事業者名：関西学院大学 工学部 大屋正義
事業名：2022年度補助事業「次世代超電導マグネット向け高温超電導大電流集合導体の開発」
1. 研究の概要
小型核融合炉、水素ガスタービン超電導発電機、小型重粒子線治療装置（量子メス）など、持続可能な社会の構築に向けてゲームチェンジャーとなりうる次世代超電導マグネット機器に不可欠な数kA級の高温超電導大電流集合導体の設計・製造技術を開発した。
2. 研究の目的と背景
カーボンニュートラルに向けてCO2排出量の約4割を占める電力部門の削減は必須である。短期的には、グリーンな液体水素の冷熱を用いて高効率な超電導発電機を冷却し、蒸発した水素ガスをタービンに送って発電する水素ガスターン超電導発電機を実用化して、低効率な火力発電を置き換えることでCO2排出量を減らし、長期的には、究極のカーボンフリー発電である小型核融合炉によりカーボンニュートラルを達成する。
上記のような次世代超電導マグネット機器の実現には、高温超電導線材を用いた数kA級の大電流集合導体が不可欠だが、国内で製造・販売を行っているメーカーはなく、機器の実用化開発の妨げになっている。
次世代超電導マグネット機器の実用化に不可欠な数kA級の高温超電導大電流集合導体の設計・製造技術を開発する。
3. 研究内容
① 線材スパイラル試験
高温超電導線材の基板厚さや銅メッキ厚、巻芯径やスパイラルピッチ等をパラメータとして、スパイラル曲げ前後の通電特性を検証した。本結果を体系的にとりまとめて設計データベースを構築した。
② 集合導体試作
巻線機を導入し、上記設計データベースをもとに複数仕様の集合導体を試作した。試作集合導体の曲げ試験や側圧試験を行い、導体仕様が機械特性に及ぼす影響を検証した。なお、側圧試験に関しては、200MW級超電導発電機の界磁コイルの概略設計をもとに電磁力と遠心力を計算し、集合導体の応力解析を行って印加する側圧値を決定した。
③ 導体設計指針作成
構築したデータベースと集合導体試作結果を融合して、導体要求仕様（外径や許容曲げ径等）に対する導体設計指針を確立した。さらに、導体設計指針をもとに集合導体設計ツール（設計ソフト＋計算機）を作成した。
④ 2kA級集合導体試作
導体設計指針をもとに、一例として200MW級超電導発電機の界磁コイルをターゲットとした2kA級の集合導体を設計・試作して、通電特性を検証した。
4. 今後の展望
これまでの超電導ケーブルと超電導マグネットの研究開発で蓄積した知見とノウハウを生かし、次世代超電導マグネット機器の研究開発を推進していくうえで、キーアイテムとなる高温超電導大電流集合導体の設計・製造技術を確立した。
数ｋA級の高温超電導大電流集合導体の製造が可能になり、小型核融合、水素ガスタービン超電導発電機、小型粒子線治療装置など、次世代超電導マグネット機器の研究開発が加速して持続可能な社会の実現に貢献する。
5. 成果発表
＜学会発表＞
- 生田勝利,大屋正義,三浦英明,服部泰佑,殿岡俊, 「液体水素冷却超電導発電機向けREBCO集合導体の開発(1) REBCO線材スパイラル試験」、2022年度春季 第103回低温工学・超電導学会
- 生田勝利,中西啓太,西山諒,大屋正義、「次世代超電導マグネット向けREBCO超電導大電流集合導体の開発」、電気学会 超電導機器研究会
- 西山諒,生田勝利,中西啓太,大屋正義、「次世代超電導マグネット向けREBCO超電導大電流集合導体の開発－1層導体試験－」、2022年度 第21回磁気力制御・磁場応用夏の学校
- 生田勝利,中西啓太,西山諒,大屋正義、「次世代超電導マグネット機器向けREBCO集合導体の開発」、2022年度秋季 第104回低温工学・超電導学会
- 大屋正義,生田勝利,中西啓太,西山諒、「液体水素冷却高温超電導導体の開発(1) 概要」、令和5年電気学会全国大会
- 生田勝利,中西啓太,西山諒,大屋正義、「液体水素冷却高温超電導導体の開発(2) 分流解析」、令和5年電気学会全国大会
- S. Ikuta, K. Nakanishi, R. Nishiyama, M. Ohya, “Development of REBCO assembled conductors for high temperature superconducting equipment (1) Spiral test of various REBCO wires”, Applied Superconductivity Conference 2022
- M. Ohya, S. Ikuta, H. Miura, K. Obata, S. Tonooka, “Research and development of a liquid hydrogen-cooled HTS generator with a hydrogen gas turbine – Current flow simulation of an assembled conductor -“, Applied Superconductivity Conference 2022
＜論文＞
- S. Ikuta, K. Nakanishi, R. Nishiyama, M. Ohya, “Spiral Bending Tests of Various REBCO Wires for Development of High-Temperature Superconducting Assembled Conductors “, IEEE Transactions on Applied Superconductivity
- M. Ohya, S. Ikuta, H. Miura, K. Obata, S. Tonooka, “Current flow simulation of assembled conductors for field coils of liquid hydrogen-cooled high-temperature superconducting generator”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity
