High current density, high stability, and high quench protection of HTS coils in AC magnetic fields

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高温超伝導線に絶縁を施した絶縁コイルを対象として、従来の絶縁コイルの巻線部電流密度の限界と考えられる1平方センチメートル当たり200Aを超える電流を安定に流せる技術を得る見通しを立てるため、令和４年度は主に以下を実施した。クエンチ検出の高感度化及び高クエンチ耐性化に関する研究としては、ホットスポット温度を低減させる方策の一つとして銅テープ共巻き法を提案し、高温超伝導YBCOテープを用いた小型超伝導コイルに実際に銅テープ共巻き法を適用し、その有効性を実証した。具体的には、冷凍機で50Kまで冷却したコイルに直流電流105Aを流した状態でクエンチ発生を模擬したヒータに通電した。その結果、コイルはいったんクエンチするものの、その後に超伝導状態に復帰することが確認できた。そして、共巻きする銅テープの厚みを増せばホットスポット温度はより低減することも確認された。また、変動磁界損失および抵抗領域における発熱に対する抜熱を高めるコイル構造材料の研究として、高温超伝導YBCOテープ線を用いたコイル巻線部を模擬した巻線パックを作成し、テープ線間の熱伝達特性データなどを取得した。具体的には、コイルパックを冷凍機により77Kまで冷やしてYBCOテープ線の接触面圧や巻線部に挿入した小型ヒータによる発熱などを変えながら温度上昇を測定した。例えば、250mWのヒータ入力に対して抜熱が悪い条件では22Kの温度上昇が生じるのに対して、抜熱が良い条件では7Kの温度上昇まで低減された。これ以外にも、コイル構造材である高熱伝導プラスチックの熱歪特性と関連付けて、コイル巻線部における熱伝達特性のデータを蓄積した。さらに、高熱伝導なイオン液体で超伝導コイルを含浸することにより、コイルの熱的安定性を高める研究としては、試験治具の作成やイオン液体単体の電気的特性を測定する装置の作成を行い、令和5年度における本格的な試験に備えた。