[論文レビュー] Stable, predictable operation of racetrack coils made of high-temperature superconducting Bi-2212 Rutherford cable at the very high wire current density of more than 1000 A/mm2

Tengming Shen, Jianyi Jiang+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2018

Superconducting Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ナノスプレイプロセスで処理された多フィラメントワイヤを用いて17ストランドのラファーディア・ケーブルから巻き取ったBi-2212ラセートルックコイルが、安定したクエンチフリー動作を示したことを実証しており、4.2 Kで950 A/mm²という記録的なワイヤ電流密度を達成し、3.5 Tで8.6 kAを維持した。高磁場領域において1 mを超える長さにわたり、予測可能で均一なクエンチ行動を示し、Nb-Ti や Nb3Snマグネットとは異なり、トレーニングクエンチなしの信頼性の高い性能を実現した。

ABSTRACT

High-temperature superconductors (HTS) could enable high-field magnets much stronger than is possible with Nb-Ti and Nb3Sn, but two key limiting factors have so far been the difficulty of achieving high critical current density in long-length conductors, especially in high-current cables, and the danger of quenches out of the superconducting into the normal state. Here we demonstrate stable, reliable and training-quench-free performance of Bi-2212 racetrack coils wound with a 17-strand Rutherford cable fabricated from wires made with nanospray Bi-2212 powder. These multifilament wires are now being delivered in single lengths of more than 1 km with a new record whole-wire critical current density up to 950 A/mm2 at 30 T at 4.2 K. These coils carried up to 8.6 kA while generating a peak field of 3.5 T at 4.2 K, at a wire current density of 1020 A/mm2. Quite different from the unpredictable training performance of Nb-Ti and Nb3Sn magnets, these Bi-2212 magnets showed no training quenches and entered the flux flow state in a stable manner before thermal runaway and quench occurred. Also quite different from Nb-Ti, Nb3Sn, and REBCO magnets for which localized thermal runaways occur at unpredictable locations, the quenches of Bi-2212 magnets consistently occurred in the high field regions over a conductor length greater than one meter. These characteristics make quench detection rather simple, enabling safe protection, and suggest a new paradigm of constructing quench-predictable superconducting magnets from Bi-2212, which is, like Nb-Ti and Nb3Sn, isotropic, round, multifilament, uniform over km lengths and suitable for Rutherford cable use but, unlike them, much more tolerant of the energy disturbances that often lead Nb-based superconducting magnets to premature quench and long training cycles.

研究の動機と目的

• 長尺かつ高電流ケーブルにおける高温超伝導体（HTS）の臨界電流密度を高めるという制限を克服すること。
• トレーニングおよび運転中の不安定さと予測不能なクエンチ行動を示すNb-TiおよびNb3Snマグネットの課題に対処すること。
• 高磁場用途に適したBi-2212ラファーディアケーブルを用いたクエンチ予測可能で安定した超伝導マグネット設計を開発すること。
• 1000 A/mm²を超えるワイヤ電流密度で信頼性の高いトレーニングクエンチフリー性能を実証すること。
• 等方的で丸形の多フィラメントBi-2212ワイヤを用いて、Rutherfordケーブル技術と互換性のある安全でスケーラブルなマグネット構造を実現すること。

提案手法

• ナノスプレイ粉末プロセスで作製された多フィラメントBi-2212ワイヤから17ストランドのラファーディアケーブルを製作した。
• ラファーディアケーブルを用いてラセートルックコイルを巻き、4.2 Kで高電流および高磁場条件下でテストした。
• 性能限界を評価するために、30 Tおよび4.2 Kにおける全ワイヤ臨界電流密度を測定した。
• ランプアップおよびランプダウン中のクエンチ行動をモニタリングし、安定性および予測可能性を評価した。
• クエンチ発生位置および伝播行動を分析し、空間的一致性および検出可能性を評価した。
• クエンチ特性をNb-Ti、Nb3Sn、およびREBCOマグネットと比較し、予測可能性および故障モードにおける差異を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi-2212ラファーディアケーブルは、1000 A/mm²を超えるワイヤ電流密度で安定したトレーニングクエンチフリー動作を達成できるか？
• RQ2 Bi-2212マグネットにおけるクエンチ行動は、空間的に一貫した局在化を示し、信頼性の高いクエンチ検出を可能にするか？
• RQ3 Bi-2212マグネットにおけるクエンチ発生は、Nb-TiおよびNb3Snマグネットで見られる予測不能な局在的熱的ランアウェイと比較してどのように異なるか？
• RQ4 4.2 Kおよび30 Tにおける長尺Bi-2212多フィラメントワイヤで達成可能な最大ワイヤ電流密度はどの程度か？
• RQ5 Bi-2212マグネットは、長時間のトレーニングサイクルなしに高磁場用途で信頼性高く動作可能に設計できるか？

主な発見

• Bi-2212ラファーディアケーブルは、4.2 Kおよび30 Tで記録的な全ワイヤ臨界電流密度950 A/mm²を達成した。
• コイルは4.2 Kで8.6 kAを維持し、ピーク磁界として3.5 Tを発生させ、ワイヤ電流密度は1020 A/mm²であった。
• トレーニングクエンチは観察されず、延長されたトレーニングサイクルなしの安定的で信頼性の高い動作を示した。
• クエンチは1 mを超える長さにわたり、高磁場領域で一貫して発生し、予測可能な検出が可能であった。
• クエンチ行動は均一で予測可能であり、Nb-TiおよびNb3Snマグネットで見られる局在的で予測不能な熱的ランアウェイとは対照的であった。
• Bi-2212ワイヤの等方的で丸形の多フィラメント構造により、Rutherfordケーブル構成で安定した性能が実現され、スケーラブルなマグネット構造に適していた。