JP2018147842A - Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体及びＮｂ３Ｓｎ超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく高い臨界電流密度特性を達成できるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体を提供すること。【解決手段】分散スズ法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、ＮｂもしくはＮｂ合金棒をＣｕで被覆してなるＮｂ単芯線を、複数本束ねてさらにＣｕで被覆したＮｂ多芯線と、ＳｎもしくはＳｎ合金棒からなる、または、ＳｎもしくはＳｎ合金棒をＣｕで被覆してなるＳｎ単芯線と、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ及びＴａ合金から選択される少なくとも１つからなるバリア層が内面に形成されたバリア層付きＣｕ管と、らなるサブエレメント線をＣｕ管内に複数本束ねて備えており、前記サブエレメント線において、前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ多芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記バリア層付きＣｕ管内に配置されていることを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体。【選択図】図２

Description

本発明は、分散スズ法でＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体に関する。

ＮＭＲ、ＭＲＩ、核融合、加速器など、超電導線材を用いる分野では装置のコンパクト化が求められており、使用する線材の高性能化が必要となっている。こういった装置では、線材の臨界電流密度Ｊｃが高いほど、コンパクトにできる。しかし、従来用いられてきたブロンズ法線材では、要求されているコンパクト化を実現できるほどの高い臨界電流密度Ｊｃが得られないという欠点がある。

Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、粉末のＳｎやＳｎ基合金を使用した粉末法や、内部拡散法も知られている。これらの方法では、ブロンズ法より高い臨界電流密度Ｊｃが得られると考えられている。また前駆体の製作時間の短縮化が実現できるという利点もある。

中でも、分散スズ法によって得られる超電導線材は高い性能を示すことが期待されている。これは線材断面内に存在するＮｂ_３Ｓｎ相の量を増加させることができるためである。このＮｂ_３Ｓｎ量の増加により、広く用いられているブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ線材に比べて１．５倍以上の高い臨界電流密度特性を示す。

分散スズ法線材については、これまでにも、伸線加工時のＳｎ単芯線の変形に伴うＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理のＳｎの溶融によるＮｂ単芯線の配置の乱れ、熱処理によりＳｎ単芯線に発生するボイドのサイズを低減し、超電導特性の低下を防止できるＮｂ_３Ｓｎ線材の前駆体およびその製造方法等が報告されている（特許文献１）。

特に、図１に示す特許文献１（特許文献１の図９）記載の実施形態は、内面にバリア層９３を設けたＣｕ管９２内部に、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように複数のＳｎ単芯線１６およびＮｂ単芯線１９を配置して多芯ビレット９４を形成し、この多芯ビレット９４を減面加工してサブエレメント線９５とし、複数のサブエレメント線９５をＣｕ管９６内部に複数配置した前駆体９１としている。

特許第５５８８３０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている実施形態（図１参照）では、合計断面積Ｓｎと合計断面積ＮｂやＳｎ単芯線同士が隣接しないことといった条件は満たしているものの、Ｓｎの拡散距離が比較的大きく、また、Ｎｂ単芯を用いているが故にＳｎのＮｂ中の拡散パスがない。そのため、ＮｂとＳｎの反応が十分でなく、化学量論的に良質なＮｂ_３Ｓｎの量を最大限に得ることができないという問題があった。

よって、現在のコンパクト化の厳しいニーズを満たすためにも、分散スズ法によるＮｂ_３Ｓｎ線材において、化学量論的に良質なＮｂ_３Ｓｎを効果的に、より大量に形成して、高い臨界電流密度特性を達成することが求められている。

本発明は、上記の様な問題点に着目してなされたものであって、その目的は、分散スズ法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、化学量論的に良質なＮｂ_３Ｓｎを効果的に、より大量に形成して、高い臨界電流密度特性を達成できるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体を提供することである。

本発明者らは鋭意検討を重ね、下記構成によって上記課題が解決できることを見出した。

すなわち、本発明の一局面に係るＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、分散スズ法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、ＮｂもしくはＮｂ合金棒をＣｕで被覆してなるＮｂ単芯線を、複数本束ねてさらにＣｕで被覆したＮｂ多芯線と、ＳｎもしくはＳｎ合金棒からなる、または、ＳｎもしくはＳｎ合金棒をＣｕで被覆してなるＳｎ単芯線と、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ及びＴａ合金から選択される少なくとも１つからなるバリア層が内面に形成されたバリア層付きＣｕ管と、からなるサブエレメント線をＣｕ管内に複数本束ねて備えており、前記サブエレメント線において、前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ多芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記バリア層付きＣｕ管内に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、多芯ビレットにＮｂ単芯線を用いた従来技術に比較して、Ｎｂ線へのＳｎの拡散パス（Ｃｕ部）が形成され、化学量論的に良質なＮｂ_３Ｓｎを効果的に、より大量に形成することができ、高い臨界電流密度特性を得ることができる。

図１は、従来技術によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材前駆体の概略断面図である。 図２は、本発明の一実施形態であるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材前駆体の概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面等を参照してより具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。

本実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体は、図２に示すように、複数のサブエレメント線１０５をＣｕ管１０６内部に複数本配置した前駆体１０１である。このサブエレメント線１０５は、多芯ビレット１０４を減面加工して得られる。前記多芯ビレット１０４は、内面にバリア層１０３を設けたＣｕ管１０２の内部に、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように複数のＳｎ単芯線１６および複数のＮｂ多芯線１１９を配置している。そして、前記Ｎｂ多芯線１１９は、Ｎｂ単芯線１９を複数配置して減面加工したものをＮｂ多芯線１１９としている。

上述したような構成を有することにより、本実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体では、多芯ビレットにＮｂ単芯線を用いた従来技術（例えば、図１に示すもの）に比較して、Ｎｂ線へのＳｎの拡散パス（Ｃｕ部）が形成される。よって、化学量論的に良質なＮｂ_３Ｓｎを効果的により大量に形成することができ、高い臨界電流密度特性を得ることができると考えられる。

非特許文献Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ａｌｌｏｙｓの値を用いると、熱処理温度である６５０℃におけるＣｕ中のＳｎの拡散速度は２．０×１０^−１５（ｍ^２／ｓ）であり、Ｎｂ中の拡散速度は２．８×１０^−２４（ｍ^２／ｓ）となるから、Ｃｕ中拡散速度の方がオーダにして９桁高い。したがって、本実施形態のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材前駆体は、極めて高い臨界電流密度特性を得ることができると考えられ、産業利用上非常に有用である。

本実施形態において、Ｎｂ単芯線１９は、Ｎｂ１７又はＮｂ合金棒１７をＣｕ１８で被覆し、押出し加工・伸線加工・圧延加工等の減面加工を施し、最終的に断面形状を六角形に成形することにより得られる。前記Ｎｂ単芯線１９を複数束ねて、再度外周にＣｕ２０のマトリックスに配置することによってＮｂ多芯線１１９を得ることができる。なお、多芯化する際は充填率を上げるために断面形状が六角形（六角断面形状）に成形されることが好ましい。

ＮｂやＳｎをＣｕで被覆することにより、加工性の向上（柔軟性の付与）、Ｎｂ_３Ｓｎの生成温度の低下、Ｓｎの拡散といった効果が得られる。

なお、本実施形態において「複数」または「複数本」とは、２本以上の複数であれば特に本数は限定されず、所望の本数を、用途等に応じて実質的に製造できる範囲で適宜設定できる。

本実施形態のＳｎ単芯線１６も同様に、Ｓｎ１４又はＳｎ合金棒１４をＣｕ１５で被覆し、押出し加工・伸線加工・圧延加工等の減面加工によって断面形状が六角形に成形されて得られる。

本実施形態における押出し加工・伸線加工・圧延加工等の減面加工の手段は特に限定されず、従来使用している手段を用いることができる。

本実施形態における多芯ビレット１０４では、Ｓｎ単芯線１６同士が隣接しないように複数の前記Ｓｎ単芯線１６および複数の前記Ｎｂ多芯線１１９を配置して、それをバリア層（拡散バリア層）１０３で被覆し、さらに、当該バリア層１０３の外側には安定化のためのＣｕ管１０２を設けている。前記バリア層１０３は、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金からなる層および／またはＴａ若しくはＴａ基合金からなる層（Ｎｂ若しくはＮｂ基合金からなる層またはＴａ若しくはＴａ基合金からなる層の単層、或いはこれらの複層）で構成されている。

本実施形態の前駆体１０１を構成するサブエレメント線１０５は、上述したような多芯ビレット１０４を減面加工して断面形状が六角形に成形することによって得ることができる。このサブエレメント線１０５を複数本束ねて、Ｃｕ管１０６に挿入することにより、前記サブエレメント線１０５がＣｕで被覆された本実施形態の前駆体１０１が得られる。

本実施形態の前駆体は、Ｃｕ、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金、及びＳｎ若しくはＳｎ基合金等を構成素材として構成されるが、用いるＮｂ基合金としては、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等の添加元素を８質量％程度まで含有させたものを用いることができる。更に、Ｓｎ基合金としては、Ｔｉ，Ｔａ等の添加元素を、加工性を阻害しない程度（Ｔｉでは３質量％以下、Ｔａでは８質量％以下）でＳｎに含有させたものを使用することができる。Ｃｕについては、一般的に酸化物を含まない９９．９５％（３Ｎ）以上の高純度銅である無酸素銅（ＪＩＳ Ｈ ３１００，Ｃ１０２０（２０１２））を用いることが好ましい。

本実施形態においては、上記のような前駆体を用い、ブロンズ化熱処理を含めた拡散熱処理（通常２００℃以上、８００℃未満程度）することによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮するＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を得ることができる。具体的には、１８０〜６００℃の温度範囲でブロンズ化熱処理（ＳｎをＣｕに拡散させる）を行なった後に、６５０〜７５０℃の温度範囲で１００〜３００時間程度のＮｂ_３Ｓｎを生成させる熱処理を行なう。なお、ブロンズ化熱処理としては、１８０〜２００℃で５０時間程度、３４０℃前後で５０時間程度、５５０℃前後で５０〜１００時間等の多段階の熱処理の組合せにすることもできる。

以下では、本発明を、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されない。

（実施例）
実施例の前駆体について、図２を用いて説明する。外径１００ｍｍ、内径８６．５ｍｍのＣｕ製パイプ（Ｃｕ管１８）に外径８６ｍｍのＮｂ１７を挿入後、減面加工を行い対辺間距離４．３ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線１９）を作製した。

次に、外径１００ｍｍ、内径９０ｍｍのＣｕ製パイプ（Ｃｕ管２０）に上記単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線１９）を３６１本挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．０ｍｍの六角形状に加工し、多芯のＮｂ多芯線１１９を作製した。

次に、外径２４ｍｍ、内径２１ｍｍのＣｕ製パイプ（Ｃｕ管１５）に外径２０．６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料１４（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．０ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線（Ｓｎ単芯線１６）を作製した。

内面にバリア層１０３として厚さ０．２ｍｍのＮｂシートを３周巻いて挿入して設けた外形４５ｍｍ、内径３８ｍｍのＣｕパイプ（Ｃｕ管１０２）に、前記Ｓｎ単芯線（１６）８５本および前記Ｎｂ多芯線（１１９）１６８本（合計２５３本）を、Ｓｎ単芯線の周りにＮｂ多芯線を配置しＳｎ単芯線同士が隣接しないように分散配置してサブエレメントのビレット（多芯ビレット１０４）を作製した。これを減面加工して対辺間距離３．５ｍｍの六角形状に加工してサブエレメント線１０５を作製した。

作製したサブエレメント線１０５を３７本束ねて、外径３２ｍｍ、内径２５ｍｍのＣｕパイプ（Ｃｕ管１０６）に挿入して前駆体１０１とし、これを減面加工して線径１．０ｍｍの多芯線材を作製した。

この結果、サブエレメント線の中にＳｎの拡散パス（Ｃｕ部）が形成された。

（比較例）
次に、図１を参照しながら比較例について説明する。外径１００ｍｍ、内径８６．５ｍｍのＣｕ製パイプ（Ｃｕ管１８）に外径８６ｍｍのＮｂ１７を挿入後、減面加工を行い対辺間距離２．０ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＮｂ素線（Ｎｂ単芯線１９）を作製した。

ついで、外径２４ｍｍ、内径２１ｍｍのＣｕ製パイプ（Ｃｕ管１５）に外径２０．６ｍｍの２質量％のＴｉを含むＳｎ合金材料１４（Ｓｎ−２ｍａｓｓ％Ｔｉ）を挿入し、これを減面加工して対辺間距離２．０ｍｍの六角形状に加工し、単芯のＳｎ素線（Ｓｎ単芯線１６）を作製した。

内面にバリア層９３として厚さ０．２ｍｍのＮｂシートを３周巻いて挿入して設けた外形４５ｍｍ、内径３８ｍｍのＣｕパイプ（Ｃｕ管９２）に、Ｓｎ単芯線（１６）８５本およびＮｂ単芯線（１９）１６８本（合計２５３本）を、Ｓｎ単芯線の周りにＮｂ単芯線を配置しＳｎ単芯線同士が隣接しないように分散配置してサブエレメントのビレット（多芯ビレット９４）を作製した。これを減面加工して対辺間距離３．５ｍｍの六角形状に加工してサブエレメント線９５を作製した。

作製したサブエレメント線９５を３７本束ねて、外径３２ｍｍ、内径２５ｍｍのＣｕパイプ（Ｃｕ管９６）に挿入して前駆体９１とし、これを減面加工して線径１．０ｍｍの多芯線材を作製した。

サブエレメント線９５の中はＮｂしかなく、ＳｎはＮｂ内を拡散するのみであった。

１４ Ｓｎ合金
１５ Ｃｕ
１６ Ｓｎ単芯線
１７ ＮｂまたはＮｂ合金
１８ Ｃｕ
１９ Ｎｂ単芯線
２０ Ｃｕ
９１，１０１ 前駆体
９２，１０２ Ｃｕ管
９３，１０３ バリア層
９４，１０４ 多芯ビレット
９５，１０５ サブエレメント線
９６，１０６ Ｃｕ管
１１９ Ｎｂ多芯線

Claims (2)

1. 分散スズ法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体であって、
   ＮｂもしくはＮｂ合金棒をＣｕで被覆してなるＮｂ単芯線を、複数本束ねてさらにＣｕで被覆したＮｂ多芯線と、
   ＳｎもしくはＳｎ合金棒からなる、または、ＳｎもしくはＳｎ合金棒をＣｕで被覆してなるＳｎ単芯線と、
   Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ及びＴａ合金から選択される少なくとも１つからなるバリア層が内面に形成されたバリア層付きＣｕ管と、
   からなるサブエレメント線をＣｕ管内に複数本束ねて備えており、
   前記サブエレメント線において、前記Ｓｎ単芯線と前記Ｎｂ多芯線とが、前記Ｓｎ単芯線同士が隣接しないように前記バリア層付きＣｕ管内に配置されていることを特徴とする、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の前駆体。
2. 請求項１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を、熱処理することによって生成されるＮｂ_３Ｓｎ超電導相を有することを特徴とする、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材。