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よしたかひがき
7 years ago
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目次東芝における超電導技術開発株式会社東芝電力システム社京浜事業所花井哲東芝における超電導技術開発の歴史東芝の超電導関連組織各種超電導製品の紹介核融合用超電導マグネット加速器用超電導マグネット電力システム応用超電導機器一般産業応用研究用高磁界超電導マグネットまとめ低温工学協会九州西日本支部 2007 年度企業セミナー 2007 年 4 月 27 日 Copyright

1 目次東芝における超電導技術開発株式会社東芝電力システム社京浜事業所花井哲東芝における超電導技術開発の歴史東芝の超電導関連組織各種超電導製品の紹介核融合用超電導マグネット加速器用超電導マグネット電力システム応用超電導機器一般産業応用研究用高磁界超電導マグネットまとめ低温工学協会九州西日本支部 2007 年度企業セミナー 2007 年 4 月 27 日 Copyright 2006, Toshiba Corporation. 2 東芝における超電導技術開発のはじまり 1961 年中央研究所発足軽電系のマツダ研究所と重電系の鶴見研究所が合併して発足超電導物質の研究, 極低温実験用クライオスタットの開発スタート企業として初めての大型ヘリウム冷凍機の設置 1966 年通産省工技院の大型 PJ MHD 発電の開発スタート本格的な大型超電導コイルの開発の契機大型タービン方式ヘリウム液化装置極低温構造材料の機械的性質フラックスポンプの開発東芝における超電導技術開発の歴史 [ 発電機 ] 1968 年 10kVA 単極発電機の開発電機メーカに独自の超電導応用が求められた結果 1973 年 3000kW 超電導単極発電機の完成大型超電導発電機開発の先鞭 1981 年超電導同期発電機の試作研究スタート 1984 年 3MVA 交流発電機の完成 1988 年速応励磁型 100kVA 超電導発電機開発関西電力 ( 株 ), 京都大学 1988 年 70MW 級モデル機 (Super-GM) の開発 ~1999 年 3 4

東芝における超電導技術開発の歴史 [ これまでに開発を行った各種超電導応用機器 ] 超電導導体 (NbTi,Nb 3

HTS) SMES( 国プロ,ESK,5MVA-SMES,10MVA-SMES) 核融合炉用超電導磁石 (DPC-TJ,CS

高磁界発生用超電導磁石 ( 東北大金研, 金材研 (NIMS)) 各種超電導コイル (LTS,HTS) 東芝組織図 (

車両技術部府中事業所交通事業部 5 6 超電導技術による高効率電力システム核融合用超電導マグネット [ 開発のポイント

2 東芝における超電導技術開発の歴史 [ これまでに開発を行った各種超電導応用機器 ] 超電導導体 (NbTi,Nb 3 Sn,HTS) 極低温冷却技術 ( 冷却システム, 小型冷凍機 ) 超電導発電機超電導変圧器超電導限流器 (LTS HTS) SMES( 国プロ,ESK,5MVA-SMES,10MVA-SMES) 核融合炉用超電導磁石 (DPC-TJ,CS モデルコイル,LHD-PFC) 各種加速器用超電導磁石浮上式鉄道用超電導磁石 (LTS,HTS) MRI 用超電導磁石 (0.5T,1.5T,1000 台弱 ) 単結晶引き上げ用超電導磁石 (50-60 台 / 年 ) 超電導磁気推進船 (Yamato-1) 高磁界発生用超電導磁石 ( 東北大金研, 金材研 (NIMS)) 各種超電導コイル (LTS,HTS) 東芝組織図 ( 超電導関連部門 ) 研究開発センター原子力事業部電力社会システム技術開発センター核融合開発設計部京浜事業所車両技術部府中事業所交通事業部 5 6 超電導技術による高効率電力システム核融合用超電導マグネット [ 開発のポイント ] 大電流 ( 偏流, 安定性 ) 高強度高磁界大型 ( 製造設備 ) 大電流導体接続技術 SAGBO (Stress Accelerated Grain Boundary Oxidation) 国際熱核融合実験炉 (ITER) 出展 :ITER 公式 HP 7 8

3 CS モデルコイル CS モデルコイルの達成記録と高磁場高強度導体 Outer module (11 th 18 th layers) 94/10: 東芝で製作開始 98/11: 出荷 99/11: 現地据付完 Inner Diameter 1.6 m Outer Diameter 3.6 m Coil Height 2.8 m Rated Current 46 ka Maximum Field 13 T Stored Energy 640 MJ 9 10 大型ヘリカル装置 OVコイル 2 直径 11m ISコイル 2 直径 6m IVコイル 2 直径 4m 大型ヘリカル装置 /OV コイル運転電流 (ka) 31.3 外直径 (m) 11.7 タフルハンケーキ数 8 ターン数 144 導体長 (km) 5.0 導体寸法 (mm) 超伝導線直径 (mm) 0.89 超伝導線本数 486 装置重量 1500ton φ13.5m 8.5m 11 完成した OV コイル ( 外直径 11.7m, 重量 45ton) 12

磁気浮上プラズマ実験装置 ( 東大 RT-1) 高温超電導浮上コイル ( 東大 RT-1) (a) The HTS floating magnet is cooled down to 20 K and

(b) The HTS floating magnet at the floating position in a plasma experiment.

Superconductor Ag-sheathed Bi-2223 tape Silver ratio 1.5 Dimension Max. width 4.6 mm Ave. thickness 0.

plate Main Parameters of the Floating HTS Coil Winding method Single pancake Stack number of pancakes

2 mm Operating temperature 20~30 K Magnetomotive force 250 ka Operating current 115.6 A Inductance 3.

2 Thermal shield φ 500 PCS Coil support 150 Coil winding φ750 提供 : 東京大学殿 14 プラズマ点火の様子加速器用超電導マグネット

4 磁気浮上プラズマ実験装置 ( 東大 RT-1) 高温超電導浮上コイル ( 東大 RT-1) (a) The HTS floating magnet is cooled down to 20 K and excited up to the nominal current at the maintenance position. (b) The HTS floating magnet at the floating position in a plasma experiment. The HTS floating magnet is mechanically elevated to the floating position and is magnetically levitated. Schematic drawing of the RT-1 operation 提供 : 東京大学殿 13 Main Parameters of the HTS Conductor Superconductor Ag-sheathed Bi-2223 tape Silver ratio 1.5 Dimension Max. width 4.6 mm Ave. thickness 0.23 mm 77K, self-field >100A (10-6 V/cm) 77K, bifiler >18 (10-9~10-6 V/cm) Cooling plate Main Parameters of the Floating HTS Coil Winding method Single pancake Stack number of pancakes 12 Dimension Major diameter φ 500 mm Hight 67.2 mm Operating temperature 20~30 K Magnetomotive force 250 ka Operating current A Inductance 3.3 H Stored energy 22 kj Vacuum vessel Coil case 67.2 Thermal shield φ 500 PCS Coil support 150 Coil winding φ750 提供 : 東京大学殿 14 プラズマ点火の様子加速器用超電導マグネット無冷却永久電流モード運転という特殊な運転条件下で使用されるプラズマ実験用高温超伝導永久電流マグネットシステムの開発に成功した 8 時間での磁場減衰 : 約 1.1 % 初期冷却時間 : 約 2 日間コイル温度 40Kからの再冷却時間 : 約 2 時間 [ 開発のポイント ] 高電流密度高磁界高精度軽量化 CERN/LHC RT-1 ECH plasma with levitated coil Dipole coil current 250kAT + Levitation coil current 21kAT Microwave 8.2GHz 2006/01/13 1.7kW, 浮上プラズマに成功 H 2 pressure Pa (26mm from support structure) 提供 : 東京大学殿出展 :KEK HP 15 16

強収束用超伝導四極電磁石 (MQXA/LHC) LHC ATLAS センターソレノイドコイル超精密巻線技術 ( 精度 : 数 μm) 強磁場 (9.

3m - Coil Inner Radius 35mm - Outer Radius 245mm - Weight 10ton Coil Parameter - Nominal Current 8062A

8K LHe Customer/Project - KEK/MQXA-LHC 20 台を製作 KEK で実証試験を行い Fermi Lab で全体組立の後 CERN LHC で据付け E/M ratio

100 1000 Stored Energy E [MJ] 粒子検出器用ソレノイドの E/M Main Parameter: Coil Inner Radius 1229mm Coil Length

3mm NbTi/Cu/Al Coil Parameter: Operation Current 7600A Stored Energy 39MJ Central Magnetic Field 2T

Superconducting Triplet Quadrupole Magnet for RIKEN BigRIPS RIKEN RI Beam Factory Project Main

5m Pole Tip Radius 0.17m Warm Bore Radius 0.14m Coil Parameter: Nominal Current 135A Max.

Customer/Project: RIKEN/ RIBF 巻線を完了したソレノイド 1.1mm 0.59mm Al 安定化材導体断面 0.

5 強収束用超伝導四極電磁石 (MQXA/LHC) LHC ATLAS センターソレノイドコイル超精密巻線技術 ( 精度 : 数 μm) 強磁場 (9.63T) Main Parameter - Nominal Gradient 240T/m - Operation Gradient 215T/m - Magnet Length 6.3m - Coil Inner Radius 35mm - Outer Radius 245mm - Weight 10ton Coil Parameter - Nominal Current 8062A - Stored Energy 2.9MJ - Peak Field (Nominal) 9.63T - Inductance 90.7mH - Cooling 1.8K LHe Customer/Project - KEK/MQXA-LHC 20 台を製作 KEK で実証試験を行い Fermi Lab で全体組立の後 CERN LHC で据付け E/M ratio [kj/kg] ZEUS VENUS TOPAZ CDF CLEO-II ATLAS (test in air) (operation) ALEPH H1 DELPHI Stored Energy E [MJ] 粒子検出器用ソレノイドの E/M Main Parameter: Coil Inner Radius 1229mm Coil Length 5300mm Conductor 30mm 4.3mm NbTi/Cu/Al Coil Parameter: Operation Current 7600A Stored Energy 39MJ Central Magnetic Field 2T Customer/Project: KEK/ LHC 理化学研究所向 RI ヒームファクトリー BigRips 超電導マクネット南極周回飛翔実験用極薄肉超伝導ソレノイド (KEK) Superconducting Triplet Quadrupole Magnet for RIKEN BigRIPS RIKEN RI Beam Factory Project Main Parameter: Type Superferric Max. Field Gradient 14.1 T/m Effective Length 0.5m/0.8m/0.5m Pole Tip Radius 0.17m Warm Bore Radius 0.14m Coil Parameter: Nominal Current 135A Max. Test Current 163A Peak Field(Nominal) 4T Inductance 18/28/18H Winding Race Track Cooling Liquid Helium Customer/Project: RIKEN/ RIBF 巻線を完了したソレノイド 1.1mm 0.59mm Al 安定化材導体断面 0.8mm NbTi/Cu 工場での励磁試験 Main Parameter - Coil diameter/length 0.9/1.4m - Coil thickness 3.4mm(central) - Coil weight 41kg - Operation current 476A - Central magnetic field 1.0T (0.8T@380A in ballooning) - Stored energy 382kJ - E/M ratio in coil 9.3kJ/kg - Total weight 500kg Customer/Project - KEK/BESS Polar 04/12 南極での打上げ実験 19 20

6 新しい巻線技術 ( サーフェースワインティンク ) 電力システム応用超電導機器 [ 開発のポイント ] 低コスト化信頼性 KEK-B 向試作多層巻 ILC 向試作 FFAG 向試作 10MVA-SMES 負荷変動補償周波数調整用 SMES- モデルコイルの実証 Magnet for Phase II SMES 瞬低用 SMES 電力系統交直変換電力系統交直変換放電瞬間的な電圧降下や停電に対し短時間で動作して機器を保護落雷瞬時電圧低下瞬低 SMES のはたらき φ9.3m Load leveling, Frequency regulation Stored Energy: 2GJ (10kA, 4.8T) Number of unit coils: 4 3 φ3.6m SMES Model Coil Stored Energy: 10MJ (10kA, 4.8T) Number of unit coils: 4 Model Coil 電力貯蔵 ( 磁気エネルギー ) 放電モードエネルギーの瞬時の出入れが可能 (10( 10ms) エネルギー変換効率が高い (80( 80%~) 変電所電圧 SMES あり SMESにより補償 SMESなし時間 SMES として世界最大規模となる 10MVA の電力供給を実証模擬瞬低発生 3.2m 系統電圧系統電流実証試験 : 中部電力殿寛政変電所で電源, 液化機と組み合わせ実証試験負荷電圧 SMES 出力電流定格電流運転繰返し試験による実証マルチポールコイル配置構成漏洩磁場の低減省設置スペース化ヘリウム容器クライオスタット高速でスムーズな切替電力供給を実証 23 24

限流器通常時 : インピーダンス =0 GM 冷凍機電流リード 66kV/500A

限流器用冷却容器固体絶縁 66kV/1kA 電流リードモデル容器の耐電圧 :JEC の 66kV

超電導フライホイールパイロットシステム実証試験限流効果確認試験 (20kVrms) 目標値 :

035 0.055 0.075-1000 -2000-3000 限流器あり 1.

7 限流器通常時 : インピーダンス =0 GM 冷凍機電流リード 66kV/500A 級パルスモデルコイルの開発事故時 : 必要インピーダンスが短時間で発現事故電流限流電流短絡事故発生事故電流を抑制抵抗を超電導のクエンチ現象を利用して発生 25 冷却板真空ユニットコイルサブクール窒素土台限流器用冷却容器固体絶縁 66kV/1kA 電流リードモデル容器の耐電圧 :JEC の 66kV 機器仕様を達成 ( 交流 140kVrms 雷インパルス 350kV) 冷却仕様 :65K( 大気圧 ) のサブクール生成出典 : 平成 16 年度 NEDO 委託業務成果報告書交流超電導電力機器基盤技術研究開発超電導限流器基盤技術の研究開発 26 限流器用リアクトル試験結果超電導フライホイールパイロットシステム実証試験限流効果確認試験 (20kVrms) 目標値 : 利用可能エネルギー : ~50kWh( 貯蔵容量 >70 kwh) 入出力電力 : ~1,000kW 極低温槽冷凍機限流器なし 2.8kA 2000 電流 (A) 経路電流限流器あり 1.4kA 時間時間 (s) 回転鉄コア固定鉄コア限流試験出典 : 平成 16 年度 NEDO 委託業務成果報告書交流超電導電力機器基盤技術研究開発超電導限流器基盤技術の研究開発ラジアル制御磁気軸受超電導スラスト軸受フライホイール (~27t) 発電電動機提供 :JR 東海殿 27 28

一般産業応用単結晶引き上げ用超電導マグネット [ 開発のポイント ] 低コスト化信頼性コンパクト化低漏洩磁界引上げシリコンインコット磁場るつぼ ( シリコン溶融液 )

4T 超電導コイル超電導コイル磁場により熱対流を抑制 MRI 出展 : 東芝メディカル HP 29 30 高温超伝導磁石の開発ー単結晶引き上げ用磁石をモデルー磁気浮上式鉄道用超電導磁石

4T, E=1014 kj ( I=210A) 10000 本 Pjの成果超伝導線材 :Bi2223 コイル形式 : ヘルムホルツ形式運転温度 : <20K 冷却方式 :GM 冷凍機伝導冷却

8 一般産業応用単結晶引き上げ用超電導マグネット [ 開発のポイント ] 低コスト化信頼性コンパクト化低漏洩磁界引上げシリコンインコット磁場るつぼ ( シリコン溶融液 ) 高品質の単結晶シリコン引上げが可能 12 インチ単結晶シリコン引上げ用超電導マグネット横磁場 :0.4T 超電導コイル超電導コイル磁場により熱対流を抑制 MRI 出展 : 東芝メディカル HP 高温超伝導磁石の開発ー単結晶引き上げ用磁石をモデルー磁気浮上式鉄道用超電導磁石高温超伝導磁石蓄積エネルギー 1.1MJ( 世界最大 ) Bo=1.4T, E=1014 kj ( I=210A) 本 Pjの成果超伝導線材 :Bi2223 コイル形式 : ヘルムホルツ形式運転温度 : <20K 冷却方式 :GM 冷凍機伝導冷却蓄積エネルギー (kj) R&Dコイルの実績限流器 GA 他 MRI Oxford 他 μ-smes 7.25T マクネット ASC 7.1T マクネット住電 ASC 3.5Tマクネット住電金材研日立パルスマグネット九大九州電力富士電機コイル中心磁場 (T) コイル中心磁場と蓄積エネルギー山梨実験線延線決定 :18km 43km SRL HP A SRL HP B JR 東海殿提供 31 32

9 研究用高磁界超電導マグネット [ 開発のポイント ] 高磁界限界設計強磁場発生装置東北大殿向 18T ヘリウムフリーマグネット [ マグネット概要 ] 目的 : 材料創製を中心とした強磁場を用いた研究用構成 HTSコイル 1 Nb 3 Snコイル 4 NbTiコイル 1 (3 電源方式 ) GM 冷凍機 GM-JT 冷凍機設計中心磁界 : 18T 常温ボア : φ52mm 磁気エネルギー : 8.6MJ GM-JT 冷凍機 : 1 台冷凍機冷却超電導マグネット 33 GM 冷凍機 : 2 台 ( シールド用 ) 提供 : 東北大学殿 34 ハイブリットマグネット (NIMS) 冷凍機直冷式超電導マグネットハイブリットマグネットとして 37.3T の世界最高磁場を達成 (1999.9) 35 36

10 まとめ [ 東芝の強み ] 大型超電導コイル製造技術強制冷却コイル製造技術高温超電導コイル製造技術 [ 課題 ] 国プロ等中心に技術力を高めてきたが, これだけでは収益はでない収益基盤となる一般産業用超電導機器の開発が必要 ( 苦闘中 ) MRI 単結晶引上げ用超電導磁石次は,SMES, 限流器...? 将来 : リニア用超電導コイル, 核融合用超電導コイル 37 38

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション平成 2014 年 5 月 1 日 ( 木 ) J-PARC50-GeV 主リング電源変動補償作業部会報告会 KEK3 号館 1 階会議室 SMES の利用 - 高温超電導 SMES コイルの概略設計 - 野村新一 ( 明治大学 ) 1.SMES 用コイル巻線形状の最適化 2. 電磁力平衡コイルを用いた SMES の概略設計電磁力平衡コイルの概念磁気エネルギーの貯蔵電磁力で生じる引張応力に耐えるだけの支持構造物が必要になる