【原】开发可流过千安培级交流电流的高温超导集合导体SCSC电缆 ~期待通过降低交流损失应用于碳中和和核聚变~

Wsz6868 2023-09-18

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2023 年９月 15 日

开发可流过千安培级交流电流的高温超导集合导体SCSC电缆 ~期待通过降低交流损失应用于碳中和和核聚变~

概要

京都大学研究生院工学研究科电气工学专业的雨宫尚之教授等人，与古河电气工业株式会社(以下称为古河电工)、古河电工集团的SuperPower Inc .共同，开发了流过交流的大电流，内部产生的类似摩擦发热的损失(交流损失注1 )也小的SCSC电缆( ascsc cable cable )注2 )命名为高温超导集合导体注3 )，成功通电1千安培的交流电流，与以往相比减少了十分之一的交流损失。传统的带状薄膜高温超导导线注3 )存在交流损耗大、不能流过实用所需的千安培级电流、虽然容易向带面方向弯曲，但难以向宽度方向弯曲、无法卷绕成各种形状的线圈等缺点，成为应用的障碍。雨宫教授的研究小组(以下称为京都大学的研究小组)一直在研究通过将内部的超导薄膜细分后的薄膜高温超导导线在芯(芯材)周围螺旋状缠绕来减少交流损失的技术。此次，开发出了通过重叠多个螺旋而能流通较大电流的名为SCSC电缆的集合导体，成功地在直径4毫米的SCSC电缆中流通了1千安培大小的交流电流。与一般的电线铜线相比，电流的密度是普通电线的几十倍，有助于产生强磁性。另外，向SCSC电缆施加交流磁场，确认了与以往的带状薄膜高温超导导线相比，交流损失为十分之一。 SCSC电缆可以向任意方向弯曲，因此也可以缠绕在各种形状的线圈上。通过应用于飞机的电推进用超导电机、在大量引进可再生能源时也能稳定供给电力的超导磁能储存装置注4 )等，SCSC电缆有望有助于碳中和。另外，也可以应用于产生随时间变化的大磁场的核聚变炉的线圈。本研究成果将于2023年9月14日(中欧夏令时)在第28届磁石技术国际会议(在法国宇宙开发公司召开)上发表。

SCSC电缆概念图(双层)

京都大学研究小组制作的5米长的SCSC电缆( 3卷电缆的放大图)

1 .研究的背景和经过

高温超导导线的电阻为零，电流密度非常高，因此有助于电机等电气设备的节能、小型、轻量化。但是，在交流中使用时产生的交流损失，给高温超导导线应用于电气设备带来了障碍。此外，无法流通实用所需的千安培级电流，由于呈胶带形状，虽然容易向胶带的面方向弯曲，但在宽度方向难以弯曲，无法卷绕成各种形状的线圈也是应用上的障碍。如果将薄膜高温超导导线内部的超导薄膜分割得很细，原理上可以减小交流损失。这种薄膜高温超导导线叫做多丝薄膜高温超导导线，细分后的超导薄膜叫做丝。但是，如果分割成灯丝，使灯丝之间完全电绝缘，万一某个灯丝有非超导的部分(不良部)时，电流无法迂回，该灯丝完全不能流过电流。因此，可以考虑将超导薄膜分割为细丝后，在超导薄膜整体上镀铜，使细丝彼此电连接的对策。这里，我们将这种超导导线称为“镀铜复丝薄膜高温超导导线”。但是，也有人知道，如果直接使用这条线，会损害以上说明的减小交流损失的效果。因此，雨宫教授通过镀铜将灯丝彼此电连接，即使有非超导的部分也能够绕过电流，并且通过将镀铜复丝薄膜高温超导导线螺旋状地卷绕在圆的芯(芯材)周围，也能够维持交流损失降低效果。

2 .研究内容

此次，京都大学的研究小组开发出了将镀铜复丝薄膜高温超导导线精密且多层螺旋状地卷绕在金属芯周围，制作交流损失小、可以流过大交流电流的高温超导集合导体的技术。我们把这个高温超导集合导体命名为SCSC电缆。古河电工和古河电工集团的SuperPower Inc .开发出了稳定制造镀铜复丝薄膜高温超导导线(宽2毫米，厚0.05毫米，10根灯丝) (图1 )的技术，向京都大学的研究小组提供了1.6公里以上的该超导导线。京都大学的研究小组使用电缆制作机(图2 )，试制了在直径3毫米的金属芯周围每层缠绕3根、跨越4层共计12根镀铜复丝薄膜高温超导导线的长5米的SCSC电缆，制成了长样品为5米，如果继续运转电缆制作机，也有可能制作出数十米的电缆。另外，在直径3毫米的金属芯的周围制作了每层3根、跨越6层共卷绕了18根镀铜复丝薄膜高温超导导线的SCSC电缆，将其用液氮(摄氏零下196度)冷却，成功传导了1千安培大小的交流电流(图3 )。实验中使用的SCSC电缆的直径为4毫米，电流的密度为每平方毫米80安培以上。这相当于流过普通电线铜线的电流密度的几十倍。如果用液态氢(摄氏零下253度)冷却SCSC电缆，预计会流过更大、几千安培大小、每平方毫米100到200安培的高密度电流。如果能够以高密度流通电流，就有可能产生强磁性。此外，将另外制作的4层结构的SCSC电缆用液氮冷却，施加100毫特斯拉大小交流磁场测量的交流损耗，确认为以往标准带状薄膜高温超导导线在相同条件下的交流损耗的十分之一。详细地说，将由12根宽2毫米的多丝薄膜高温超导导线构成的SCSC电缆的交流损耗与6根宽4毫米的标准薄膜高温超导导线的交流损耗之和进行了比较。为了在使超导状态下流动的电流即临界电流一致的基础上进行比较，选择了这样的比较对象。

三.今后的开展

今后，本共同研究小组除了提高SCSC电缆性能的研究外，还将推进使用SCSC电缆缠绕各种形状线圈的技术的研究开发。如果能制造交流损耗小、能流通大电流的各种形状和大小的线圈，就有了开发嵌入该线圈的超导磁能储能装置、超导电机、超导发电机等的道路。超导磁能储能装置帮助大量引进太阳能发电和风力发电等可再生能源，通过用小型轻量的超导电机置换飞机的喷气发动机，可以减少航空运输中的二氧化碳排放量。通过发电机等其他电气设备的超导化进行节能也有助于减少二氧化碳排放量。像这样，SCSC电缆有望成为支撑碳中和社会的技术。他还认为，SCSC电缆可以利用交流损耗小、可以流过大电流的优点，应用于产生随时间变化的大磁场的核聚变炉线圈。

4 .关于研究项目

本成果是在科学技术振兴机构( JST )的支持下进行的。未来社会创造事业探索加速型研究领域:实现全球课题低碳社会 (运营总结:鱼崎浩平北海道大学名誉教授/物质材料研究机构名誉教授/JST研究开发战略中心高级教授) 重点公开征集主题:“游戏变现技术”实现低碳社会研发课题名称:低交流损耗与高鲁棒性并重的高温超导技术研发代表人:雨宫尚之京都大学教授研究开发期间:平成31年11月~令和6年3月 JST是这个重点公开招募主题，旨在通过创造游戏转换技术并与社会安装相联系，为实现低碳社会做出贡献。在上述研究课题中，我们的目标是确立能够减少交流损失，使电机等电气设备小型轻量化、节能化的高温超导体技术和线圈技术。

<术语解释>

注1 )交流损耗:类似于磁通成为细线(磁通量子线)侵入超导体中移动时产生的摩擦发热。在克服钉扎力(相当于摩擦力)的同时，磁通量子线因洛伦兹力(弗莱明左手定律的力)而移动时发生。交流损耗大时，超导除了线路温度上升，有可能无法保持超导状态之外，除热所需的电力也会降低电气设备的效率。注2 ) SCSC电缆( SCSC电缆) :本联合研究小组(京都大学，古河电工，SuperPower Inc.)正在进行研究开发，交流损耗小，可以流过大的交流电流，可以向任意方向弯曲的高温超导集合导体( SuperPower Inc.) 在金属芯(芯材)的周围，呈螺旋状，多层缠绕镀铜复丝薄膜高温超导导线。英语spiral copper-plated stri ated coated-conductor cable (螺旋—镀铜—带条痕 ——以薄膜超导导线——电缆)单词的开头字母命名。注3 )超导、高温超导体、高温超导导线、薄膜高温超导导线、高温超导集合导体:低温下电阻为零的现象为超导。也有写成超“电”导的情况。成为超导的温度在摄氏零下248度以上的物质叫做高温超导体，低于摄氏零下248度的叫做低温超导体。使用高温超导体的电线是高温超导导线，将高温超导体的薄膜重叠在金属带上而成的结构的高温超导导线称为薄膜高温超导导线。宽4毫米的薄膜高温超导导线，现在已经成为标准的高温超导导线。为了流通大电流而将高温超导导线集合化(捆扎)后的导体称为高温超导集合导体。注4 )超导磁能储能装置:是用超导集合导体缠绕线圈传导电流，以磁性形式储能的装置。可以高速出入能源，通过提供瞬间的电力防止大停电，即使大量导入可再生能源，也可以稳定地供给电力。即使反复输入输出能源，也几乎不会劣化，能够长期使用数十年，这与蓄电池等相比是一个优点。

<研究者评论>

虽然长年从事高温超导应用的研究，但我强烈认为SCSC电缆是有助于高温超导应用取得突破的技术。希望SCSC电缆的实用化能一下子扩大高温超导的应用。

<发表标题、作者、发表会议>

<研究者评论> 虽然长年从事高温超导应用的研究，但我强烈认为SCSC电缆是有助于高温超导应用取得突破的技术。希望SCSC电缆的实用化能一下子扩大高温超导的应用。 <发表标题、作者、发表会议> 标题:“结构，角色化和概念设计”( SCSC cables ) 作者: Naoyuki Amemiya1、Yusuke Sogabe1、Ryusuke Nakasaki2、Hisaki Sakamoto3、Satoshi Yamano2 1Kyoto University，2Furukawa Electric Co .，Ltd .，3SuperPower Inc.(雨宫尚之1，曾我部友辅1，中崎龙介2、坂本久树3、山野聪士2(1京都大学、2古河电气工业株式会社、3SuperPower Inc.)发表会议: 4OrA3-6、the 28th international conference on magnet technolor France，presented on September 14，2023 ) (第28届磁石技术国际会议(法国广场)由浮萍举办)、4OrA3-6、2023年9月14日发表)