核融合炉用超伝導ワイヤのエキシマー法による製造

課題

磁気核融合炉（トカマク型およびステラレーター型）、電力網（ケーブル、変圧器、その他の部品）、計測機器（加速器用磁石、NMR分光計、MRIシステム）などで使用される高温超伝導（HTS）線材（一般に「テープ」と呼ばれる）に対する需要が高まっています。 特に核融合炉では、極めて高い電流密度に対応するため、数千キロメートルに及ぶ大量のHTSテープが必要となる。初期のHTS製造法は生産量やコストに制約があり、対応可能な電流密度も限られていた。ファラデー・ファクトリー・ジャパンは、高磁場用途向けのHTSを大量かつ経済的に製造する方法を開発した。

解決策

They chose YBa2Cu3O7 (YBCO) as the superconducting material because it can handle a higher current density than other HTS materials. They then designed a multilayer tape utilizing a thin, strong Hastelloy substrate including layers of MgO and YBCO. A thickness of 2.4 μm was identified as optimum for the YBCO layer. The Faraday Factory Japan team decided to use pulsed laser deposition (PLD) powered by a 308nm excimer laser, to create the HTS layer because it is a well-proven method for depositing stoichiometric films (meaning that the composition of the original target material is preserved in the deposited film). This is important for high-field applications because Faraday Factory Japan had decided to load the YBCO target with an excess of Y2O3 to minimize defects and maximize current density. The Coherent LEAP 300C excimer laser was chosen as the PLD source for several reasons, according to Faraday Factory Japan’s Chief Executive Officer, Dr. Sergey Lee: “The LEAP 300C offers a unique combination of high (1 joule) pulse energy and 300 Hz repetition rate which gives us high throughput. Also, LEAP lasers have a well-established track record of 24/7 industrial reliability. This combination minimizes the true cost per laser watt and enables lower-cost, high-volume production of HTS wire.”

結果

このコスト効率に優れた手法により、ファラデー・ファクトリー・ジャパンは、SPARC核融合炉プロトタイプに使用される超伝導線の大部分を供給しました。これは、どのサプライヤーによるものであっても、これまでで最大規模の超伝導線供給となりました。また、独立した試験の結果、この超伝導線は高磁場条件下において優れた電流密度に耐えることが確認されました。

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