最適電磁・熱構造ポーラス安定化材導入による抵抗型超伝導限流器実現への挑戦

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本研究は抵抗型超伝導限流器に利用される希土類系銅酸化物超伝導体(REBCO)線材の安定化材に金属ポーラス体を利用することで，抵抗型超伝導限流器実現の課題であった限流・復帰性能のトレードオフ解消を目指している．本年度（2021年度）は，ポーラス安定化材とREBCO線材の接合に利用する材料（接合材料）が沸騰熱伝達性能に与える影響を考察するため，膜沸騰状態における液体窒素と接合材料間の局所的な接触領域での熱バランスに注目したモデルを作成した．その結果，熱伝導率が極端に低い絶縁性エポキシを利用することで，熱伝導による固液接触部への入熱量が除熱量に対し非常に小さく蒸気膜が崩壊しやすいことを示した．そこで次に絶縁性エポキシ厚さおよびポーラス安定化材孔径を決定するため，熱抵抗とポーラス安定化材内の気液対向流に注目したモデルを作成し，絶縁性エポキシ厚さとポーラス安定化材構造を最適化し，復帰時間を裸面のREBCO線材の30%以下まで短縮することに成功した．更に，実機体系における限流・復帰性能を実験および数値解析双方より評価し，最も典型的な6.6 kV/400 A定格では目標の限流・復帰性能を達成可能であることを示した．一方，大容量6.6 kV/2 kA定格の場合，限流動作時の熱負荷が大きくREBCO線材内でホットスポットが発生することで，復帰性能の低下に繋がることが明らかとなった．これは絶縁性エポキシを利用した際にはポーラス安定化材へ電流が転流せず，熱負荷の低減が図られないことが一因であると考えられたため，ホットスポットの温度上昇抑制に向けてポーラス安定化材への電流転流を可能にする「電流転流型ポーラス安定化材付REBCO線材」を提案し性能を評価した．その結果，従来構造に対し，電流焼損までの耐熱負荷が2倍程度まで増加し， 1 s以内の高速復帰が実現可能であることが示された．