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、銅酸化物超伝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。

2001 年に二ホウ化マグネシウム (MgB2) で超電導が発見されたことにより、HTS アプリケーションに対する新たな熱意が生まれました。 この材料は中温超伝導体として分類されており、顕著な特徴を持っています。ニオブチタンよりも約 30 K 高い臨界温度 (39 K)、高い電流密度 (これまで低磁場および中磁場で)、そして決定的に重要な点が特徴です。 、長い（km）長さの丸い多芯ワイヤとして工業的に生産することができます。 これらの特性と、他の利用可能な HTS 材料よりも本質的にコストが低いため、電気用途の有望な候補となっています。

LHC では、電流リード線は 8 つの直線セクションにあります。 2029 年に稼働予定の LHC の高輝度アップグレード (HL-LHC) では、LHC トンネル上の新しい放射線のない地下技術ギャラリーに電力変換器を設置することが決定されました。 電力変換器と HL-LHC 磁石の間の距離は約 100 m に及び、テクニカル ギャラリーと LHC トンネルを接続する 8 m の立坑を経由する垂直経路が含まれます。 このような距離にわたって大電流を伝送する必要があること、コンパクトさの必要性、エネルギー効率と潜在的な節約の追求により、それを可能にする技術として HTS 伝送が選択されました。

HL-LHC 電流リードと磁石の間の極低温での電気接続は、MgB2 技術に基づく超電導リンクを介して実行されます。 MgB2 ワイヤは、0.6 kA ～ 18 kA の範囲の電流を転送するために、さまざまなレイアウトのケーブルに組み込まれています。 次に、個々のケーブルはコンパクトなアセンブリに配置され、HL-LHC 内部トリプレット (ATLAS および CMS で衝突前に陽子ビームの最終的な集束を提供する一連の四重極磁石) またはHL-LHC マッチング セクション (円弧内の光学系を最終焦点四重極の入口の光学系に一致させる)、および最終ケーブルは外径 220 mm までの柔軟なクライオスタットに組み込まれています。 8つのHL-LHC超電導リンクは長さ約100mで、ヘリウムガスによる極低温冷却により、最大25Kの温度でトリプレットに約120kA、整合セクションに50kAの電流を伝達します。

HL-LHC 超電導リンクの研究開発プログラムは、MgB2 導体の評価と反応後のケーブル配線を可能にする機械的特性を備えた丸線の開発を産業界と協力して 2010 年頃に始まりました。 HL-LHC 四重極で使用され、将来の高磁場磁石の研究も行われている Nb3Sn などの脆い超電導体は、最終構成で組み立てた後に高温での熱処理を介して超電導相に反応させる必要があります。 言い換えれば、これらの導体は、ケーブル配線と巻き付けが行われるまでは超電導になりません。 研究開発プログラムが開始されたとき、産業用 MgB2 導体はマルチフィラメント テープの形で存在し、ASG 超伝導体によって数百アンペアの電流を輸送する産業用オープン MRI システムで使用することに成功しました。 HL-LHC は、コンパクトな構成で複数の回路に合計最大 120 kA の電流を転送する必要があり、ワイヤとケーブルの両方に均一な電流分布を提供するために必要な複数のツイストと転置のステップを伴うため、最適化された多芯丸線。

ASG 超電導体と共同で実施されたこの開発は、MgB2 超電導フィラメントの周囲に薄いニオブ バリアを導入して、周囲のニッケルから MgB2 を分離し、電気機械的性能を損なう脆い MgB2-Ni 反応層の形成を回避しました。 電流能力を高めるために高純度のホウ素粉末を採用。 機械的特性を向上させるために、直径 1 mm のワイヤ内のモネル (ワイヤの主成分として使用されるニッケル銅合金) の割合を最適化しました。 電気機械特性の利点を得るために、フィラメントのサイズ（約55μm）と撚りピッチ（約100mm）を最小化する。 モネルマトリックスの周りに銅安定剤を追加します。 また、ワイヤの表面品質を確保し、ケーブルに組み立てたときのワイヤ間の電気抵抗（素線間抵抗）を制御するために、銅に錫銀をコーティングします。 すべての改良点を連続的に実装し、詳細な実験で検証した後、必要な電気機械特性を備えた堅牢な直径 1 mm の MgB2 ワイヤが製造されました。

次のステップは、より大きなビレット (その後押し出されて長いワイヤーに引き抜かれる組み立てられた複合ロッド) を使用して、長い単位長さの MgB2 ワイヤーを製造することでした。 目標単位長数キロメートルは、ワイヤの連続調達が開始された2018年に達成されました。 並行して、さまざまなケーブル レイアウトが開発され、CERN で検証されました。 これには、定格 3 kA および 25 K で 18 kA の同軸構成の丸型 MgB2 ケーブルが含まれています (「複雑なケーブル配線」の図を参照)。 CERN で作成されたプロトタイプは長さが 20 ～ 30 m でしたが、ケーブルのレイアウトには最初から、従来のケーブルに使用されているタイプの産業用ケーブル配線機械による生産を可能にする特性が組み込まれていました。 ワイヤとケーブルの開発と並行して、スプライス技術、検出および保護の側面にも取り組みました。 どちらの技術も超電導体の特性に大きく依存しており、最終システムの信頼性にとって非常に重要です。

CERN で製造された 20 kA MgB2 ケーブル（長さ 20 m が 2 本接続されたもの）の 24 K での最初の認定は、2014 年に行われました。これは、CERN での短いモデルのケーブルやその他の技術的側面、および構造の認定に続きました。専用のテストステーションにより、ヘリウムガスの強制流中で高温で動作する長いケーブルの測定が可能になります。 その後、ケーブルは ICAS との契約により TRATOS Cavi で工業生産され、緊密かつ実りある協力のもと、重工業機器を運用しながら、研究開発段階で特定された要件を実現することができました。 最終的なケーブルが複雑なため、さまざまなケーブル配線、編組線、電気絶縁線を使用する多段階のプロセスと、対応する品質保証プログラムの実装が必要でした。 長さ 60 m の最初の産業用ケーブルは、2018 年に CERN で正常に認定されました。HL-LHC に必要なタイプの最終プロトタイプ ケーブル (トリプレットとマッチング セクションの両方) は、量産が開始された 2020 年に CERN で検証されました。最終ケーブルが発売されました。 本日の時点で、約 1450 km の MgB2 ワイヤの全シリーズ（この材料の最初の大規模生産）と、HL-LHC に必要な最終 MgB2 ケーブル 8 本のうち 5 本が製造されました。

水素を使用すると、エネルギー変換時の温室効果ガスの排出と環境汚染が大幅に削減されるため、エネルギー源を多様化できます。

超電導線材とケーブルは超電導システムの中核ですが、システム自体も全体的な最適化が必要であり、これは統合設計によって実現されます。 このアプローチに続く課題は、極低温性能が強化された超電導リンク用の長くて柔軟なクライオスタットを産業界で調査および開発することでした。 目標は、システムの冷却を簡素化し、システムの冷却を簡素化し、中間サーマルスクリーンのない二層クライオスタットの設計を採用しながら、超電導ケーブルの極低温ボリュームへの低い静的熱負荷 (< 1.5 W/m) を達成することでした。リンクの機械的柔軟性が向上し、輸送や設置時の取り扱いが容易になります。 この開発はワイヤおよびケーブルの活動と並行して行われ、望ましい結果が得られ、CERN での大規模なテスト キャンペーンを経て、開発されたテクノロジーが採用されました。 これらのクライオスタットの連続生産は、オランダのクライオワールドで行われています。

最適化されたシステムは、超電導リンクが電流リード線の抵抗セクションを冷却し、必要な温度 (約 20 K) にするのに十分な量のヘリウム ガスをトンネルから技術ギャラリーに移送することで、冷却の極低温コストを最小限に抑えます。リードが最適化されます。 言い換えれば、超電導リンクはシステムの冷凍に極低温コストを追加しません。 最大 120 kA の電流定格を持つリンクは、従来の電力ケーブルと同様に、直径約 4 m のドラムに乗せて輸送するのに十分な柔軟性があり、設置中に大がかりな工具を使わずに手動で引っ張ることができます (「kA 電流」を参照) " 画像）。 極低温まで冷却されると約0.5メートル縮む超電導リンクの熱収縮に対処するという課題にも取り組んだ。 曲がりを利用し、現在のリードクライオスタットの固定位置と互換性のある革新的なソリューションが、プロトタイプのテストで検証されました。

MgB2 ケーブルは、LHC トンネル内の 4.5 K 液体ヘリウム環境から HL-LHC の新しい地下ギャラリーの約 20 K まで高直流電流を伝送しますが、電流を 20 K から 50 K に伝送するには、抵抗が大きい超電導材料が必要です。電流リードの一部によりブリッジが室温になります。 システム要件に対処するために、REBCO (希土類バリウム銅酸化物) HTS 超電導テープ (LHC 研究の時点ではまだ開発段階にある材料) をベースにした新しい HTS 電流リードが考案され、構築され、性能を保証されています。このタスク (「ギャップを埋める」の画像を参照)。 コンパクトな丸い REBCO ケーブルは、短い (数メートルの長さ) で MgB2 から 50 K までの電気伝達を保証し、その後、電流リードの抵抗部分が最終的に電流を室温に戻します。 REBCO 導体の取り扱いの複雑さを考慮して、CERN で対応する研究開発が行われ、複雑な専用ケーブル配線機械も構築されました。

REBCO テープは業界から調達されていますが、ケーブルの開発中には多くの課題に直面しました。 テープ導体に関連する特定の問題、たとえば、テープ内部の電気抵抗や、はんだ付け時に適用される温度やサイクルに対する電気的特性の依存性が特定され、テープメーカーと協力して解決されました。 ケーブル接続後のテープの臨界電流劣化をゼロにする保守的なアプローチが導入されました。 この開発から学んだ教訓は、将来の加速器磁石用の高磁場 REBCO コイルの開発など、REBCO 導体を使用する将来のプロジェクトにも役立ちます。

HL-LHC 冷間発電システムの直列コンポーネント (対応する終端を備えた超電導リンク) は現在生産中であり、2025 年までにすべてのシステムが利用可能になり、その後数年間に LHC 地下エリアに設置できるよう認定されることを目指しています。 大量生産と工業化は、CERN での研究開発と技術検証の完了に先立って行われました。 重要なマイルストーンは、2019年に一対の新しいREBCO電流リード線に接続されたサブスケール18kA超電導リンクのテストと、LHCトリプレットに必要なタイプの全断面、長さ60mの超電導線路のテストであった。一致するセクションについては、両方とも 2020 年に行われます。

超電導リンクの複雑な終端には、20 K 側に HTS 電流リードと REBCO ケーブルと MgB2 ケーブルの間のスプライス、および 4.2 K 側にニオブチタンと MgB2 ケーブルの間のスプライスを含む 2 種類のクライオスタットが含まれます。ケーブル。 設計における具体的な開発は、HL-LHC の地下エリアに設置する前に、コンパクト性を高め、クライオスタットと地表の超電導リンクへの電流リード線との接続を可能にすることでした (「ラインの終わり」の図を参照)。 2 つのクライオスタット終端の連続生産は、サウサンプトン大学およびウプサラ大学との協力協定を通じて行われています。

超電導リンクの採用による電流リードの置き換えは、多くの利点をもたらします。 これには、メインコライダーリングの貴重なスペースを解放して他の加速器機器に利用できるようにすることや、電力供給装置や関連電子機器を放射線のない場所に設置できることが含まれます。 後者は、ハードウェアの耐放射線性要件を緩和し、加速器の動作中に必要なさまざまな介入を実行するための職員のアクセスを容易にします。

低密度ヘリウムガスによる冷却により、垂直方向の長い距離にわたる電気伝達も可能になります。 したがって、最初にHL-LHCで研究されたように、地下トンネルから地上の建物に大電流を伝達する能力は、CERNで提案されている将来の円形衝突型加速器などの将来の機械にとって興味深いものです。 柔軟な超電導リンクは、提案されている CLIC や ILC などのリニアコライダーにおける検出器の「プッシュプル」配置にも適用できます。その場合、柔軟な電力供給線の採用により、同じ相互作用領域を共有する実験の交換が簡素化され、時間を短縮できます。 。

超伝導は物理学の基礎研究を超えて、長距離にわたるGW単位の電力の伝送を可能にする技術です。 主な利点は、比類のないほど高い電力伝送に加えて、小型、低い総電気損失、最小限の環境影響、より持続可能な伝送です。 HTS は、約 1000 kV に達する電圧で数千キロメートルにわたって運用されている抵抗性の高圧架空送電線を、設置面積が削減された地下に敷設された低電圧送電線に置き換える可能性を提供します。

水素冷却 MgB2 超電導リンクを使用した長距離送電は、再生可能エネルギー源と関連する可能性があり、将来の持続可能なエネルギー システムに向けた主要な方法の 1 つとして認識されています。 水素は 20 K (MgB2 が超伝導になる温度) で液体であるため、大量に貯蔵して超伝導線の冷却剤として使用することができ、エネルギーベクトルと寒剤として同時に作用します。 この方向で、CERN は、HL-LHC 超電導リンク開発の非常に初期の段階で、ポツダムの先端持続可能性研究研究所 (IASS) の科学ディレクターであるカルロ・ルッビア氏が立ち上げたプロジェクトに参加しました。 約 10 年前、CERN と IASS の共同研究は、液体水素温度で動作する最初の 20 kA MgB2 送電線の記録実証で最高潮に達しました。 この活動は、BestPaths と呼ばれるヨーロッパのイニシアチブで継続され、20 K のヘリウム ガス中で動作するモノポール MgB2 ケーブル システムが実証されました。これは、CERN において 320 kV 動作および 10 kA での業界認定を受け、3.2 GW の送電能力が証明されました。 この取り組みには、ヨーロッパの産業界とフランスの送電システム事業者が参加しました。 イタリアでは、INFN が最近、同様のテクノロジーに基づいた IRIS と呼ばれるプロジェクトを立ち上げました (CERN Courier 2023 年 1 月/2 月の p9 を参照)。

低損失で環境への影響を最小限に抑えながら長距離にわたって電力を伝送することに加えて、高性能、低コスト、持続可能で環境に優しいエネルギー貯蔵および生産システムの開発は社会にとって重要な課題です。 水素を使用すると、エネルギー変換時の温室効果ガスの排出と環境汚染が大幅に削減されるため、エネルギー源を多様化できます。 航空業界では、CO2 排出量を削減し、ゼロエミッション飛行に向けて代替推進システムが研究されています。 電気推進をより大型の航空機にスケールアップすることは大きな課題です。 超電導技術は、配電システムの質量を大幅に削減しながら、推進チェーンの電力密度を高めることができるため、有望なソリューションです。 これに関連して、最近、CERN とエアバス アップネクストの間で協力協定が締結されました。 HL-LHC超電導リンク技術を使用するSCALE（Super-Conductor for Aviation with Low Emissions）と呼ばれる航空機内の超電導配電の実証機の建設が最近CERNで開始された。

超電導リンク技術における CERN の培った経験は、大規模データセンターにとっても興味深いものであり、CERN と Meta の間の協力協定が議論されています。 サーバーから離れた場所にエネルギー機器を配置できること、コンパクトな体積で大電力を効率的に伝送できること、二酸化炭素排出量を削減することで持続可能性の目標を達成できることなどにより、超電導送電の可能性を考慮して従来のシステムを世界的に再評価する動機となっています。

このような応用は、基礎研究と応用研究の間の好循環を示しています。 素粒子物理学研究における基礎探査の要件により、ますます強力で洗練された加速器の開発が行われてきました。 この取り組みでは、科学者とエンジニアは、特定の課題に対処するために当初考えられた開発に従事します。 これには多くの場合、プロトタイプを大規模なアプリケーションに対応できる成熟したテクノロジーに変換するために、学際的なアプローチと業界との協力が必要です。 加速器技術はイノベーションの主要な推進力であり、社会に広範な影響を与える可能性があります。 HL-LHC プロジェクトの超電導リンク システムはその好例です。