JPH0419919A - 超電導発電機用Ｎｂ↓３Ｓｎ超電導線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、核融合炉用トロイダルマグネット、粒子加速
機用マグネット、超電導発電機用マグネット等に利用さ
れるＮｂｚＳｎ超電導線の製造方法に関する。

「従来の技術」 超電導線においては量子磁束線の運動などに起因して発
熱を生じる場合があり、このような場合に超電導線に部
分的に常電導の芽が発生し、超電導線の全体が常電導状
態に転位するおそれがある。

そこで従来、このような磁気的不安定性および常電導転
位などを防止して超電導線を安定化する１こめに、以下
に記載する技術が採用されている。

■超電導体をＣｕなどの良導電性の安定化母材の内部に
埋設する。特に、安定化母材を高純度のＣｕから形成す
る。

■超電導体を数μｍ〜数十μｍの径のフィラメント状に
極細化する。

■多心線をツイスト加工する。

■編組や成形撚線の構造を採用する。

■金属間化合物系の超電導体は極めて硬く、脆いので、
機械歪が加わると超電導特性が劣化する傾向があり、こ
のため超電導線に補強材を添設して機械歪が加わること
を阻止する。

以上のような背景のもとに、研究開発が進められている
が、従来、金属基地の内部に無数の極細の超電導繊維を
配列した構造の超電導線を製造する方法としてインサイ
チ二法が知られている。

このインサイチュ法によりＮｔ＋ｓＳｎ系の超電導線を
製造するには、所定成分のＣｕ−Ｎ　ｂ−Ｓ　ｎ合金あ
るいはＣｕ−Ｎ　ｂ合金を溶製し、ＣｕあるいはＣｕ−
Ｓｎ合金基地の内部にＮｂの樹枝状晶が分散した組織を
有し、しかも加工性が高い第１１図に示すインサイチュ
インゴットｌを作成する。

次にこのインサイチュインゴット１に線引加工を施し、
第１２図に示すようにＮｂの繊維が多数密接して金属基
地内に分散配列されたインサイチュロッド２を作成する
。続いて前記インサイチュロッド２の外周面にＳｎのメ
ツキ層２ａを形成して第１３図に示す素線３を作成し、
次にこの素線３に拡散熱処理を施してメツキ層２ａのＳ
ｎを素線３の内部側に拡散させてＮｂの繊維と反応させ
ることにより、第１４図に示す構造のＮｂ３Ｓｎ超電導
線５を製造することができる。

「発明が解決しようとする課題」 前記超電導線５の製造方法にあっては、メツキ層２ａ（
’）Ｓｎを素線３の外周部側から内部側に拡散させるの
で、拡散熱処理を長時間にわたり十分に施した場合であ
ってもＳｎが素線３の中心部側まで十分に拡散されない
問題があった。この結果、超電導線５の中心部側にＮｂ
３Ｓｎの生成していない未反応領域が生じるために、臨
界電流密度の低下が生じる問題があった。また、前記の
方法で製造された超電導線５は、超電導発電機などの交
流用として用いた場合、電磁気的に不安定な問題があっ
た。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、十
分な量のＮ　ｂｙ　Ｓ　ｎ超電導繊維を生成させること
かでき、しかもその超電導繊維の径が小さく電磁気的に
安定性か高いとともに、安定化素材を備えているので万
が＝常電導転移した場合にも焼損のおそれがないＮｂｚ
Ｓｎ超電導線を提供することを目的とする。

「課題を解決するための手段」 本発明は前記課題を解決するために、Ｎｂの樹枝状晶を
ＣｕあるはＣｕ合金からなる基地の内部に分散してなる
インサイチュロッドを形成し、このインサイチュロッド
にＣｕあるいはＣｕ合金からなる管体を被せた後に縮径
加工を施して１次複合線を形成し、更にこの！次複合線
を複数本集合してＣｕあるいはＣｕ合金からなる管体に
挿入して縮径加工する処理を１回以上行って２次複合線
を得るとともに、Ｃｕからなる安定化材の外周に拡散防
止層を形成して安定化素材を作成し、この安定化素材の
外方に、安定化素材の周囲を囲ませた状態で前記２次複
合線を複数配置し、更にその外方にＣｕあるいはＣｕ合
金からなる管体を被せ、この後に縮径加工を施して素線
を作成し、次いでこの素線にＳｎの被覆層を形成して被
覆素線を作成し、続いてこの被覆素線に拡散熱処理を施
し、被覆層のＳｎを素線の内部側に拡散させてＮｂ３Ｓ
ｎの超電導繊維を生成させるものである。

「作用」 中央部に設けた安定化材の外方にｉｂの繊維を有する２
次素線を複合し、それらの外方に形成した被覆層からＳ
ｎ８拡散させるので、Ｎｂの繊維まで拡散する際のＳｎ
の拡散距離が短くなり、Ｎｂ３Ｓｎの生成効率が向上す
る。また、Ｎｂの繊維を有するインサイチュロッドを更
に複数本集合して縮径した後に加工するので、Ｎｂの繊
維を十分に小さな径まで加工することができ、十分に小
さな径の超電導繊維が得られる。更に、超電導線の内部
に安定化材が複合されるので、この安定化材が超電導特
性を安定化するとともに、機械強度を高める。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

第１図ないし第１Ｏ図は、本発明方法の一実施例を示す
もので、本発明方法を実施して超電導線を製造するには
、まず、従来方法にも用いられている第１１図に示すイ
ンサイチ二インゴットｌを作成し、これを鍛造加工、圧
延加工あるいは練り加工などにより縮径加工して第１図
に示すインサイチュロッドｌＯを作成する。このインサ
イチュロッドｌＯは、ＣｕあるいはＣｕ合金からなる基
地の内部にＮｂの繊維を分散させた構造のものであり、
この状態でＮｂの繊維は直径数μ加〜数十μｍ程度の大
きさになっている。なお、前記Ｃｕ合金に添加する合金
元素としては、Ｓ　ｎ、Ｔ　ｉ、Ａ　１．Ｍｎ。

Ａｇ、ＢｅあるいはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどといった磁性
元素などを例示することかできる。

次に前記インサイチュロッド１０に第２図に示すように
ＣｕあるいはＣｕ合金からなる管体１１を被せ、次いで
鍛造加工などの塑性加工を施し、縮径して第３図に示す
１次複合線１２を得る。

１次複合線１２を得たならば、１次複合線１２を第４図
に示すように複数本集合してＣｕあるいはＣｕ合金から
なる管体１３に挿入し、さらに縮径加工を施して第５図
に示す２次複合線１４を得る。なお、前記管体１３を構
成する金属材料は先に用いた管体１１の構成材料と同等
のものを用いることが好ましい。また、前記２次複合線
！４においては、前記１次複合線１２の内部に分散され
ているＮｂの繊維よりも更に微細な径の繊維が金属基地
の内部に分散された構造となっている。

一方、無酸素銅などの純銅からなる第６図に示す安定化
材１５を用意し、この安定化材１５の外周に、Ｔａ、Ｎ
ｂなどの金属材料からなる拡散防止層１６を形成して安
定化素材１７を作成する。前記拡散防止層１６は、後工
程で行う拡散熱処理時に、安定化材１５の内部側に不要
な元素が拡散することを防止して安定化材１５の汚染を
防止するために設けるものであり、その構成材料として
は融点が８００℃以上の金属材料であって、Ｃｕに対す
る反応性の低いＴａやＮｂなどが好適に用いられる。ま
た、前記拡散防止層１６を形成する手段は、安定化材１
５の外周に金属管を被せるか、金属テープの巻き付けを
行うか、メツキを施すなどの手段を適宜選択して用いる
ことができる。

拡散防止層１６を形成したならば、安定化素材１７の全
周にわたり、第７図に示すように２次複合線１４を配列
して添設する。

２次複合線１４・・・を添設したならば、その外方にＣ
ｕあるいはＣｕ−Ｓｎ合金などからなる管体１４を第７
図に示すように被せ、この後に縮径加工を施して得るべ
き超電導線と同等の線径まで縮径して第８図に示す素線
２０を作成する。

次にこの素線２０の外周にＳｎメツキ層などの被覆層２
１を形成して第９図に示す被覆素線２２を作成する。な
お、前記被覆層２１はＳｎテープの巻き付けやＳｎ箔の
巻き付けにより形成しても良い。

続いて前述の被覆素線２２を１００℃以上の温度でＳｎ
の融点よりも低い温度、より好ましくは１８０°Ｃ〜２
２０℃で数十時間〜数百時間加熱する第１熱処理を行う
とともに、Ｓｎの融点よりも高い温度で２５０℃程度の
温度で数十時間程度加熱する第２熱処理を施し、次いで
３００〜４５０℃で数十時間程度加熱する第３熱処理を
行い、その後に５００〜６５０°Ｃで数十時間〜数百時
間加熱する最終拡散熱処理を行う。

以上の各段階の熱処理の場合、第１熱処理においてＳｎ
の融点より低い温度で加熱することにより、被覆層２１
の溶は落ちを防止しながら被覆層２１のＳｎを素線２０
の内部側に拡散させて被覆層２１を消失させることがで
きる。また、第２熱処理と第３熱処理において引き続き
加熱することによりＣｕ−Ｓｎ化合物などの生成を阻止
しながらＳｎを素線２０の内部側に十分に拡散させるこ
とができる。そして最終拡散熱処理を行うことにより素
線２０の内部のＮｂの極細繊維とＳｎを反応させてＮｂ
＊Ｓｎ超電導繊維を生成させ、第１Ｏ図に示す構造の超
電導線２３を得ることができる。

前記のようにＳｎが拡散する場合、素線２０においては
、その外周部側にＮｂの極細繊維が分散されているので
、Ｓｎの拡散距離を従来よりも小さくすることができる
。従ってＮｂの極細繊維とＳｎが十分に反応する結果、
Ｎｂ５ｓｎ超電導繊維の生成率を十分に高めることがで
きる。

なお、前記熱処理時に素線２０の内部側にＳｎが拡散さ
れた場合、安定化材１５の外周に設けた拡散防止層１６
が安定化材１５側へのＳｎの拡散を防止するので安定化
材１５のＳｎによる汚染が防止される。なお、純Ｃｕ製
の安定化材１５にＳｎが拡散するようでは、極低温に冷
却した場合に安定化材１５の電気抵抗が上昇するので好
ましくない。

以上のように製造された超電導線２３においては、中心
部に純Ｃｕ製の安定化材２４が設けられ、その周面に拡
散防止層２５が形成され、拡散防止層２５の外周にイン
サイチュ超電導部２６が形成された構造となっている。

この超電導線２３は液体ヘリウムなどの冷媒によって極
低温に冷却して使用する。超電導線２３においては中心
部に設けた安定化材２４に対するＳｎの汚染が防止され
ているので、安定化材２４の極低温における電気抵抗は
十分に低い値になり、超電導線２３の安定性は十分に高
いものとなる。

また、万が一超電導線２３が常電導転移した場合でも、
安定化材２４を備えているので、安定化材２４を電流路
として使用することができ、超電導線２３の焼損を防止
できる。

更に、超電導線２３の中心部に安定化材２４を複合した
構造になっているので、外方に新たに安定化材を添設す
る必要があった従来の超電導線に比較してよりコンパク
トな構造にすることができる。そして、超電導線２３は
その内部に安定化材２４と拡散防止層２５を備えている
ので、これらが補強材的な役割を発揮し、従来の超電導
線よりも機械強度が高くなっている。

また、直径数μｍ〜数十μｍのＮｂの繊維を有する第１
図に示すインサイチュロッド１０を縮径加工した後に、
更に複数本集合し、更に縮径加工して素線２０とし、こ
の素線２０を基にＮｂ３Ｓｎの超電導繊維を生成させて
いるので、超電導繊維を従来よりも更に極細径にするこ
とができる。従って得られた超電導線２３は、基地の内
部に従来よりも極細の超電導繊維を有するので超電導特
性に優れるとともに、電磁気的安定性にも優れる。

「実施例」 Ｃｕ−４０ｗｔ％Ｎｂ合金（直径５０ｍｍのインゴット
）を誘導加熱溶解法によって作成し、この合金を鍛造加
工して直径１６１のインサイチュロッドを得た。次にこ
のインサイチュロッドに外径１７）、内径１６．５ａ＋
ｍの純Ｃｕの管体を被せ、線引加工して直径１．Ｏｍｍ
の１次複合線を得た。

次にこの複合線を９１本束ねて外径１３．５ｍｍ。

内径１１．５ｍｍの純Ｃｕ製の管体に挿入し、縮径加工
して直径１．０ｎｍの２次複合線を得た。

また、外径１７＋ａｍ、内径１６．５ｍｍの純Ｃｕ製の
管体に、外径１６ｍｍ、内径１４．５ｍｍのＴａからな
る管体を挿入し、更に直径１４）の純Ｃｕ製の口・ソド
を挿入した後に全体を直径１４ｎｕｎまて縮径して安定
化素材を得た。

次に前記安定化素材の外周に前記２次複合線を４７本配
列して添設し、更にそれらの外側に外径１７ｍｍ、内径
１６．５ｍｍの純Ｃｕ製の管体を被せ、縮径加工により
直径０．４ｍｍまで縮径して素線を得た。

次いでこの素線に電気メツキによりＳｎメツキを行い、
Ｓｎメツキの被覆層を形成して被覆素線を得、この被覆
素線を１８．０℃で２５０時間加熱して被覆層を消失さ
せ、更に２５０℃で５０時間、３５０℃で５０時間加熱
して素線内部にＳｎの拡散を進行させ、最後に５５０℃
で３６０時間加熱する拡散熱処理を施して素線内部のＮ
ｂの極細繊維とＳｎを反応させて極細の超電導繊維を生
成させて超電導線を製造した。なお、前記熱処理を行う
雰囲気は、Ａｒガス、Ｎ、ガスなどの不活性ガス不活性
あるいは真空雰囲気とした。

以上説明したように製造されたＮｂ３Ｓｎ超電導線の臨
界電流密度（Ｊｃ）をＩＯＴの磁場中において測定した
ところ、 Ｊｃ−約１２００　Ａ／ｍｍ”の優秀な値を示した。

また、得られた超電導線の組織観察を行っ１こところ、
インサイチュ超電導部のＮｂの極細の繊維は十分に反応
してＮｂ３Ｓｎとなっていることが判明した。

「発明の効果」 以上説明したように本発明によれば、素線の中心側に安
定化材を設け、安定化材の外周にＮｂの極細繊維を有す
る２次複合線を配置し、それらの外周に形成した被覆層
のＳｎを拡散させるので、被覆層のＳｎが２次複合線の
内部側まで拡散する際の距離を短くすることができ、被
覆層のＳｎとＮｂの極細繊維との間の拡散距離を小さく
することかできる。従って拡散熱処理によりＮｂの極細
繊維とＳｎを十分に反応させることができ、十分に高い
生成効率でＮｂ３Ｓｎ超電導繊維を生成させることがで
きる。

更に、直径数μｍ〜数十μｍのＮｂの繊維を有するイン
サイチュロッドを複数本集合し、更に縮径する処理を必
要回数行ってＮｂの極細繊維を有する２次素線を形成し
、この２次素線を集合して縮径し、拡散熱処理すること
で超電導線を製造するので、Ｎｂの極細繊維を十分に小
さな径に加工することができる。従って得られた超電導
線は金属基地内に従来よりも径の小さな極細のＮｂ、Ｓ
ｎ超電導繊維を有するので、電磁気的安定性に優れる特
徴を有する。

また、拡散防止層で被覆した構造の安定化材を超電導線
の中央部に複合するので、拡散熱処理時のＳｎの拡散に
よって安定化材が汚染されることがなく、極低温時の安
定化材の電気抵抗を低く維持することができ、超電導特
性の安定化の面で優れた超電導線を得ることができる。

更にまｆこ、超電導線の内部に安定化材を複合するので
、外部に別途に安定化材を添設する必要があった従来の
超電導線に比較して小型軽量化した超電導線を得ること
ができ、安定化材と拡散防止層が補強材ともなるので、
機械強度の高い超電導線を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１０図は本発明方法の一例を説明するた
めのもので、第１図はインサイチュロッドの断面図、第
２図はインサイチュロッドと管体の複合状態を示す断面
図、第３図は１次複合線を示□す断面図、第４図は１次
複合線の集合状態を示す断面図、第５図は２次複合線の
断面図、第６図は安定化素材の断面図、第７図は複合状
態の断面図、第８図は素線の断面図、第９図は被覆素線
の断面図、第１０図は超電導線の断面図、第１１図ない
し第１４図は従来の超電導線の製造方法の一例を示すも
ので、第１１図はインサイチュロッドっトの断面図、第
１２図はインサイチュロッドの断面図、第１３図は被覆
素線の断面図、第１４図は超電導線の断面図である。 １Ｏ・・・インサイチュロッド、１１・・・管体、１２
１次複合線、１３・管体、１４・・・２次複合線、５・
・・安定化材、１６・・・被覆層、２０・・・素線、■
・・・被覆層、２３・・・超電導線、２４・・・安定化
材、５　・拡散防止層、２６・・インサイチュ超電導部
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｎｂの樹枝状晶をＣｕあるはＣｕ合金からなる基地の内
   部に分散してなるインサイチュロッドを形成し、このイ
   ンサイチュロッドにＣｕあるいはＣｕ合金からなる管体
   を被せた後に縮径加工を施して１次複合線を形成し、次
   にこの１次複合線を複数本集合してＣｕあるいはＣｕ合
   金からなる管体に挿入して縮径加工する処理を１回以上
   行って２次複合線を得るとともに、Ｃｕからなる安定化
   材の外周に拡散防止層を形成して安定化素材を作成し、
   この安定化素材の外方に、安定化素材の周囲を囲ませた
   状態で前記２次複合線を複数本配置するとともに、更に
   その外方に、ＣｕあるいはＣｕ合金からなる管体を被せ
   、この後に縮径加工を施して素線を作成し、次いでこの
   素線にＳｎの被覆層を形成して被覆素線を作成し、続い
   てこの被覆素線に拡散熱処理を施して被覆層のＳｎを素
   線の内部側に拡散させ、Ｎｂ＿３Ｓｎの超電導繊維を生
   成させることを特徴とするＮｂ＿３Ｓｎ超電導線の製造
   方法。