超伝導の技術的応用

超伝導 の技術的応用には以下のものがあります。

• SQUID（超伝導量子干渉素子）をベースにした高感度磁力計の製造
• 高速デジタル回路（ジョセフソン接合や高速単一磁束量子技術に基づくものを含む）
• 磁気浮上式鉄道、磁気共鳴画像診断装置（MRI）や核磁気共鳴装置（NMR）、磁気閉じ込め核融合炉（トカマクなど）、粒子加速器で使用されるビームステアリングおよび集束磁石などに使用される強力な超伝導電磁石
• 低損失電力ケーブル
• RF およびマイクロ波フィルター(例:携帯電話基地局、軍用超高感度/選択受信機用)
• 高速故障電流制限装置
• 遷移端センサー、超伝導ボロメータ、超伝導トンネル接合検出器、運動インダクタンス検出器、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器などの高感度粒子検出器
• レールガンとコイルガンの磁石
• 電気モーターと発電機^[1]

超伝導の最大の用途は、磁気共鳴画像法 (MRI) や核磁気共鳴法 (NMR) に必要な、大容量で安定した高強度の磁場を生成することです。これは、オックスフォード インストゥルメンツやシーメンスなどの企業にとって数十億ドル規模の市場です。低温超伝導体(LTS)の磁石は通常、低温超伝導体を使用します。これは、低温超伝導体では、LTS 機器を液体ヘリウム温度まで冷却する必要があるにもかかわらず、必要とされる高く安定した大容量の磁場を費用対効果の高い方法で提供できるほど安価ではないためです。超伝導体は、高磁場科学用磁石にも使用されます。

大型ハドロン衝突型加速器などの粒子加速器には、大量のLTSを必要とする高磁場電磁石が多数含まれることがあります。LHCの磁石を建設するには、5年間で世界のニオブチタン線生産量の28％以上が必要であり、LHCの巨大な実験検出器の磁石にも大量のNbTiが使用されました。^[2]

従来の核融合装置（JET、ST-40、NTSX-U、MAST）は銅のブロックを使用しています。これにより磁場は1～3テスラに制限されます。2024～2026年には、いくつかの超伝導核融合装置が計画されています。これには、ITER、ARC、次期バージョンのST-40が含まれます。高温超伝導体を追加することで、新世代のトカマクの磁場が1桁向上するはずです（10～13テスラ）。^[3]

高温超伝導体（HTS）のこれまでの商業的応用は、これまでに発見された材料の他の特性によって制限されてきました。HTSは、超伝導温度まで冷却するために液体ヘリウムではなく、液体窒素のみを必要とします。しかし、現在知られている高温超伝導体は脆いセラミックであり、製造コストが高く、ワイヤーやその他の有用な形状に成形するのは簡単ではありません。^[4] そのため、HTSの用途は、次のような他の固有の利点がある場合に限られています。

• LTSデバイス用の低熱損失電流リード（低熱伝導率）
• RFおよびマイクロ波フィルター（RFに対する耐性が低い）、および
• 専門的な科学用磁石、特にサイズと電力消費が重要な用途（これらの用途では HTS ワイヤは LTS ワイヤよりもはるかに高価ですが、相対的なコストと冷却の利便性によって相殺できます）での使用が増えています。また、磁場を段階的に変化させる機能が求められます（HTS の動作温度範囲がより高く広いため、磁場の変化をより速く管理できます）。あるいは、冷媒を使用しない動作が求められます（LTS では一般に液体ヘリウムが必要ですが、これはますます不足し、高価になっています）。

HTSは、NMRやMRIシステムを含む科学・産業用磁石に応用されています。現在、各カテゴリーで商用システムが利用可能です。^[5]

また、HTS の本質的な特性の 1 つは、LTS よりもはるかに高い磁場に耐えられることです。そのため、液体ヘリウム温度での HTS は、LTS 磁石内の非常に高い磁場インサートとして研究されています。

将来有望な産業および商業用 HTS アプリケーションには、誘導加熱器、変圧器、故障電流制限装置、電力貯蔵、モーターと発電機、核融合炉 ( ITER を参照)、磁気浮上装置などがあります。

初期のアプリケーションでは、小型化、軽量化、または電流を迅速に切り替えられる機能 (故障電流リミッター) の利点が追加コストを上回ることになります。長期的には、導体価格が下がるにつれて、HTS システムはエネルギー効率の理由だけでも、はるかに幅広いアプリケーションで競争力を持つようになるはずです。(電力システムにおける HTS 技術の現状と、第 2 世代導体の開発状況に関する比較的技術的で米国中心の見解については、「Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review」を参照してください。)

ホルブルック超伝導プロジェクト（別名LIPAプロジェクト）は、世界初の量産型超伝導送電ケーブルを設計・構築するプロジェクトだった。このケーブルは、ロングアイランド電力公社（LIPA）によって2008年6月下旬に運用が開始され、2年間運用された。ロングアイランド郊外の変電所には、2,000フィート（600メートル）の地下ケーブルシステムが敷設されている。このケーブルシステムは、液体窒素で−371°F（−223.9°C、49.3K）に冷却されたアメリカンスーパーコンダクター社製の約99マイル（159km）の高温超伝導線で構成されており、^{[疑わしい–議論する]}追加電力の供給コストを大幅に削減している。^[6]さらに、このケーブルの敷設により、架空送電線に関する厳格な規制を回避し、架空送電線に関する国民の懸念^{[どの懸念？ ]に対する解決策が提示された。 [7] [検証に失敗した]}

トレス・アミガス・プロジェクトは、 2009年に東部相互接続、西部相互接続、テキサス相互接続間の電気HVDC 相互接続として提案されました。^[8]これは、3つの米国の電力網間で5ギガワットの電力を転送できる、超伝導電気ケーブルの複数マイルの三角形の経路となることが提案されました。このプロジェクトは、東部相互接続がプロジェクトから撤退した2015年に失効しました。建設は開始されませんでした。^[9]

ドイツのエッセンには、世界最長の1キロメートルの超伝導電力ケーブルが製造されている。これは10kVの液体窒素冷却ケーブルである。このケーブルは同等の110kVの通常のケーブルよりも小さく、電圧が低いため変圧器も小さくなるという利点もある。^{[10] [11]}

2020年、ドイツのフェルデにあるアルミニウム工場は、量と材料の需要が少ないことを利点として、200kAのケーブルに超伝導体を使用する計画を発表しました。^{[12] [13]}

二ホウ化マグネシウムは、長さあたりの電流容量あたりのコスト（コスト/（kA*m））の点で、BSCCOやYBCOよりもはるかに安価な超伝導体であり、LTSと同程度であり、この基準で言えば、多くの製造されたワイヤはすでに銅よりも安価です。さらに、MgB _{2 は}LTSよりも高い温度で超伝導します（臨界温度は39 Kであるのに対し、NbTiは10 K未満、Nb ₃ Snは18.3 Kです）。そのため、10～20 Kで無冷媒磁石や、最終的には液体水素で使用できる可能性があります。^[要出典]ただし、MgB _{2 は}これらの高温で耐えられる磁場に制限があるため、より高い磁場の用途で競争力を発揮するにはさらなる研究が必要です。

超伝導材料を短時間磁場にさらすと、磁場を閉じ込めて発電機などの機械に使用することができます。用途によっては、従来の永久磁石に代わる可能性があります。^{[14] [15] [16]}