Copyright 2006, Toshiba Corporation.

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

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

Copyright 2006, Toshiba Corporation. 2

目次

• 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

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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

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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　

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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，Nb3Sn，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）

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東芝組織図（超電導関連部門）

研究開発センター

京浜事業所

電力・社会システム技術開発センター

核融合開発設計部

府中事業所

車両技術部

交通事業部

原子力事業部

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超電導技術による高効率電力システム

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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）

出展：ＩＴＥＲ公式ＨＰ

国際熱核融合実験炉（ITER）国際熱核融合実験炉（ITER）

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•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

Outer module (11th –18th layers)

CSモデルコイル

・９４/１０：東芝で製作開始

・９８/１１：出　荷

・９９/１１：現地据付完

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ＣＳモデルコイルの達成記録と高磁場高強度導体

11

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

装置重量1500tonφ13.5m×8.5m

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完成したＯＶコイル（外直径11.7m，重量45ton）

運転電流（ｋＡ）　 　　 ３１．３　　　　　外直径（ｍ）　　　　　 １１．７ﾀﾞﾌﾞﾙﾊﾟﾝｹｰｷ数　　 　　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　　　　

大型ヘリカル装置／ＯＶコイル

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磁気浮上プラズマ実験装置（東大ＲＴ－１）

Schematic drawing of the RT-1 operation

(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.

提供：東京大学殿

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高温超電導浮上コイル（東大ＲＴ－１）

Main Parameters of the HTS ConductorSuperconductor Ag-sheathed Bi-2223 tapeSilver ratio 1.5Dimension Max. width 4.6 mm

Ave. thickness 0.23 mmIc @ 77K, self-field >100A (10-6 V/cm)N-index @ 77K, bifiler >18 (10-9~10-6 V/cm)

Main Parameters of the Floating HTS CoilWinding method Single pancakeStack number of pancakes 12Dimension Major diameter φ 500 mm

Hight 67.2 mmOperating temperature 20~30 KMagnetomotive force 250 kAOperating current 115.6 AInductance 3.3 HStored energy 22 kJ

67.2

150

φ 500φ750

Thermal shield

Vacuum vessel

Coil case

Coil winding

Coil supportPCSCooling plate

提供：東京大学殿

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2006/01/13 浮上プラズマに成功

RT-1 ECH plasma with levitated coil Dipole coil current 250kAT + Levitation coil current 21kATMicrowave 8.2GHz 1.7kW, H2 pressure 4×10-3Pa(26mm from support structure)

プラズマ点火の様子

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

提供：東京大学殿

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加速器用超電導マグネット

［開発のポイント］

• 高電流密度

• 高磁界

• 高精度

• 軽量化

出展：KEK ＨＰ

ＣＥＲＮ／ＬＨＣ

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強収束用超伝導四極電磁石(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

■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

・超精密巻線技術（精度：数μm）・強磁場（9.63T)

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■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

2

3

4

5

6

7

8

9

10 100 1000

E/M

ratio

[kJ/

kg]

Stored Energy E [MJ]

ALEPH

H1

DELPHI

VENUS

CLEO-II

CDFZEUS

TOPAZ

ATLAS(test in air)(operation)

粒子検出器用ソレノイドのE/M

ＬＨＣ　ＡＴＬＡＳセンターソレノイドコイル

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• Superconducting Triplet Quadrupole Magnet for RIKEN BigRIPS

RIKENRI 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

理化学研究所向RIﾋﾞｰﾑﾌｧｸﾄﾘｰBigRips超電導ﾏｸﾞﾈｯﾄ

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南極周回飛翔実験用極薄肉超伝導ソレノイド（ＫＥＫ）

■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

巻線を完了したソレノイド

工場での励磁試験

導体断面

0.59mm

Al安定化材

1.1mm

0.8m

m

NbTi/Cu

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新しい巻線技術（ｻｰﾌｪｰｽﾜｲﾝﾃﾞｨﾝｸﾞ）新しい巻線技術（ｻｰﾌｪｰｽﾜｲﾝﾃﾞｨﾝｸﾞ）新しい巻線技術（ｻｰﾌｪｰｽﾜｲﾝﾃﾞｨﾝｸﾞ）

KEK-B向試作

ＩＬＣ向試作 ＦＦＡＧ向試作

多層巻

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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

10MVA-SMES

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Magnet for Phase II SMES

Load leveling, Frequency regulationStored Energy: 2GJ　(10kA, 4.8T)Number of unit coils: 4 × 3

φ9.3m

φ3.6m

SMES Model CoilStored Energy: 10MJ　(10kA, 4.8T)Number of unit coils: 4

負荷変動補償･周波数調整用ＳＭＥＳ－モデルコイルの実証

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

・定格電流運転、・繰返し試験による実証

Model Coil

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SMESSMESとして世界最大規模となるとして世界最大規模となる1010MVAMVAの電力供給を実証の電力供給を実証

瞬低用ＳＭＥＳ瞬低用ＳＭＥＳ

電力系統

電力貯蔵（磁気エネルギー）

交直変換

放電

放電モード

交直変換

電力系統

・エネルギーの瞬時の出入れが可能（・エネルギーの瞬時の出入れが可能（1010msms））・・エネルギー変換効率が高い（エネルギー変換効率が高い（8080％～）％～）

電圧

時間

SMESにより補償

SMESあり

SMESなし

変電所変電所

落雷

瞬時電圧低下瞬時電圧低下

瞬低ＳＭＥＳのはたらき瞬低ＳＭＥＳのはたらき

3.2m

クライオスタット・漏洩磁場の低減　　　　・省設置スペース化

ヘリウム容器

マルチポールコイル配置構成

瞬間的な電圧降下や停電に対し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短時間で動作して機器を保護

系統電圧

系統電流

負荷電圧

SMES出力電流

模擬瞬低発生

高速でスムーズな切替・電力供給を実証高速でスムーズな切替・電力供給を実証

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◆通常時：インピーダンス＝0

◆事故時：必要インピーダンスが短時間で発現

事故電流を抑制

限流器

事故電流限流電流

短絡事故発生

抵抗を超電導のクエンチ現象を利用して発生

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66kV/500A級パルスモデルコイルの開発

・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

サブクール窒素

ユニットコイル

電流リード

真空

土台

GM冷凍機

冷却板

固体絶縁66kV/1kA

電流リードモデル限流器用冷却容器

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

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限流器用リアクトル試験結果

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

-0.025 -0.005 0.015 0.035 0.055 0.075

時間　(s)

電流

　(A

)

限流器なし　 2.8kA

限流器あり1.4kA

時間

経路

電流

◆限流効果確認試験(20kVrms)

限流試験

実証試験

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

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　　超電導フライホイールパイロットシステム

提供：JR東海殿

フライホイール(~27t)発電電動機

固定鉄コア

冷凍機

回転鉄コア

極低温槽

ラジアル制御磁気軸受

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

超電導スラスト軸受

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一般産業応用

［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

ＭＲＩ　　　出展：東芝メディカルＨＰ

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単結晶引き上げ用超電導マグネット

磁場により熱対流を抑制磁場により熱対流を抑制

超電導コイル超電導コイル 超電導コイル超電導コイル

磁場磁場

　　るつぼ　　るつぼ（ｼﾘｺﾝ溶融液）（ｼﾘｺﾝ溶融液）

引上げ引上げ

ｼﾘｺﾝｼﾘｺﾝｲﾝｺﾞｯﾄｲﾝｺﾞｯﾄ

高品質の単結晶ｼﾘｺﾝ高品質の単結晶ｼﾘｺﾝ

引上げが可能引上げが可能

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

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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

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

　　　　　高温超伝導磁石

蓄積エネルギー１．１MJ（世界 大）

0.1

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10コイル中心磁場　（T）

蓄積

エネ

ルギ

ー　

（ｋJ)

限流器GA他

MRIOxford他

7.1Tﾏｸﾞﾈｯﾄ住電

7.25TﾏｸﾞﾈｯﾄASC

3.5Tﾏｸﾞﾈｯﾄ住電

金材研・日立

パルスマグネット九大・九州電力・富士電機

μ-SMESASC

R&Dコイルの実績

本Pjの成果

コイル中心磁場と蓄積エネルギー

Bo=1.4T, E=1014 kJ ( I=210A)

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磁気浮上式鉄道用超電導磁石

山梨実験線延線決定：１８ｋｍ→４３ｋｍＪＲ東海殿提供

SRL　HP　A

SRL　HP　B

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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

冷凍機冷却超電導マグネット

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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

Ｎｂ３Ｓｎコイル ×４

ＮｂＴｉコイル ×１

（３電源方式）

• 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

• GM冷凍機： ２台

（シールド用）

GM冷凍機 GM-JT冷凍機

提供：東北大学殿

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ハイブリットマグネット　（ＮＩＭＳ）

ハイブリットマグネットとして３７．３Ｔの世界高磁場を達成（１９９９．９）

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冷凍機直冷式超電導マグネット

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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

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