[論文レビュー] Racetrack coils made of high-temperature superconducting Bi-2212 Rutherford cable operating in a stable and predictable behavior at >8 kA and a wire current density more than 1000 A/mm2

Tengming Shen, Jianyi Jiang+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2018

Superconducting Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ナノスプレー処理を施した多ファイラー・バイ-2212ワイヤを用いて作製された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バイ-2212ラセートルックコイルが、安定的かつトレーニングクエンチを伴わない運転を実現したことを示している。4.2 Kで8.6 kA、3.5 Tの磁界を発生させ、ワイヤの電流密度は1020 A/mm²に達した。クエンチ行動は予測可能で、1 mを超える長さにわたり高磁界領域に限定され、信頼性の高い保護が可能となり、クエンチ予測可能なHTS磁石の新しいパラダイムを確立した。

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

• ニッケルチタン（Nb-Ti）およびニッケルスズ（Nb3Sn）に比べ、臨界電流密度とクエンチ安定性に制限がある高臨界温度超伝導体（HTS）を用いた高磁界超伝導磁石の開発を目的とする。
• 従来のHTS磁石における予測不能なクエンチ行動や長時間のトレーニングサイクルの課題を解決し、長尺導体において安定的かつ信頼性の高い性能を実現することを目的とする。
• バイ-2212ラファーディアケーブルが、トレーニングクエンチを伴わず、高い電流密度と安定した運転を達成できることを実証し、実用的な高磁界磁石応用を可能とすることを目的とする。
• バイ-2212を基盤とするクエンチ予測可能で等方的かつキロメートル長のワイヤでスケーラブルな超伝導磁石の新しい設計パラダイムを確立することを目的とする。

提案手法

• ナノスプレー粉末処理により作製された多ファイラー・バイ-2212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を製作した。この処理により、臨界電流密度が向上した。
• これらのケーブルを用いてラセートルックコイルを巻き取り、4.2 Kで電流を徐々に増加させながら性能とクエンチ行動を評価した。
• ピーク磁界として3.5 Tを達成し、ワイヤの電流密度は1020 A/mm²に達した。また、30 Tで臨界電流密度が950 A/mm²に達した。
• 空間的に分解能の高い温度センサーを用いてクエンチ特性をモニタリングし、クエンチの発生および伝播行動を特定した。
• 熱的安定性を評価するため、フラックスフローから熱的ランアウェイへの遷移を分析し、一貫性と予測可能性に注目した。
• クエンチ行動を、従来のNb-Ti、Nb3SnおよびREBCO磁石と比較することで、クエンチの発生位置と予測可能性における差を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイ-2212ラファーディアケーブルは、高電流密度および高磁界下で安定的かつトレーニングクエンチを伴わない運転を達成できるか？
• RQ2 バイ-2212磁石におけるクエンチはどこで発生するのか？他のHTS材料と比較してその位置は予測可能か？
• RQ3 長尺バイ-2212多ファイラー・ワイヤをラファーディアケーブルに組み込む場合に、実現可能な最大ワイヤ電流密度はどの程度か？
• RQ4 バイ-2212磁石のクエンチ行動は、Nb-Ti、Nb3SnおよびREBCO磁石と比較して、空間的局在性および熱的ランアウェイの挙動においてどのように異なるか？
• RQ5 バイ-2212ワイヤの等方的で丸形の多ファイラー構造は、長時間のトレーニングサイクルを要せず、スケーラブルかつ信頼性の高い高磁界磁石の構築を可能にするか？

主な発見

• バイ-2212ラセートルックコイルは、4.2 Kでピーク電流8.6 kAを達成し、3.5 Tの磁界を発生させ、ワイヤの電流密度は1020 A/mm²に達した。
• 全ワイヤ臨界電流密度は、30 Tおよび4.2 Kで記録的な950 A/mm²に達し、長尺多ファイラー・ワイヤとしての高い性能を示した。
• 電流上昇中にトレーニングクエンチは観察されず、これはNb-TiおよびNb3Sn磁石に一般的な長時間のトレーニングサイクルを伴わない安定的かつ信頼性の高い運転を示している。
• クエンチは、1 mを超える長さにわたり常に高磁界領域から発生し、クエンチの検出および保護が予測可能になった。
• クエンチ行動は安定的かつ予測可能であり、局所的な弱い部分ではなく、広範囲にわたって一様に熱的ランアウェイが発生した。
• バイ-2212磁石は、Nbベースの超伝導体よりもエネルギーの擾乱に対する耐性が高く、クエンチ予測可能でスケーラブルな高磁界磁石の新しいパラダイムを実現した。