HL向けの新しい超電導技術

CERN での二ホウ化マグネシウムケーブルや高輝度 LHC 用のその他の高度な超電導システムの開発も、基礎研究を超えた応用を推進しているとアマリア バッラリーノ氏は説明します。

高温超伝導の時代は、1986 年に IBM 研究者のゲオルグ・ベドノルツ氏とアレックス・ミュラー氏によるランタンバリウム銅酸化物における超伝導の発見により始まりました。 この発見は革命的でした。この新しい脆い超電導化合物は、一般に絶縁体であるセラミック酸化物のファミリーに属しているだけでなく、これまでに記録された最高の臨界温度（従来の超電導体では約 18 K であったのに対し、最大 35 K）を持っていました。 ）。 その後数年、科学者たちは他の銅酸化物超伝導体 (ビスマス-ストロンチウム-銅酸化物とイットリウム-バリウム-銅酸化物) を発見し、液体窒素の沸点である 77 K を超える温度で超伝導を達成しました (「熱が上昇している」図を参照)。 安価で豊富な不活性液体窒素を使用して超電導システムを動作させる可能性は、超電導コミュニティに多大な熱意を引き起こしました。

社会に大きな影響を与える可能性のある高温超伝導材料のいくつかの応用が研究されました。 その中で、超電導送電線は、大規模電力送電のための革新的かつ効果的なソリューションとして認識されました。 超電導送電の独特の利点は、大容量、非常にコンパクトな体積、および低損失です。 これにより、エネルギーを節約しながら、狭いチャネルで低電圧および中電圧で最大数十GWの電力を持続的に伝送することが可能になります。 実証機は業界および公益企業と協力して世界中で建設されており、そのうちのいくつかは国内の電力網での運用に成功しています。 しかし、この技術の広範な採用は、銅酸化物超電導体のコストによって妨げられてきました。

素粒子物理学では、超電導磁石により、高エネルギービームが衝突型加速器内を循環し、より高い衝突エネルギーを処理できる検出器に強力な磁場が提供されます。 LHC はこれまでに製造された最大の超電導マシンであり、高温超電導体を大規模に採用したのも初めてです。 高輝度のアップグレードと将来の衝突型加速器の可能性の実現により、次世代超電導材料の使用が促進され、その用途は基礎研究をはるかに超えています。

高温超電導 (HTS) は、LHC の概念研究が進行中に発見されました。 新しい材料はまだ開発段階にありましたが、送電用途における HTS の可能性はすぐに認識されました。 LHC 磁石 (超流動ヘリウムで冷却された従来の超電導体ニオブ チタンをベースとする) に電力を供給するには、室温で生成された約 3.4 MA の電流を極低温環境の内外に伝達する必要があります。 これは電流リードと呼ばれる装置を介して行われ、そのうち 3000 台以上のユニットが LHC の周囲のさまざまな地下の場所に設置されています。 蒸気冷却金属導体をベースにした従来の電流リード設計では、液体ヘリウムへの熱の漏洩に下限（約 1.1 W/kA）が課せられます。 HTS BSCCO 2223 (ビスマス-ストロンチウム-カルシウム銅酸化物セラミック) テープの採用により、4.5 ～ 50 K の温度範囲で LHC 電流リードで動作し、熱伝導と抵抗散逸を解消することができました。 学際的な研究開発の成功とそれに続くCERNでのプロトタイピング、そして2004年に始まった約1100台のLHC HTS現行リードの連続生産による工業化により、資本と運用の両方の節約がもたらされました（追加のクライオプラントが不要になり、約5000 l/hの経済性が実現しました）液体ヘリウム）。 また、BSCCO 2223 電流リード技術の広範な採用も促進されました。たとえば、ITER トカマクの磁気回路では、HTS 電流リードの開発と設計に関する CERN との協力協定を通じて恩恵を受けています。