特許 環境エネルギーナノマテリアル、材料 目標7.エネルギーをみんなにそしてクリーンに目標13.気候変動に具体的な対策を 理学研究科
ハイエントロピー型高温超伝導体～核融合応用に向け照射耐性を飛躍的に向上～／ High Entropy Superconductor~Irradiation-tolerance HTS(REBCO)~
掲載日：
核融合、超伝導、ハイエントロピー、耐照射 ／Nuclear fusion, Superconductor, High entropy, Irradiation
どんなシーズなの？
■耐照射性の向上を確認
本発明は、銅酸化物超伝導体REBCOにハイエントロピー化の概念を取り入れたハイエントロピー型銅酸化物超伝導体（HE-type REBCO）に関するものです。
超伝導体に期待が寄せられている用途の一つに核融合炉に用いられる超伝導コイルが挙げられます。しかし、既存のREBCOやNb3Snなどの超伝導体は、超伝導性を発揮するための臨界温度Tcが、核融合反応により発生する中性子線の照射によって低下してしまうという課題がありました。
本発明のHE-type REBCOでは、Heイオン照射前後の臨界温度Tcを比較したところ、わずか1Kの低下に抑えられることを発見しました(英文下・図1) 。なお、同条件での比較例として従来型のYBCOでは13Kの低下が見られました。
■高臨界電流密度Jcの実現可能性
核融合炉をはじめとする超伝導体の活用においては、臨界電流密度Jcが重要な性能となります。
本発明者は、さらなる耐照射性や臨界電流密度Jcの性能向上を目指し、ハイエントロピー化に際してレアアースサイトに導入する元素の種類、量等を制御因子として材料の最適化を行っています。加えて、HE-type REBCOの材料自体の開発に囚われず、他の様々な材料と組み合わせることで同性能向上を目指すような複合的研究も行っています。
現時点で、従来型REBCOよりも遥かに高臨界電流密度Jcを示すHE-type REBCOの開発に成功しています(英文下・図2)
※材料の詳細は未公開のためお問合せ下さい。
Summary of this Invention
■Tolerance of the Irradiation
This invention relates to High-entropy type Cu-oxide superconductor (hereinafter ; HE-type REBCO), incorporates the concept of high-entropy(HE) into the RE site.
One of the applications expected of superconductors is superconducting coils used in fusion reactors. However, superconductors such as Nb3Sn, which are currently used in ITER, have a problem that the critical temperature(Tc) is dropped by irradiation of neutron rays generated by nuclear fusion reactions.
In the HE-type REBCO, when comparing Tc before and after He ion irradiation, it was found that Tc drop was suppressed to only 1K, in the comparative example YBCO was 13K (Fig.1).
■Potential of high Jc
In the use of superconductors, including fusion reactors, the critical current density 𝐽𝑐 is an important performance metric. We aim to further improve irradiation tolerance and the performance of the critical current density 𝐽𝑐 by optimizing the material type and amount of elements introduced into the rare-earth sites and so on.
Additionally, we are also conducting comprehensive research by combining HE-type REBCO with various other materials. At present, we have successfully developed HE-type REBCO with a significantly higher critical current density 𝐽𝑐 than conventional REBCO (Fig.2) (For details of the materials, please contact us as they are not publicly disclosed yet).
図１（左）：照射後のTcの比較、図２（右）：Jcの比較
Fig.1 (left) : comparison of Tc drop after irradiation, Fig.2 (right) : Jc of HE-type REBCO
こんなことに使える！
核融合スタートアップは、ITER国際核融合エネルギー機構が発足した2007年には5社程度でしたが、現在では100社を超え、大きな市場を形成しています。核融合発電の実用化にあたっては、高い経済性を得ることが重要となります。特に昨今、磁場閉込方式による核融合炉の小型化に向けた開発が盛んですが、小型化することによって照射防護壁を厚く・大きく設計することが難しくなり、超伝導体コイルや超伝導体の面積あたりの照射量が増加します。このような状況で、炉の稼働後すぐに超伝導体が照射ダメージによって超伝導特性を維持できなくなるのでは、とても経済性の低いシステムになってしまいます。高い耐照射性を有する本発明により、核融合炉内の重要な部品である超伝導コイルの寿命を飛躍的に伸ばすことができる可能性があります。
Uses of the Invention
In 2007, when the ITER Project was established, there were only about five fusion startups, and are now grown to more than 100, forming a large market.
Ensuring high economic efficiency is important for the practical application of fusion power generation. In recent years, miniaturizing fusion reactors is a attentional development theme. However, miniaturization makes it difficult to design thick and large irradiation protection walls, increasing the amount of irradiation per unit area of superconducting coils. In such a situation, the superconductors cannot persist their superconducting properties due to irradiation damage shortly after the reactor starts operating, and it will result in a very economically inefficient system.
This invention has the potential to significantly extend the lifespan of superconducting coils, which are one of the most essential components in fusion reactors.
こんな研究室です！
本発明者らは、HE-type REBCOの開拓を世界に先駆けて行ってきました。
現在、前述の通りHE-type REBCOのさらなる性能向上に取り組んでいますが、今後は本発明の実用化に向け、実際に求められる性能基準の特定とその達成を目指し、核融合炉メーカー、超伝導マグネットメーカー、超伝導線材メーカーや超伝導体材料メーカーの方々と共同開発を行うことを希望しています。
本発明の材料に興味を持っていただける方がおられましたら、共同開発に向けて協議させて頂きたく考えています。
なお、本研究室ではハイエントロピー化の概念を軸に、熱電変換材料など、超伝導体以外にも新物質・新機能材料の創出を目指しています。こちらについても産学連携による応用開発のお話を随時承っていますので、お気軽にお問い合わせください。
About our Laboratory
We have globally pioneered the development of HE-type REBCO. We hope to collaborate with fusion reactor manufacturers, superconducting magnet manufacturers, superconductor tape/wire manufacturers and superconductor material manufacturers to identify and achieve the requirement for the practical application of this invention. Anyone interested in this invention are welcome to discuss joint development.
Additionally, the lab aims to create new materials and new functional materials, not only superconductors but also other materials such as thermoelectric materials, based on the concept of high entropy alloying.
Please feel free to contact us.
研究者
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山下 愛智／YAMASHITA Aichi 助教
- 理学研究科
発明の名称
超伝導体及び超伝導体の製造方法
番号
PCT/JP2024/018667 etc.
関連文献
Fabrication of high-entropy REBa2Cu3O7−δ thin films by pulsed laser deposition
https://doi.org/10.35848/1347-4065/ac5b39