形成することで、小さな電流でも強力な磁場を発生できました*3。電極における室温部から冷却部への熱侵入量を低減*4した超電導磁石を温度20Kで運転することで、従来の超電導磁石（NbTi）と比べて半分以下の冷凍機消費電力（3kW以下）で超電導状態を維持できることを確認しました。

画像: 図2　MgB2超電導線材および超電導磁石における、冷却電力半減に向けた課題および解決策 — 図2　MgB2超電導線材および超電導磁石における、冷却電力半減に向けた課題および解決策

*1　Magnetic Resonance Imaging 磁気共鳴を利用して生体内部の画像を取得する。
*2　低温超電導ニオブチタン線材。
*3　通電電流値57.1アンペアにおいて、磁石中心における磁束密度0.8テスラ。
*4　外部の電源から電磁石へ通電するための電極。通電電流値に応じて太くする必要があり、その太さの二乗に比例して熱侵入量が増加する。