Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材
【課題】 高いＪｃ特性を有し、Ｑｈ特性の増大を抑制し得る熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を提供する。
【解決手段】 Ｃｕ基金属マトリックス中にＳｎ基金属コアおよびその周囲にＮｂ基金属フィラメントを同心状に配置したモジュールを複数個備えた構造を有し、上記モジュールが熱処理によりＳｎ基金属コアのＳｎとＣｕ基金属マトリックスとが反応することで生成するε相ブロンズ層の境界をＮｂ基金属フィラメントをすべて含むか、あるいは略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むようにＳｎ基金属コアの量を調整することでＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材とした。
【解決手段】 Ｃｕ基金属マトリックス中にＳｎ基金属コアおよびその周囲にＮｂ基金属フィラメントを同心状に配置したモジュールを複数個備えた構造を有し、上記モジュールが熱処理によりＳｎ基金属コアのＳｎとＣｕ基金属マトリックスとが反応することで生成するε相ブロンズ層の境界をＮｂ基金属フィラメントをすべて含むか、あるいは略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むようにＳｎ基金属コアの量を調整することでＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高い臨界電流密度（Ｊｃ）特性を有しながら、ヒステリシス損失（Ｑｈ）特性の増大を抑制し、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核融合用大型超電導コイルの実現のためには高い臨界電流密度（Ｊｃ）特性と低いヒステリシス損失（Ｑｈ）特性を有する超電導線材の開発が必要不可欠であり、特にトロイダル磁場用コイルにはＮｂ３Ｓｎ系化合物超電導線材が使用される。超電導線材はその安定化のために、Ｃｕ等の抵抗率の小さな金属マトリックス中に数１０μｍ以下の直径の超電導フィラメントが多数埋設された構造が必要で、極細多芯線と呼ばれている。Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材は、Ｃｕ基金属マトリックス中にＳｎ基金属コアとＮｂ基金属フィラメントが多数埋設された構造をしており、伸線加工後、熱処理することによって、線材中のＳｎ基金属コアがＣｕ基金属マトリックス中に拡散し、さらにＮｂ基金属フィラメント中に拡散することで、Ｎｂ基金属フィラメントのまわりあるいは全体にＮｂ３Ｓｎが生成され、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線となる。
【０００３】
従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材では、上記の熱処理工程において、Ｓｎ基金属コアが周囲のＣｕ基金属マトリックス中に拡散することでε相ブロンズ層（Ｃｕ３Ｓｎ）を形成するが、ε相ブロンズ層の境界（外縁）領域においてＮｂ３Ｓｎフィラメントが接触し、Ｑｈが増大するという課題があった。
【０００４】
この改良として、ε相ブロンズ層の境界領域で、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの間隔を他の部分のＮｂ３Ｓｎフィラメントの間隔よりも大となるように前駆線材におけるＮｂ基金属フィラメントを配置することで、Ｑｈの増大を抑制しているものが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１２４３６号公報（第３頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導線材でのＱｈ特性の増大原因は、熱処理によって発生するＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触であり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触は、前駆線材の中央部に配置されるＳｎ基金属コアとＣｕ基金属マトリックスとが熱処理によって合金化し、ε相ブロンズ層を生成する領域の境界近傍で生じることが分かっている。特許文献１に示された従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材では、超電導線材とした時にＱｈ特性の増大原因となる熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触を防ぐため、ε相ブロンズ層を生成する領域の境界近傍のＣｕ基金属マトリックス中に埋設されるＮｂ基金属フィラメントの間隔を広く取らなければならなかった。より具体的には、ε相ブロンズ層の境界は中心から第３層目と第４層目のＮｂ基金属フィラメントの間に形成されるので、第３層〜第５層のＮｂ基金属フィラメントの直径を前記のようにやや細くして伸線加工後のフィラメント間隔をやや広げていた。その結果、Ｃｕ基金属マトリックス中に埋設されるＮｂ基金属フィラメントの量は制限され、前駆線材を熱処理した超電導線材のＪｃは温度４．２Ｋ、磁場１２Ｔで８００Ａ／ｍｍ２程度に留まり、より高いＪｃ特性を有する線材を得ることが不可能であるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、熱処理を施すことにより、高いＪｃ特性を有し、且つ、Ｑｈ特性の増大が抑制されたＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材においては、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、上記モジュールの中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるようにＳｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下であり、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上略０．８以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、この発明の別の前駆線材は、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるようにＳｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、上記モジュールの中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるように上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたので、上記ε相ブロンズ層領域の境界は上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の外側となり、Ｑｈ特性の増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触を防ぐことができ、Ｑｈ特性の増大を抑制したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。また、この発明によれば、同じ理由から、Ｑｈ特性の増大を抑制するために上記Ｎｂ基金属フィラメントの間隔を広く取る必要が無くなること、すなわち、上記Ｎｂ基金属フィラメントの量は制限されることがなくなり、前駆線材を熱処理した超電導線材においてＮｂ３Ｓｎフィラメントの量が確保されることになり、高いＪｃ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１３】
上記の発明においては、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率を略０．２８以上略０．３４以下、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上０．８以下、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下とすることにより、上記ε相ブロンズ層の境界が上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の外側となり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント同士の結合がなく、Ｎｂ３ＳｎフィラメントとなるＮｂの量が高い割合で確保されるため、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１４】
また、この発明の別の発明によれば、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成する上記ε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるように上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたので、前駆線材を熱処理した超電導線材において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触領域を小さく制限することができ、Ｑｈ特性の増大を抑制したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。また同じ理由から、Ｑｈ特性の増大を抑制するために上記Ｎｂ基金属フィラメントの間隔を広く取る必要が無くなること、すなわち、上記Ｎｂ基金属フィラメントの量は制限されることがなくなり、前駆線材を熱処理した超電導線材においてＮｂ３Ｓｎフィラメントの量が確保されることになり、高いＪｃ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１５】
上記の発明においては、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率を略０．２３以上略０．２７以下、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上０．５５以下、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下とすることにより、上記ε相ブロンズ層の境界が上記Ｎｂ基金属フィラメントのうち０．０５から０．３５の割合を含むことになり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント同士の結合が最小限に抑えられ、かつＮｂ３ＳｎフィラメントとなるＮｂの量が高い割合で確保されるため、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材の断面図を示しており、図２は実施の形態１による上記前駆線材のモジュール１を製造するための複合ビレットの断面図を示したものである。
【００１７】
実施の形態１の複合ビレット４の製造においては、まず直径１４０ｍｍの無酸素銅の円柱２に、円柱の中心から半径３５ｍｍから５１ｍｍにかけて、同心円状に３列の孔を合計１０６個穿孔する。穿孔した孔には直径６ｍｍのＮｂ基金属棒３を充填し複合ビレット４とした。上記Ｎｂ基金属棒は最終的に得られるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材においてＮｂ基金属フィラメント６となる。得られた複合ビレット４を５０ｍｍの径に押出し加工し、外周の不要な銅材を切削加工する。さらに中央部の銅の部分に孔を明けて、Ｓｎ基金属コア５となるＳｎ基金属棒を挿入する。
【００１８】
Ｓｎ基金属棒の直径は最終的に得られる前駆線材を熱処理した際に生成されるε相ブロンズ層の境界位置を決めるものであるが、Ｃｕ基金属マトリックス中に生成される上記εブロンズ層領域の体積割合ｘは、下記の（1）式から求められる。
ｘ＝(ε相ブロンズ層領域の体積)÷(Ｃｕ基金属マトリックスの体積)
＝(Ｓｎのモル数)×３÷(Ｃｕのモル数)
＝３×(Ｓｎの密度)×(モジュール中のＳｎ占有体積比率)÷(Ｓｎの原子量)÷
{(Ｃｕの密度)×(モジュール中のＣｕ占有体積比率)÷(Ｃｕの原子量)} （１）
実施の形態１では、Ｓｎ基金属棒の直径をそれぞれ、（ア）１６．９ｍｍ、（イ）１９．１ｍｍ、（ウ）１９．８ｍｍ、（エ）２０．５ｍｍ、（オ）２０．９ｍｍ、（カ）２１．２ｍｍ、（キ）２１．９ｍｍ、（ク）２３．４ｍｍとした。これによりε相ブロンズ層のＣｕ基金属マトリックスに対する割合は、それぞれ（ア）０．３４、（イ）０．４７、（ウ）０．５１、（エ）０．５８、（オ）０．６２、（カ）０．６７、（キ）０．７１、（ク）０．８０となる。
【００１９】
Ｓｎ基金属棒が挿入された押出し加工後の複合ビレット４は、引抜き加工により縮径加工し、さらに対辺４ｍｍの六角棒に加工することで、モジュール用Ｃｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒とした。このＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒を切断して３７本に束ね、束ねた複合棒はＳｎ拡散バリヤ７となるＴａチューブで囲い、上記Ｔａチューブ７の外側を超電導電流の安定化のための安定化銅８となる厚さ７．５ｍｍの無酸素銅チューブで囲う。組み合わされたＴａチューブと無酸素銅チューブおよびＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒は、０．５ｍｍの径まで引抜き加工を行ってＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材９とした。
【００２０】
得られた前駆線材から測定用サンプルを切り出し、不活性ガス雰囲気中、６５０℃で１０日間の熱処理を行うことでＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした。得られた超電導線材の臨界電流密度を液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で、またヒステリシス損失を液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定すると、上記Ｓｎ基金属棒のサイズに依存して、図３に示すような値となった。ここで、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．６以上においては、ε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６の存在する領域よりも外側となる。換言すれば、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が埋設されたモジュール１において、Ｎｂ基金属フィラメント６がε相ブロンズ層領域内のみに存在することとなる。図３から明らかなとおり、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが略０．６以上略０．８以下、好ましくは、略０．６２以上略０．７８以下とすれば、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００２１】
一方、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．６より小さい場合、すなわち、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にＣｕ基金属マトリックス中に生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域内に入ってしまう場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．３程度、すなわち、ε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域より内側になると、Ｑｈ特性は減少してくるが、Ｓｎ基金属コア５の占める体積比率が低くなりすぎて最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減るため高Ｊｃ特性は得られない。逆に、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．８より大きい場合は複合ビレット４におけるＳｎ基金属棒のサイズがＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域に重なるため前駆線材は成り立たない。
【００２２】
実施の形態１における複合ビレット４のＮｂ基金属棒３の直径を６ｍｍ、孔の数を１０６個としたが、最終的な前駆線材でのＮｂ基金属フィラメント６の直径は３μｍ、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔は０．９μｍ、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率は０．３２となる。上記Ｎｂ基金属棒３のサイズや本数については、要求されるＪｃ特性やＱｈ特性によってその設計の範囲内で変更することが可能であるが、本発明における核融合用大型超電導コイルに要求される高Ｊｃ／低Ｑｈ特性の超電導線材では、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下、好ましくは、略０．３０以上略０．３３以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６の直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、好ましくは、略２．０μｍ以上略３．５μｍ以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下、好ましくは、略０．８μｍ以上略１．２μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積率が０．２８より少ない場合は、最終的に熱処理によってＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が反応することで生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性が得られないばかりでなく、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にマトリックスに生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域内に入ってしまい、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積率が０．３４より多い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔を十分確保することができなくなるため、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。
【００２４】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が１μｍより細い場合は、フィラメントの一部に断線を生じる可能性が高くなり、上記実施の形態１のような高Ｊｃ特性は得られない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が５μｍより太い場合は、最終的に熱処理によってフィラメント全体が反応することができず生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、上記実施の形態１のような高Ｊｃ特性は得られない。
【００２５】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔が０．７μｍより狭い場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、Ｑｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が１．５μｍより広い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６の量が減り、最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性は得られない。
【００２６】
実施の形態１では、Ｓｎの拡散バリヤ材としてＴａチューブを用いたが、バリヤ材として例えばＴａ板を管状に加工したものでも実施の形態１と同様の効果を実現することができる。また、Ｓｎの拡散バリヤ材の材質としてＴａを用いたが、Ｎｂ基金属等、Ｓｎの拡散を防ぐ効果のある金属であれば、実施の形態１と同様の効果を実現することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図４は実施の形態２による前駆線材のモジュール１を製造するための複合ビレット４の断面図を示したものである。図４において、図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００２８】
実施の形態２の複合ビレット４の製造においては、まず直径１４０ｍｍの無酸素銅の円柱２に、円柱の中心から半径３７ｍｍから５２ｍｍにかけて、同心円状に４列の孔を合計２２４個穿孔する。穿孔した孔に直径３．７ｍｍのＮｂ基金属棒３を充填し複合ビレット４とした。得られた複合ビレット４を実施の形態１と同様に５０ｍｍの径に押出し加工し、外周の不要な銅材を切削加工する。さらに中央部の銅の部分に、孔を明けて、Ｓｎ基金属コア５となるＳｎ基金属棒を挿入する。
【００２９】
Ｓｎ基金属棒の直径は最終的に得られる前駆線材を熱処理した際に生成されるε相ブロンズ層の境界位置を決めるものであるが、Ｃｕ基金属マトリックス中に生成される上記εブロンズ層領域の体積割合ｘは実施の形態１と同様に決められる。実施の形態２では、Ｓｎ基金属棒の直径をそれぞれ、（ア）１６．４ｍｍ、（イ）１８．４ｍｍ、（ウ）１９．４ｍｍ、（エ）２０．０ｍｍ、（オ）２０．５ｍｍ、（カ）２１．２ｍｍ、（キ）２１．９ｍｍ、（ク）２２．６ｍｍとした。これによりε相ブロンズ層のＣｕ基金属マトリックスに対する割合は、それぞれ（ア）０．２８、（イ）０．３７、（ウ）０．４２、（エ）０．４７、（オ）０．５１、（カ）０．５２、（キ）０．５６、（ク）０．６０となる。
【００３０】
Ｓｎ基金属棒が挿入された押出し加工後の複合ビレット４は、実施の形態１と同様に引抜き加工により縮径加工し、さらに対辺５．４ｍｍの六角棒に加工することで、モジュール用Ｃｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒とした。このＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒を切断して１９本に束ね、束ねた複合棒は実施の形態１と同様にＳｎ拡散バリヤ７となるＴａチューブで囲い、上記Ｔａチューブ７の外側を超電導電流の安定化のための安定化銅８となる厚さ７．５ｍｍの無酸素銅チューブで囲う。組み合わされたＴａチューブと無酸素銅チューブおよびＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒は、０．５ｍｍの径まで引抜き加工を行ってＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材９とした。
【００３１】
得られた前駆線材から測定用サンプルを切り出し、実施の形態１と同様に不活性ガス雰囲気中、６５０℃で１０日間の熱処理を行うことでＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした。得られた超電導線材の臨界電流密度を液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で、またヒステリシス損失を液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定すると、上記Ｓｎ基金属棒のサイズに依存して、図５に示すような値となった。ここで、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．４の場合、ε相ブロンズ層の境界領域にあるＮｂ基金属フィラメント６の割合が０．０８となる。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．５５の場合、ε相ブロンズ層の境界領域内にあるＮｂ基金属フィラメント６の存在割合が０．３２となる。図５から明らかなとおり、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが略０．４以上略０．５５以下、好ましくは、略０．４５以上略０．５２以下とすれば、低いＱｈ特性を有し、かつＪｃの低減が抑えられたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００３２】
一方、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．４より小さい場合、すなわち、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にＣｕ基金属マトリックス中に生成されるε相ブロンズ層の境界領域が、Ｎｂ基金属フィラメント６が存在する領域よりも内側に入ってしまう場合は、Ｑｈ特性は小さくなるが、Ｓｎ基金属コア５の占める体積比率が低くなりすぎてしまい、熱処理によって生成するＮｂ３Ｓｎの量が小さく、高Ｊｃ特性は得られない。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．５５より大きい場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が広範囲に生じ、Ｑｈ特性の増大を防ぐことはできない。
【００３３】
実施の形態２における複合ビレット４のＮｂ基金属棒３の直径を３．７ｍｍ、孔の数を２２４個としたが、最終的な前駆線材でのＮｂ基金属フィラメント６の直径は２．６μｍ、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔は０．９μｍ、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率は０．２５となる。上記Ｎｂ基金属棒３のサイズや本数については、要求されるＪｃ特性やＱｈ特性によってその設計の範囲内で変更することが可能であるが、本発明における核融合用大型超電導コイルに要求される高Ｊｃ／低Ｑｈ特性の超電導線材では、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下、好ましくは、略０．２４以上略０．２６以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６の直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、好ましくは、略２．０μｍ以上略３．５μｍ以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下、好ましくは、略０．８μｍ以上略１．２μｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が０．２３より少ない場合は、最終的に熱処理によってＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が反応することで生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性が得られない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が０．２７より多い場合は、熱処理により生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６の存在領域内に入る割合の増大を抑えられず、またＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔を十分に確保することができなくなるため、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態２のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。
【００３５】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が１μｍより細い場合は、フィラメントの一部に断線を生じる可能性が高くなり、上記実施の形態２のような高Ｊｃ特性は得られない。逆に、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が５μｍより太い場合は、最終的に熱処理によってフィラメント全体が反応することができず生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、上記実施の形態２のような高Ｊｃ特性は得られない。
【００３６】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔が０．７μｍより狭い場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、Ｑｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が１．５μｍより広い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６の量が減り、最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性は得られない。
【００３７】
実施の形態２では、Ｓｎの拡散バリヤ材としてＴａチューブを用いたが、バリヤ材として例えばＴａ板を管状に加工したものでも上記実施の形態２と同様の効果を実現することができる。また、Ｓｎの拡散バリヤ材の材質としてＴａを用いたが、Ｎｂ基金属等、Ｓｎの拡散を防ぐ効果のある金属であれば、実施の形態２と同様の効果を実現することができる。
【００３８】
なお、本発明において、Ｃｕ基金属とは、純Ｃｕ、または約２重量％以下のＳｎを含むＣｕをいう。
【００３９】
また、Ｎｂ基金属とは、純Ｎｂ、または約１０重量％以下のＴａ、約５重量％以下のＴｉのうち少なくとも何れか一種を含むＮｂをいう。
【００４０】
さらにまた、Ｓｎ基金属とは、純Ｓｎ、または約５重量％以下のＴｉ、約２重量％以下のＣｕ、約２重量％以下のＩｎのうち少なくとも何れか一種を含むＳｎをいう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による複合ビレットの断面図を示したものである。
【図３】本発明の実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を熱処理しＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした際のε相ブロンズ層の境界領域の割合に対する液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で測定したＪｃ特性と液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定したＱｈ特性を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２による複合ビレットの断面図を示したものである。
【図５】本発明の実施の形態２によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を熱処理しＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした際のε相ブロンズ層の境界領域の割合に対する液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で測定したＪｃ特性と液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定したＱｈ特性を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ モジュール、２ 無酸素銅の円柱、３ Ｎｂ基金属棒、４ 複合ビレット、５ Ｓｎ基金属コア、６ Ｎｂ基金属フィラメント、７ Ｓｎ拡散バリヤ、８ 安定化銅、９ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高い臨界電流密度（Ｊｃ）特性を有しながら、ヒステリシス損失（Ｑｈ）特性の増大を抑制し、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核融合用大型超電導コイルの実現のためには高い臨界電流密度（Ｊｃ）特性と低いヒステリシス損失（Ｑｈ）特性を有する超電導線材の開発が必要不可欠であり、特にトロイダル磁場用コイルにはＮｂ３Ｓｎ系化合物超電導線材が使用される。超電導線材はその安定化のために、Ｃｕ等の抵抗率の小さな金属マトリックス中に数１０μｍ以下の直径の超電導フィラメントが多数埋設された構造が必要で、極細多芯線と呼ばれている。Ｎｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材は、Ｃｕ基金属マトリックス中にＳｎ基金属コアとＮｂ基金属フィラメントが多数埋設された構造をしており、伸線加工後、熱処理することによって、線材中のＳｎ基金属コアがＣｕ基金属マトリックス中に拡散し、さらにＮｂ基金属フィラメント中に拡散することで、Ｎｂ基金属フィラメントのまわりあるいは全体にＮｂ３Ｓｎが生成され、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線となる。
【０００３】
従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材では、上記の熱処理工程において、Ｓｎ基金属コアが周囲のＣｕ基金属マトリックス中に拡散することでε相ブロンズ層（Ｃｕ３Ｓｎ）を形成するが、ε相ブロンズ層の境界（外縁）領域においてＮｂ３Ｓｎフィラメントが接触し、Ｑｈが増大するという課題があった。
【０００４】
この改良として、ε相ブロンズ層の境界領域で、Ｎｂ３Ｓｎフィラメントの間隔を他の部分のＮｂ３Ｓｎフィラメントの間隔よりも大となるように前駆線材におけるＮｂ基金属フィラメントを配置することで、Ｑｈの増大を抑制しているものが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１２４３６号公報（第３頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超電導線材でのＱｈ特性の増大原因は、熱処理によって発生するＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触であり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触は、前駆線材の中央部に配置されるＳｎ基金属コアとＣｕ基金属マトリックスとが熱処理によって合金化し、ε相ブロンズ層を生成する領域の境界近傍で生じることが分かっている。特許文献１に示された従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線の前駆線材では、超電導線材とした時にＱｈ特性の増大原因となる熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触を防ぐため、ε相ブロンズ層を生成する領域の境界近傍のＣｕ基金属マトリックス中に埋設されるＮｂ基金属フィラメントの間隔を広く取らなければならなかった。より具体的には、ε相ブロンズ層の境界は中心から第３層目と第４層目のＮｂ基金属フィラメントの間に形成されるので、第３層〜第５層のＮｂ基金属フィラメントの直径を前記のようにやや細くして伸線加工後のフィラメント間隔をやや広げていた。その結果、Ｃｕ基金属マトリックス中に埋設されるＮｂ基金属フィラメントの量は制限され、前駆線材を熱処理した超電導線材のＪｃは温度４．２Ｋ、磁場１２Ｔで８００Ａ／ｍｍ２程度に留まり、より高いＪｃ特性を有する線材を得ることが不可能であるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、熱処理を施すことにより、高いＪｃ特性を有し、且つ、Ｑｈ特性の増大が抑制されたＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材においては、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、上記モジュールの中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるようにＳｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするものである。
【０００９】
さらに、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下であり、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上略０．８以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、この発明の別の前駆線材は、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるようにＳｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、上記モジュールの中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるように上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたので、上記ε相ブロンズ層領域の境界は上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の外側となり、Ｑｈ特性の増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触を防ぐことができ、Ｑｈ特性の増大を抑制したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。また、この発明によれば、同じ理由から、Ｑｈ特性の増大を抑制するために上記Ｎｂ基金属フィラメントの間隔を広く取る必要が無くなること、すなわち、上記Ｎｂ基金属フィラメントの量は制限されることがなくなり、前駆線材を熱処理した超電導線材においてＮｂ３Ｓｎフィラメントの量が確保されることになり、高いＪｃ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１３】
上記の発明においては、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率を略０．２８以上略０．３４以下、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上０．８以下、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下とすることにより、上記ε相ブロンズ層の境界が上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の外側となり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント同士の結合がなく、Ｎｂ３ＳｎフィラメントとなるＮｂの量が高い割合で確保されるため、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１４】
また、この発明の別の発明によれば、上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成する上記ε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるように上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたので、前駆線材を熱処理した超電導線材において、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触領域を小さく制限することができ、Ｑｈ特性の増大を抑制したＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。また同じ理由から、Ｑｈ特性の増大を抑制するために上記Ｎｂ基金属フィラメントの間隔を広く取る必要が無くなること、すなわち、上記Ｎｂ基金属フィラメントの量は制限されることがなくなり、前駆線材を熱処理した超電導線材においてＮｂ３Ｓｎフィラメントの量が確保されることになり、高いＪｃ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００１５】
上記の発明においては、上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率を略０．２３以上略０．２７以下、上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上０．５５以下、上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下とすることにより、上記ε相ブロンズ層の境界が上記Ｎｂ基金属フィラメントのうち０．０５から０．３５の割合を含むことになり、Ｎｂ３Ｓｎフィラメント同士の結合が最小限に抑えられ、かつＮｂ３ＳｎフィラメントとなるＮｂの量が高い割合で確保されるため、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材の断面図を示しており、図２は実施の形態１による上記前駆線材のモジュール１を製造するための複合ビレットの断面図を示したものである。
【００１７】
実施の形態１の複合ビレット４の製造においては、まず直径１４０ｍｍの無酸素銅の円柱２に、円柱の中心から半径３５ｍｍから５１ｍｍにかけて、同心円状に３列の孔を合計１０６個穿孔する。穿孔した孔には直径６ｍｍのＮｂ基金属棒３を充填し複合ビレット４とした。上記Ｎｂ基金属棒は最終的に得られるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材においてＮｂ基金属フィラメント６となる。得られた複合ビレット４を５０ｍｍの径に押出し加工し、外周の不要な銅材を切削加工する。さらに中央部の銅の部分に孔を明けて、Ｓｎ基金属コア５となるＳｎ基金属棒を挿入する。
【００１８】
Ｓｎ基金属棒の直径は最終的に得られる前駆線材を熱処理した際に生成されるε相ブロンズ層の境界位置を決めるものであるが、Ｃｕ基金属マトリックス中に生成される上記εブロンズ層領域の体積割合ｘは、下記の（1）式から求められる。
ｘ＝(ε相ブロンズ層領域の体積)÷(Ｃｕ基金属マトリックスの体積)
＝(Ｓｎのモル数)×３÷(Ｃｕのモル数)
＝３×(Ｓｎの密度)×(モジュール中のＳｎ占有体積比率)÷(Ｓｎの原子量)÷
{(Ｃｕの密度)×(モジュール中のＣｕ占有体積比率)÷(Ｃｕの原子量)} （１）
実施の形態１では、Ｓｎ基金属棒の直径をそれぞれ、（ア）１６．９ｍｍ、（イ）１９．１ｍｍ、（ウ）１９．８ｍｍ、（エ）２０．５ｍｍ、（オ）２０．９ｍｍ、（カ）２１．２ｍｍ、（キ）２１．９ｍｍ、（ク）２３．４ｍｍとした。これによりε相ブロンズ層のＣｕ基金属マトリックスに対する割合は、それぞれ（ア）０．３４、（イ）０．４７、（ウ）０．５１、（エ）０．５８、（オ）０．６２、（カ）０．６７、（キ）０．７１、（ク）０．８０となる。
【００１９】
Ｓｎ基金属棒が挿入された押出し加工後の複合ビレット４は、引抜き加工により縮径加工し、さらに対辺４ｍｍの六角棒に加工することで、モジュール用Ｃｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒とした。このＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒を切断して３７本に束ね、束ねた複合棒はＳｎ拡散バリヤ７となるＴａチューブで囲い、上記Ｔａチューブ７の外側を超電導電流の安定化のための安定化銅８となる厚さ７．５ｍｍの無酸素銅チューブで囲う。組み合わされたＴａチューブと無酸素銅チューブおよびＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒は、０．５ｍｍの径まで引抜き加工を行ってＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材９とした。
【００２０】
得られた前駆線材から測定用サンプルを切り出し、不活性ガス雰囲気中、６５０℃で１０日間の熱処理を行うことでＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした。得られた超電導線材の臨界電流密度を液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で、またヒステリシス損失を液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定すると、上記Ｓｎ基金属棒のサイズに依存して、図３に示すような値となった。ここで、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．６以上においては、ε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６の存在する領域よりも外側となる。換言すれば、Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が埋設されたモジュール１において、Ｎｂ基金属フィラメント６がε相ブロンズ層領域内のみに存在することとなる。図３から明らかなとおり、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが略０．６以上略０．８以下、好ましくは、略０．６２以上略０．７８以下とすれば、高いＪｃ特性と低いＱｈ特性を有するＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００２１】
一方、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．６より小さい場合、すなわち、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にＣｕ基金属マトリックス中に生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域内に入ってしまう場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．３程度、すなわち、ε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域より内側になると、Ｑｈ特性は減少してくるが、Ｓｎ基金属コア５の占める体積比率が低くなりすぎて最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減るため高Ｊｃ特性は得られない。逆に、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．８より大きい場合は複合ビレット４におけるＳｎ基金属棒のサイズがＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域に重なるため前駆線材は成り立たない。
【００２２】
実施の形態１における複合ビレット４のＮｂ基金属棒３の直径を６ｍｍ、孔の数を１０６個としたが、最終的な前駆線材でのＮｂ基金属フィラメント６の直径は３μｍ、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔は０．９μｍ、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率は０．３２となる。上記Ｎｂ基金属棒３のサイズや本数については、要求されるＪｃ特性やＱｈ特性によってその設計の範囲内で変更することが可能であるが、本発明における核融合用大型超電導コイルに要求される高Ｊｃ／低Ｑｈ特性の超電導線材では、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下、好ましくは、略０．３０以上略０．３３以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６の直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、好ましくは、略２．０μｍ以上略３．５μｍ以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下、好ましくは、略０．８μｍ以上略１．２μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積率が０．２８より少ない場合は、最終的に熱処理によってＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が反応することで生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性が得られないばかりでなく、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にマトリックスに生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６が存在する領域内に入ってしまい、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積率が０．３４より多い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔を十分確保することができなくなるため、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態１のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。
【００２４】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が１μｍより細い場合は、フィラメントの一部に断線を生じる可能性が高くなり、上記実施の形態１のような高Ｊｃ特性は得られない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が５μｍより太い場合は、最終的に熱処理によってフィラメント全体が反応することができず生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、上記実施の形態１のような高Ｊｃ特性は得られない。
【００２５】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔が０．７μｍより狭い場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、Ｑｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が１．５μｍより広い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６の量が減り、最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性は得られない。
【００２６】
実施の形態１では、Ｓｎの拡散バリヤ材としてＴａチューブを用いたが、バリヤ材として例えばＴａ板を管状に加工したものでも実施の形態１と同様の効果を実現することができる。また、Ｓｎの拡散バリヤ材の材質としてＴａを用いたが、Ｎｂ基金属等、Ｓｎの拡散を防ぐ効果のある金属であれば、実施の形態１と同様の効果を実現することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図４は実施の形態２による前駆線材のモジュール１を製造するための複合ビレット４の断面図を示したものである。図４において、図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００２８】
実施の形態２の複合ビレット４の製造においては、まず直径１４０ｍｍの無酸素銅の円柱２に、円柱の中心から半径３７ｍｍから５２ｍｍにかけて、同心円状に４列の孔を合計２２４個穿孔する。穿孔した孔に直径３．７ｍｍのＮｂ基金属棒３を充填し複合ビレット４とした。得られた複合ビレット４を実施の形態１と同様に５０ｍｍの径に押出し加工し、外周の不要な銅材を切削加工する。さらに中央部の銅の部分に、孔を明けて、Ｓｎ基金属コア５となるＳｎ基金属棒を挿入する。
【００２９】
Ｓｎ基金属棒の直径は最終的に得られる前駆線材を熱処理した際に生成されるε相ブロンズ層の境界位置を決めるものであるが、Ｃｕ基金属マトリックス中に生成される上記εブロンズ層領域の体積割合ｘは実施の形態１と同様に決められる。実施の形態２では、Ｓｎ基金属棒の直径をそれぞれ、（ア）１６．４ｍｍ、（イ）１８．４ｍｍ、（ウ）１９．４ｍｍ、（エ）２０．０ｍｍ、（オ）２０．５ｍｍ、（カ）２１．２ｍｍ、（キ）２１．９ｍｍ、（ク）２２．６ｍｍとした。これによりε相ブロンズ層のＣｕ基金属マトリックスに対する割合は、それぞれ（ア）０．２８、（イ）０．３７、（ウ）０．４２、（エ）０．４７、（オ）０．５１、（カ）０．５２、（キ）０．５６、（ク）０．６０となる。
【００３０】
Ｓｎ基金属棒が挿入された押出し加工後の複合ビレット４は、実施の形態１と同様に引抜き加工により縮径加工し、さらに対辺５．４ｍｍの六角棒に加工することで、モジュール用Ｃｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒とした。このＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒を切断して１９本に束ね、束ねた複合棒は実施の形態１と同様にＳｎ拡散バリヤ７となるＴａチューブで囲い、上記Ｔａチューブ７の外側を超電導電流の安定化のための安定化銅８となる厚さ７．５ｍｍの無酸素銅チューブで囲う。組み合わされたＴａチューブと無酸素銅チューブおよびＣｕ／Ｎｂ／Ｓｎ複合棒は、０．５ｍｍの径まで引抜き加工を行ってＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材９とした。
【００３１】
得られた前駆線材から測定用サンプルを切り出し、実施の形態１と同様に不活性ガス雰囲気中、６５０℃で１０日間の熱処理を行うことでＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした。得られた超電導線材の臨界電流密度を液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で、またヒステリシス損失を液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定すると、上記Ｓｎ基金属棒のサイズに依存して、図５に示すような値となった。ここで、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．４の場合、ε相ブロンズ層の境界領域にあるＮｂ基金属フィラメント６の割合が０．０８となる。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．５５の場合、ε相ブロンズ層の境界領域内にあるＮｂ基金属フィラメント６の存在割合が０．３２となる。図５から明らかなとおり、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが略０．４以上略０．５５以下、好ましくは、略０．４５以上略０．５２以下とすれば、低いＱｈ特性を有し、かつＪｃの低減が抑えられたＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を得ることができる。
【００３２】
一方、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．４より小さい場合、すなわち、前駆線材を３００〜６００℃で熱処理している際にＣｕ基金属マトリックス中に生成されるε相ブロンズ層の境界領域が、Ｎｂ基金属フィラメント６が存在する領域よりも内側に入ってしまう場合は、Ｑｈ特性は小さくなるが、Ｓｎ基金属コア５の占める体積比率が低くなりすぎてしまい、熱処理によって生成するＮｂ３Ｓｎの量が小さく、高Ｊｃ特性は得られない。また、ε相ブロンズ層領域の割合ｘが０．５５より大きい場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が広範囲に生じ、Ｑｈ特性の増大を防ぐことはできない。
【００３３】
実施の形態２における複合ビレット４のＮｂ基金属棒３の直径を３．７ｍｍ、孔の数を２２４個としたが、最終的な前駆線材でのＮｂ基金属フィラメント６の直径は２．６μｍ、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔は０．９μｍ、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率は０．２５となる。上記Ｎｂ基金属棒３のサイズや本数については、要求されるＪｃ特性やＱｈ特性によってその設計の範囲内で変更することが可能であるが、本発明における核融合用大型超電導コイルに要求される高Ｊｃ／低Ｑｈ特性の超電導線材では、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下、好ましくは、略０．２４以上略０．２６以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６の直径が略１μｍ以上略５μｍ以下、好ましくは、略２．０μｍ以上略３．５μｍ以下であり、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下、好ましくは、略０．８μｍ以上略１．２μｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が０．２３より少ない場合は、最終的に熱処理によってＮｂ基金属フィラメント６とＳｎ基金属コア５が反応することで生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性が得られない。逆に、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の占める体積比率が０．２７より多い場合は、熱処理により生成されるε相ブロンズ層の境界領域がＮｂ基金属フィラメント６の存在領域内に入る割合の増大を抑えられず、またＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔を十分に確保することができなくなるため、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、上記実施の形態２のようにＱｈ特性の増大を抑制することはできない。
【００３５】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が１μｍより細い場合は、フィラメントの一部に断線を生じる可能性が高くなり、上記実施の形態２のような高Ｊｃ特性は得られない。逆に、モジュール内のＮｂ基金属フィラメント６の直径が５μｍより太い場合は、最終的に熱処理によってフィラメント全体が反応することができず生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、上記実施の形態２のような高Ｊｃ特性は得られない。
【００３６】
また、モジュール１内のＮｂ基金属フィラメント６同士の間隔が０．７μｍより狭い場合は、Ｑｈの増大原因であるＮｂ３Ｓｎフィラメント相互の接触が生じ、Ｑｈ特性の増大を抑制することはできない。逆に、Ｎｂ基金属フィラメント６同士の間隔が１．５μｍより広い場合は、Ｎｂ基金属フィラメント６の量が減り、最終的に熱処理によって生成されるＮｂ３Ｓｎ量が減り、高Ｊｃ特性は得られない。
【００３７】
実施の形態２では、Ｓｎの拡散バリヤ材としてＴａチューブを用いたが、バリヤ材として例えばＴａ板を管状に加工したものでも上記実施の形態２と同様の効果を実現することができる。また、Ｓｎの拡散バリヤ材の材質としてＴａを用いたが、Ｎｂ基金属等、Ｓｎの拡散を防ぐ効果のある金属であれば、実施の形態２と同様の効果を実現することができる。
【００３８】
なお、本発明において、Ｃｕ基金属とは、純Ｃｕ、または約２重量％以下のＳｎを含むＣｕをいう。
【００３９】
また、Ｎｂ基金属とは、純Ｎｂ、または約１０重量％以下のＴａ、約５重量％以下のＴｉのうち少なくとも何れか一種を含むＮｂをいう。
【００４０】
さらにまた、Ｓｎ基金属とは、純Ｓｎ、または約５重量％以下のＴｉ、約２重量％以下のＣｕ、約２重量％以下のＩｎのうち少なくとも何れか一種を含むＳｎをいう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による複合ビレットの断面図を示したものである。
【図３】本発明の実施の形態１によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を熱処理しＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした際のε相ブロンズ層の境界領域の割合に対する液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で測定したＪｃ特性と液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定したＱｈ特性を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２による複合ビレットの断面図を示したものである。
【図５】本発明の実施の形態２によるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材を熱処理しＮｂ３Ｓｎ超電導線材とした際のε相ブロンズ層の境界領域の割合に対する液体ヘリウム中、１２Ｔの磁場中で測定したＪｃ特性と液体ヘリウム中、±３Ｔの変動磁場中で測定したＱｈ特性を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ モジュール、２ 無酸素銅の円柱、３ Ｎｂ基金属棒、４ 複合ビレット、５ Ｓｎ基金属コア、６ Ｎｂ基金属フィラメント、７ Ｓｎ拡散バリヤ、８ 安定化銅、９ Ｎｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項２】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上略０．８以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項３】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０８以上略０．３２以下の割合を含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項４】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項２】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項１】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントをすべて含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項２】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２８以上略０．３４以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．６以上略０．８以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項３】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０８以上略０．３２以下の割合を含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項４】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールを複数個備え、熱処理を施すことによりＮｂ３Ｓｎ超電導線材となるＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材において、
上記モジュールは、その中心部に上記Ｓｎ基金属コアを配置し、その周囲に同心状に上記Ｎｂ基金属フィラメントを等間隔に分離して配置し、さらにその周囲に上記Ｎｂ基金属フィラメントを同心状に順次外周に向かって配置した構造をとり、
上記熱処理によって上記Ｓｎ基金属コアと上記Ｃｕ基金属マトリックスとが反応することにより上記モジュール中に生成するε相ブロンズ層の境界が、上記Ｎｂ基金属フィラメントの存在領域の略０．０５以上略０．３５以下の割合を含むような範囲になるように、上記Ｓｎ基金属コアの量が調整されたことを特徴とするＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【請求項２】
Ｃｕ基金属マトリックス中にＮｂ基金属フィラメントとＳｎ基金属コアを埋設したモジュールが、
上記モジュール中の上記Ｎｂ基金属フィラメントが占める体積比率が略０．２３以上略０．２７以下であり、
上記モジュール中の上記Ｃｕ基金属マトリックスに対する上記ε相ブロンズ層が占める割合が略０．４以上略０．５５以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメントの直径が略１μｍ以上略５μｍ以下であり、
上記Ｎｂ基金属フィラメント同士の間隔が略０．７μｍ以上略１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載のＮｂ−Ｓｎ化合物系超電導線の前駆線材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−６６２７４（Ｐ２００６−６６２７４Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４８６１４（Ｐ２００４−２４８６１４）
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２７日（２００４．８．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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