核融合炉の実現と展開を加速する高温超伝導・大電流導体の開発

柳 長門

　NIFSでは世界に先駆けて2005年から核融合炉の大型マグネットに適用できる高温超伝導大電流導体の開発に着手しました。これには日本を中心に開発された高温超伝導線材であるREBCO（レブコ）系線材を用いています。REBCO系線材はテープ形状をしており、幅４mm～12 mm、厚さ0.1 mmというものです。核融合炉のマグネットに使うためにはこうした「線材」を数十枚束ねて「導体」を構成する必要があります。LHDやITERなどに使用されている従来の低温超伝導導体では細くて丸い線材を多数本（十数本～千数百本）用い、これらをより合わせて用いるのが鉄則でした。より合わせないと特に電流を早く変化させた場合に線材ごとに担う電流の大きさに違い（偏流）が生じ、大きな電流を担った線材が「臨界」に達して発熱し、それが広がって導体全体で温度上昇する現象が生じる（これをクエンチと言います）危険性があるためです。現在、高温超伝導大電流導体の開発は世界で行われていますが、通常この鉄則が守られ、ほとんどの導体で線材の複雑なより合わせ方が提案されています。しかし、REBCO系線材はテープ形状であるためにより合わせるのが難しく、変形が生じたり機械的に弱い部分が生じたりする懸念があります。これに対してNIFSで開発を進めてきたSTARS導体では、この鉄則を破るという逆転の発想でテープ線材を単純に積層するだけとしており、これにより機械的に強い構造となっています。これは、低温超伝導導体と同様に偏流が生じて大きな電流を担った線材が臨界を超えても、過剰な電流を他の線材に受け渡すのに余裕があり、結果として導体全体の温度を上げないよう保つことができるからです。実際に導体を試作したところ、2014年に10万アンペア（現在でも高温超伝導導体の電流世界記録）を達成し原理検証ができましたが、実用化できる本格導体として仕上げるのに更に８年を要しました。核融合炉に適用できる高温超伝導大電流導体については世界でも開発が行われています。多くの研究機関や民間スタートアップ企業でいろいろな種類の導体とコイルが開発されていますが、いずれも完全な完成には至っておらず、世界における競争は激しさを増しています。

全長６メートルの導体を構成し、直径60 cmで３回ほど巻いたコイル形状試験体（図２）を製作、NIFSの大口径高磁場導体試験装置で試験をしたところ、温度マイナス253度、磁場強度８テスラにおいて１万８千アンペアの定格電流まで安定に通電できることを確認しました。これは、目標とした１平方mmあたり80アンペアの電流密度を達成したことになります。また、電流の上げ下げで毎秒１千アンペアという高速通電を行い、これを合計で２百回以上繰り返しても安定に通電されていることが確かめられました。

　一方、大型コイルを巻くためには複数の導体（１本の長さは十ｍ～数百ｍ）を接続することによって延ばしていく必要があります。STARS導体では東北大学大学院工学研究科量子エネルギー工学専攻の伊藤悟准教授らが開発してきた「機械的ラップ接合法」を採用しており、導体内部の高温超伝導テープ線材同士を低抵抗で接続することが可能です。今回の導体試験でも、この接続方法を応用した電流導入部を製作したことが良好な結果を得ることに役立ちました。