科研費 - 吉田 隆
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ナノ組織制御超伝導線を用いた縦磁界直流電力輸送ケーブルの高性能化に関する研究
研究課題/研究課題番号：21H01872 2021年4月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
木内 勝, 吉田 隆
担当区分：研究分担者
本研究では、ナノ組織制御技術を用いて線材に欠陥(人工ピン)を導入したRE(Rare-Earth)系コート超伝導線材と、超伝導線材の電流通電の方向に磁界を平行に加えることにより電流容量が大きく増加する縦磁界効果を用いて、軽量でコンパクトな高性能直流電力輸送ケーブルの実現を目的とする。この２つを組み合わせることにより、従来の超伝導ケーブルに比べて2倍の電流量を有する直流電力輸送ケーブルを目指すと共に、水素の排熱等による低コストケーブルシステムや、工場敷地内の大電流容量が必要とされる建屋間を結ぶ高密度な電力輸送システム構築、電車のき電線へ利用できる超伝導ケーブルの基礎技術の確立を行う。
本研究では、超伝導線材の電流通電の方向に磁界を平行に加えることにより電流容量が大きく増加する縦磁界効果を用いて、軽量でコンパクトな直流電力輸送ケーブルの高性能化のため2つの観点から研究を行った。1つ目はは線材の縦磁界下で線材の臨界電流特性の決定機構解明であり、二つ目はケーブルの最適利用環境について調べた。縦磁界下で臨界電流特性を向上させるためには、超伝導層を歪ませないような小さな欠陥の導入が有効であることが明らかなった。更に、ケーブルの利用環境としては、冷却コストの点からも、液体窒素を減圧した過冷却下での運用の方が液体窒素冷却に比べて2倍の電流容量が達成できることが明らかなった。
超伝導電力送電には超伝導ケーブル自体のコストだけでなく、付帯設備などの初期コストが必要なため阻害要因となっているが、本研究の新しい技術を利用した直流電力輸送ケーブルは、液体窒素冷却のみでなく、地中に埋設された断熱二重層の管路内の過冷却液体窒素下におけるケーブルの高性能化を明らかにしている。また、このような高性能な電力輸送ケーブルは、現在注目されている小型核融合炉や電気航空機への利用も可能にする。更に、本研究で明らかにした線材の開発が可能になると、高性能化ばかりでなく高密度化も可能になり利用線材の量を減らすことができ、ケーブル作製のコストの低減にも大きく貢献できる。 -
革新的機能性酸化物の創成に向けたヒエラルキカル物質科学の構築
研究課題/研究課題番号：20H02682 2020年4月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
一野 祐亮, 吉田 隆
担当区分：研究分担者
超伝導や熱電変換などの機能性酸化物は、従来物材料をしのぐ機能性を持っているが、結晶構造に起因した機能性の物理的異方性を持っているため、結晶方位を揃えなければ十分な性能を発揮することが出来ない。一方、ナノ構造制御によってその機能性が大幅に向上する。しかし、様々な応用に対しては十分な体積が求められている。本課題では、ナノ階層、マイクロ階層とヒエラルキカルに分離し、薄膜技術を用いたナノ組織制御、結晶成長技術を用いた厚膜、フリースタンディング膜の積層による高体積率化などの技術を開発し、融合させることで応用指向の高機能性酸化物材料を創製するヒエラルキカル物質科学を拓く。
本研究は、超伝導など機能性酸化物のナノ構造制御による機能性向上（ナノ階層）と機能性を維持したままの体積増大技術（マイクロ階層）の開発を目的とした。特に、REBCO超伝導体をエピタキシャル成長させ、基板から自立させる技術を開発した。ナノ階層としてパルスレーザー蒸着法を用いて、RE123のエピタキシャル成長を行った。マイクロ階層では、可溶性のNaCl基板あるいは水溶性酸化物Ba3Al2O6中間層を用いて、基板から機能性酸化物薄膜を剥離し、それらをスタックすることで体積の増大を目指した。しかし、YBCOのエピタキシャル成長条件にさらされるとBAOが水溶性を失う可能性が示唆された。
本研究の学術的意義としては、YBCO自立薄膜の作製を実現することで、従来困難であった高性能かつ自立膜のスタックによって十分な体積が得られる点が挙げられる。特に、水溶性犠牲層を用いた剥離技術は、他の機能性酸化物への展開も可能性であり、そのメカニズム解明は学術的に意義深い。社会的意義としては、YBCO自立薄膜をスタックした擬似バルクは、従来のバルク材料に比べて臨界電流密度が高いため、より小型かつ安価な液体窒素で動作する高効率なフライホイールやNMRなどの応用が期待される点が挙げられる。 -
自己組織化を利用したエネルギー・エフィシェント・マテリアルの創製ーの探索
2016年4月 - 2019年3月
科学研究費補助金
担当区分：研究分担者
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高温超伝導線材における高ひずみ特性の観点から最適な人工ピンニングセンターの探索
2016年4月 - 2019年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究分担者
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高温超伝導線材における高ひずみ特性の観点から最適な人工ピンニングセンターの探索
研究課題/研究課題番号：16H04512 2016年4月 - 2019年3月
菅野 未知央
担当区分：研究分担者
磁場中臨界電流（Ic）を向上するために導入される人工ピンニングセンター（APC）を含む高温酸化物超伝導体SmBa2Cu3Oy（SmBCO）薄膜について、APC導入によるIcのひずみ効果への影響に関する研究を行なった。APCの一種であるBaHfO3（BHO）の添加有無により、自己磁場下でIcが最大値をとる線材軸方向ひずみ（ピークひずみ）の温度依存性に差異が観察された。77 K、磁場中では、無添加線材と比較してBHO添加線材でひずみによりIcが増加するピーク効果がより高磁場まで継続する振る舞いが観察された。以上のように、APC導入によりIcのひずみ効果に影響があることが明らかになった。
本研究で対象とした希土類系高温超伝導体は、他の材料と比較して磁場中で高い臨界電流を有していることから、高磁場超伝導磁石への応用が期待されている。一方、高磁場磁石においては、コイルに対して強大な電磁力が作用するため、機械的特性の評価が重要になる。本研究で開発した、ひずみ効果測定用インサートは、同種の装置としては大電流である500 Aの通電が可能であり、液体ヘリウム温度、外部磁場15 Tという実使用環境での線材の臨界電流をひずみ負荷状態で評価することができる。本超伝導線材に限らず、今後様々な磁石候補線材の評価に使用できる。 -
高効率超伝導送電技術へのナノ組織制御・フォースフリー融合技術の構築
2015年4月 - 2018年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究代表者
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高効率超伝導送電技術へのナノ組織制御・フォースフリー融合技術の構築
研究課題/研究課題番号：15H04252 2015年4月 - 2018年3月
吉田 隆
担当区分：研究代表者
配分額：16250000円 （ 直接経費：12500000円 、 間接経費：3750000円 ）
超伝導の物理現象「フォース・フリー状態(縦磁界効果)」を用いて、長距離超伝導直流送電技術応用が期待される超伝導ケーブルを検討する。そこで、液体窒素温度(77K)、縦磁界下における特性向上をめざし、REBa2Cu3Oy (REBCO; RE = rare earth)超伝導膜および線材のナノ組織制御技術を構築した。
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量子化磁束のダイナミックスと物質科学への展開
2011年6月 - 2016年3月
科学研究費補助金 基盤研究(S)
担当区分：研究分担者
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ナノ組織制御によるハイブリッドエネルギー材料の創生
2007年10月 - 2012年3月
科学研究費補助金 若手研究(S)
担当区分：研究代表者
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人工ナノ欠陥を導入した熱電変換薄膜モジュール
2006年4月 - 2007年10月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究代表者
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室温領域における廃熱利用酸化物熱電変換薄膜の創製
2004年5月 - 2006年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究代表者
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酸化物系超伝導薄膜のVapor-Liquid-Solid成長に関する研究
1999年
科学研究費補助金