JPH0419920A - 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Ｎ　ｂ３Ｓ　ｎ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連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ために、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
チュ法が知られている。

このインサイチュ法によりＮｂ３Ｓｎ系の超電導線を製
造するには、所定成分のＣｕ−Ｎ　ｂ−３ｎ合金あるい
はＣｕ−Ｎ　ｂ合金を溶製し、ＣｕあるいはＣｕ５ｎ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１Ｏ図に示すインサイチュ合金ｌ
を作成する。

次にこのインサイチュ合金１に線引加工を施し、第１１
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
て前記インサイチユロ、ト２の外周面にＳｎのメツキ、
ｌ！ｉ　２　ｇを形成して第１２図に示す素線３を作成
する。

次に素線３をＳｎの溶融温度より若干低い温度で長時間
熱処理する。この熱処理によってメツキ層２ａをインサ
イチュロッド２の内部側に拡散させて消失させる。そし
て更に、５００℃以上に加熱する拡散熱処理を施してＳ
ｎを索線３の内部のＮｂの繊維と反応させることにより
、Ｎｂ３Ｓｎ超電導繊維を生成させることができ、これ
によって第１３図に示す構造のＮｂ３Ｓｎ超電導線５を
得ることができる。

「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の
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！’ｉ　
ｂ３Ｓ　ｎの生成していない未反応領域が生しるために
、臨界電流密度の低下が生じる問題があった。

また、メツキ層２ａをインサイチュロッド２の外周面に
形成しているので、メツキｍ　２　ａが溶は落ちないよ
うにＳｎの融点より若干低い温度に長時間加熱する熱処
理を施す必要があって、熱処理時間が長くなる問題があ
った。

また、前記の方法で製造された超電導線５は超電揮発＊
ｍｉ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、従
来より短い熱処理時間でもって十分な量のＮｂ３Ｓｎ超
電導繊維を生成させることができるとともにその超電導
繊維の径が小さく電磁気的に安定性が高く、臨界電流密
度の高いＮｂ、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
インサイチュ合金を用い、このインサイチュ合金を線引
加工してＣｕあるいはＣｕ合金払二ｆ、−Ｘ纂抽小力館
ビＮｈめ厳錐本公計六什六−／ンサイチュロツドを形成
し、このインサイチュロッドを１本以上ＣｕあるいはＣ
ｕ合金からなる管体に挿入し更に縮径加工を施して１次
複合線を形成するとともに、この１次複合線にＳｎの被
覆層を形成して被覆複合線を形成し、次いでこの被覆複
合線を複数本集合してＴａあるい（よＮｂの管体に挿入
し、更に、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、この２次複合線に拡散熱処理を施して被覆層
のＳｎを基地の内部側に拡散させ、Ｎｂ＋Ｓｎ超電導繊
維を生成させるものである。

「作用　」 Ｓｎの被覆層をインサイチュロッドの外面に形成した被
覆複合線を複数本集合して縮径した後に拡散熱処理を施
すので、被覆層のＳｎとＮｂの繊維との距離が近くなり
、Ｓｎの拡散距離が短くなる。

従ってＳｎとＮｂの反応効率が向上してＮｔｇＳｎ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ｒ−湯にｆＴＩ
″ｌＴｔ乙ので−Ｎｈの傷誰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
、磁気的安定性が向上する。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

第１図ないし第９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１Ｏ図に示すイン
サイチュ合金ｌと同等の第１図に示すインサイチュ合金
９を作成し、これを鍛造、圧延あるいは引抜などにより
線引加工して第２図に示すインサイチュロッド１０を作
成する。

このインサイチュロッド１０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Ｎｂｃ′）、繊維は直径数μｍ〜
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、Ｓｎ　Ｔｉ、Ａ１．Ｍ
ｎ、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ができる。

次に前記インサイチュロッドｌＯに、第３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４図に示
す１次複合線１２を得る。

続いてこの１次複合線１２の外周にＳｎメツキ層などの
被覆層１３を形成して第５図に示す被覆複合線１４を作
成する。なお、前記被覆層１３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。

被覆複合線１４を得たならば、これを第６図に示すよう
に複数本集合し、ＴａあるいはＮｂからなる管体１５に
挿入するとともに、更に管体１５を無酸素銅などの純銅
からなる管体１６に挿入し、次いで縮径加工を施して第
７図に示す２次複合線１７を得る。

この２次複合線１７は、被覆複合線１４を圧密して得ら
れた中心部の圧密部１８と、この圧密部１８の外方に設
けられた拡散防止層１９と、拡散防止ｆｉ１９の外方に
設けられた安定化層２０とから構成されている。そして
、前記圧密部１８の内部構造は、第８図に示すようにな
っている。即ち、インサイチュロッド１０を圧密して形
成された圧密インサイチュ部２１と、この圧密インサイ
チュ部２１を囲んで設けられた圧密＠　２２と、隣接す
る圧密層２２を仕切る境界層２３とから構成されている
。

前記圧密インサイチュ部２１は、インサイチュロッドｌ
Ｏを圧密して形成されているので、ＣｕあるいはＣｕ合
金からなる基地の内部に極細のＮｂの繊維を分散させて
なる構造になっている。インサイチュ部２１のＮｂの繊
維は、インサイチュロッドｌＯの内部に分散されたＮｂ
の繊維よりも遥かに細径の１μｍ以下のＮｂ繊維が分散
されている。

前記圧密層２２は、管体１１を圧密して形成されている
ので、ＣｕあるいはＣｕ合金から構成されている。また
、境界層２３は、１次複合線１２の周面に形成したＳｎ
の被覆層１３を圧密変形して形成されたものである。

前記管体１５は、後工程で行う拡散熱処理時に、管体１
６側に不要な元素が拡散することを防止して管体１６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°Ｃ以上の金属材料であって、Ｃ
ｕに対する反応性の低いＴａやＮｂが好適に用いられる
。

続いて前述の２次複合線１７を５００〜６５０℃で数十
時間〜数百時間加熱する拡散熱処理を行う。この拡散熱
処理によって境界層２３のＳｎが圧密層２２の内部側に
拡散し始め、Ｓｎが圧密インサイチュＷＩ２１に到達す
るとＮｂの繊維と反応してＮｂ３Ｓｎ超電導繊維が生成
する。

以上のような拡散反応を進行さ什てＮｂｚＳｎ超電導繊
維を生成させることて第９図に示す構造のＮｂ３Ｓｎ超
電導線２５を得ることができる。

この超電導線２５にあっては、Ｎｂ３Ｓｎ超電導繊維を
金属基地内に分散してなる超電導部２６を拡散防止５１
９と安定化ＦＷ２０で覆ってなる構成になっている。

前記のようにＳｎが拡散する場合、２次複合線１７の圧
密インサイチュ部２１においては、第８図に示すように
、Ｎｂの極細繊維の外周側にＳｎの境界層２３が形成さ
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、ＮｂｓＳｎ超電導繊維の生成率を十分に高
めることができる。

なお、Ｓｎが拡散する場合、圧密インサイチュ部２６の
外周に設けた拡散防止層１９か安定化層２０側へのＳｎ
の拡散を防止するので安定化層２０のＳｎによる汚染が
防止される。なお、安定化層２０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層２０の電気抵抗
が上昇するので好ましくない。

この超電導線２５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２５においては外周
部に設けた安定化層２０に対するＳｎの汚染が防止され
ているので、安定化Ｎ２０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２５の安定性は十分に高
いものとなる。

また、万が一超電導線２５が常電導転移した場合でも、
安定化層２０を備えているので、安定化層２０を電流路
として使用することができ、超電導線２５の焼損を防止
できる。

更に、超電導線２５の外周部に安定化層２０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２５は
その内部に安定化層２０と拡散防止層！９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μｍｃ′）Ｎｂの繊維を有する
第２図に示すインサイチュロッド１０を複数本集合し、
縮径加工を施し、更に複数本集合して縮径加工して２次
複合線１７を得、この２次複合線１７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。従って超電導線
２５は、基地の内部に従来よりも極細の超電導繊維を存
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−３０ｖｔ％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１５ｍｍのインサイチュロットを得た。次
にこのインサイチュロッドに外径１７ｍｍ、内径１６ｍ
ｍの純銅の管体を被せ、線引加工して直径ｌ。ＯＬｌｌ
ｍの１次複合線を得た。

次にこの１次複合線に、電気メツキにより厚さ３０μｍ
のＳｎの被覆層を形成し、被覆複合線を得た。

続いて被覆複合線を３７本束ね、外径８．５ｍｍ、内径
７　、５　ｆｆ１ｍのＴａからなる管体に挿入し、更に
全体を外径１５ｍｍ、内径９１の銅の管体に挿入し、縮
径加工を施して直径１．Ｏｎ＋ｍの安定化銅つきの２次
複合線を得た。

次いでこの２次複合線を６００℃で１・０日間加熱し、
Ｎｂの極細繊維とＳｎを反応させて極細の超電導繊維を
生成さけてＮｂｊＳｎ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
性ガス雰囲気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ｍ　Ｍ
　１ｍ　ＩＩＩ−ｍ　７　ｍ　／　Ｔハ九＋　ｎ　１Ｍ
　ｍ　［ｒｈ　＋−、ａ−て測定したところ、線材全体
において、Ｊｃ＝約４５０Ａ／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たところ、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Ｎｂａ　Ｓ　ｎとなっていることが判明した。更に、
得られたＮｂ３Ｓｎ超電導線においては、直径００５μ
ｍ以下で直径０．０１μｍ以上の超電導繊維が主体とな
っていた。

更に比較のために、第１Ｏ図ないし第１３図に示す従来
方法でＮｂ３Ｓｎ超電導線を製造した。

このＮｂ、Ｓｎ超電導線の臨界電流密度をＩＯＴの磁場
中において測定したところ、 Ｊｃ−約２７０Ａ／ｍｍ’であった。

また、このｉ’ｉｔ）＋Ｓｎ超電導線においては、直径
０．５μｍ以下で０．１μｍ以上の超電導繊維が主体と
なっていた。

「発明の効果」 以上説明したように本発明によれば、内部にインサイチ
ュロットを複合し、外周部にＳｎの被覆て２次複合線を
形成してから拡散帖処理を行い、Ｓｎの被覆層とインサ
イチュロッド内のＮｂの繊維とを接近した状態にしてか
らＳｎの拡散を行うので、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ができる。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Ｎｋ１３Ｓｎ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
次素線に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Ｎｂ３Ｓｎ超電導繊維を有する
ので、１ａＷＬ気的安定性に優れる特徴を有する。

また、拡散防止層でＳｎの被覆層から隔離した状態の安
定化層を超電導線の外周部に設けるので、拡散熱処理時
のＳｎの拡散によって安定化層を汚染させてしまうこと
がなく、極低温時の安定化層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
を得ることかできる。

更にまた、超電導線の外周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、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９図は本発明方法の一例を説明するため
のもので、第１図はインサイチュ合金の断面図、第２図
はインサイチュロットの断面図、第３図はインサイチュ
ロッドと管体の複合状聾を示す断面図、第４図は１次複
合線を示す断面図、第５図は被覆複合線の断面図、第６
図は被覆複合線の集合状態を示す断面図、第７図は２次
複合線の断面図、第８図はインサイチュ圧密部を示す断
面図、第９図はＮｂ３Ｓｎ超電導線の断面図、第１０図
ないし第１３図は従来方法を説明するためのもので、第
１Ｏ図はインサイチュ合金の断面図、第１１図はインサ
イチュロッドの断面図、第１２図は被覆複合線の断面図
、第１３図は従来のＮｂ。 Ｓｎ超電導線の断面図である。 １９・・・インサイチュ合金、１０・・インサイチュロ
ット、１１・管体、１２・　１次複合線、１３被覆層、
１４・・・被覆複合線、１５・・・管体、１６管体、１
７２次複合線、１９　拡散防止層、２０・・安定化層、
２１・・・圧密インサイチュ部、２３・境界層、２５　
超電導線、２６・インサイチュ超電導部。 出願人　超電導発電関連機器・材料技術研究組合第１図 Ｆ−１０ 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図

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合金を用い、このインサ
   イチュ合金を線引加工して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インサイチュロ
   ッドを形成し、このインサイチュロッドを１本以上Ｃｕ
   あるいはＣｕ合金からなる管体に挿入し更に縮径加工を
   施して１次複合線を形成するとともに、この１次複合線
   にＳｎの被覆層を形成して被覆複合線を形成し、次いで
   この被覆複合線を複数本集合してＴａあるいはＮｂの管
   体に挿入し、次に、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、この２次複合線に拡散熱処理を施し
   て被覆層のＳｎを基地の内部側に拡散させ、Ｎｂ＿３Ｓ
   ｎ超電導繊維を生成させることを特徴とするＮｂ＿３Ｓ
   ｎ超電導線の製造方法。