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

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。

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。