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 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
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) 27.5 31.8 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 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 Ic @ 77K, self-field >100A (10-6 V/cm) N-index @ 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 115.6 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 4 10-3 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 (9.63T) 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] 9 8 7 6 5 4 3 2 ZEUS VENUS TOPAZ CDF CLEO-II ATLAS (test in air) (operation) ALEPH H1 DELPHI 10 100 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 5300mm Conductor 30mm 4.3mm NbTi/Cu/Al Coil Parameter: Operation Current 7600A Stored Energy 39MJ Central Magnetic Field 2T Customer/Project: KEK/ LHC 17 18 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
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 21 22 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 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 4000 3000 限流器なし 2.8kA 2000 電流 (A) 経路電流 1000 0-0.025-0.005 0.015 0.035 0.055 0.075-1000 -2000-3000 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 ) 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 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 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) 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 蓄積エネルギー (kj) 1000 100 10 1 0.1 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 0.1 1 10 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
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
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