この記事で分かること

レアアースの代替技術：高温超電導体

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はダイレクト・半導体レーザーにに関する記事でしたが、今回はイットリウムの用途の一つである高温超電導体とは何か関する記事となります。

高温超電導体とは何か

　高温超電導体（High-Temperature Superconductor, HTS）とは、従来の金属系超電導体に比べてはるかに高い温度（主に液体窒素の沸点である -196℃ ）で超電導現象を示す物質の総称です。

　超電導状態になると、「電気抵抗が完全ゼロになる」特性と、内部から磁場を排除する「完全反磁性（マイスナー効果）」という2つの特異な性質が現れます。

従来（低温）超電導体との決定的な違い

　1980年代以前に知られていた金属系超電導体（ニオブチタンなど）は、絶対零度近くまで冷やさなければならず、極めて高価で希少な「液体ヘリウム」による冷却が必須でした。

　これに対し、高温超電導体は以下のような革新的なメリットを持ちます。

• 冷却コストとエネルギー消費の劇的な削減：安価で世界中に豊富に存在する「液体窒素（-196℃」や、小型の物理冷凍機での冷却が可能です。冷却運用コストを従来の数十分の1以下に抑えられます。
• 強力な磁場への耐性（高臨界磁場）：強い磁場の中に置かれても超電導状態が壊れにくいため、超強力な磁石（超電導マグネット）を作ることができます。

代表的な高温超電導材料

主に銅酸化物系（セラミックス）や鉄系の化合物が中心です。

• イットリウム系銅酸化物（YBCO: YBa2Cu3O(7-x）
  • イットリウム、バリウム、銅の酸化物で、約 -180℃で超電導を示します。初めて液体窒素の沸点（-196℃）を超えた歴史的材料です。
• ビスマス系銅酸化物（BSCCO）
  • 線材（テープ状の電線）への加工が比較的しやすく、産業用機器や超電導ケーブルへの実用化が進んでいます。
• 鉄系超電導体
  • 2008年に日本の研究グループによって発見された、鉄を含む化合物系材料です。高磁場での性能が高く、新しい実用材料として世界中で研究されています。

主な用途

• 核融合発電: 高温超電導マグネットを用いることで、プラズマを安定して強力に閉じ込める超強力な磁場を作ります。
• 超電導送電ケーブル: 送電中の発熱・電気抵抗ロスがゼロになるため、大容量のエネルギーをロスなく輸送できます。
• 医療用MRI・高磁場分析装置: 高価な液体ヘリウムを使わない、小型で導入しやすい医療機器・分析装置の開発が進んでいます。
• リニアモーターカー（磁気浮上列車）: 高性能な浮上・推進用磁石としての応用が進められています。

実用化に向けた課題

　高温超電導体の多くは「セラミックス（焼き物）」の性質を持つため、硬く脆（もろ）く、長くて柔軟な電線（線材）に加工するのが非常に難しいという課題があります。

　現在では、薄い金属テープの上に超電導体の薄膜を精密に結晶成長させるナノレベルの製造技術（薄膜線材化技術）によって、この問題の克服が進んでいます。

なぜ高温超電導体にイットリウムが使用されるのか

　高温超電導体、特に代表的なYBCO（Yttrium Barium Copper Oxide：イットリウム・バリウム・銅酸化物）においてイットリウム（Y）が使用される理由は、超電導が起きる結晶構造を安定させ、液体窒素の沸点（77 K / -196℃）を超える高い転移温度（Tc）を実現できるからです。

1. 液体窒素温度（77 K）を超える高い転移温度（Tc = 93 K）の達成

　イットリウムを導入する以前の初期の銅酸化物超電導体（ランタン系など）は、転移温度が 30〜40 K 程度でした。

　1987年にイットリウムを組み込んだ YBCO YBa2Cu3O(7-x）が開発されたことで、転移温度が一気に -180） まで飛躍し、高価な液体ヘリウムを使わず、安価な液体窒素（-196℃）での冷却運用が可能になりました。

2. 超電導層（CuO2面）を保持する「最適なイオン半径」

　超電導現象は、銅と酸素で構成される「CuO2面（超電導層）」を電子（ホール）が移動することで発生します。

　イットリウムイオン（Y³⁺）の大きさ（イオン半径：約 0.90Å）は、CuO2 面とバリウム（Ba）層の間に綺麗に収まるスペーサーとして理想的なサイズです。結晶格子に過剰な歪みを与えず、超電導層の平面性を最適に保ちます。

3. 超電導を邪魔しない「非磁性」と「固定された3価（+3）」の特性

イットリウム（Y³⁺）は最外殻電子を持たない閉殻構造で、非磁性です。

• 磁性の非干渉: 超電導状態は磁気（磁気モーメント）が存在すると破壊されやすい性質がありますが、イットリウム自体が磁気を持たないため超電導を妨げません。
• 価数の安定（+3）: イットリウムの価数が +3 に固定されているため、構造内の酸素量（x）を調整することで、超電導に必要なキャリア（電子の穴）の濃度を精密かつ再現性高く制御できます。

4. 強磁場に耐える「ピン留め効果」の形成

　イットリウム系超電導体（Y-123相）の製造過程では、微細な非超電導相（Y2BaCuO5/ Y-211相）を結晶内部に細かく分散させることができます。これが外部磁場からの磁束線を固定するピン留め中心（Flux Pinning Center）として働き、強磁場の中でも超電導状態が壊れず、大きな電流を流し続けることが可能になります。

高温超電導体でのイットリウムフリー技術にはどのようなものがあるのか

　高温超電導体（およびその周辺の高度超電導材料）におけるイットリウムフリー（イットリウム不使用・代替）技術には、代替する元素や材料構造の違いによって主に以下の4つのアプローチがあります。

1. REBCO系：他希土類への置換（GdBCO, SmBCO, EuBCO等）

結晶構造は保持したまま、イットリウム（Y）を他の希土類元素（RE）に置き換える技術です。

• GdBCO（ガドリニウム系） / SmBCO（サマリウム系）
  • イットリウムの代わりにガドリニウム（Gd）やサマリウム（Sm）を使用します。
• 特徴・メリット
  • YBCO（Tc = 93ｋ）に比べて転移温度がわずかに高く、特に強い磁場の中での超電導性能（臨界電流密度 Jc）がYBCOよりも優れているため、現在の超電導テープ・強磁場マグネットの主役に躍り出ています。

2. BSCCO系（ビスマス系銅酸化物：完全レアアースフリー）

　ビスマス（Bi）、ストロンチウム（Sr）、カルシウム（Ca）、銅（Cu）などで構成される超電導体（Bi-2212、Bi-2223）です。

• 特徴・メリット
  • イットリウムだけでなく、希土類（レアアース）を一切使用しません。転移温度が最大約 -163℃と非常に高く、銀で被覆して加工するテープ状線材の製造技術が早くから確立されています。
• 主な用途
  • 超電導送電ケーブル、医療用マグネット、核融合実験装置のインサートコイル。

3. 鉄系超電導体（次世代イットリウムフリー材料）

　2008年に発見された、鉄（Fe）とヒ素（As）やセレン（Se）の平面構造を持つ超電導体です。

• 特徴・メリット
  • イットリウムや希土類をほぼ使わず、鉄などの安価な金属を中心に構成できます。強い磁場の中でも超電導状態が破壊されにくく、セラミックス系（YBCO等）に比べて加工性が良いため、低コストな次世代線材として研究・開発が進んでいます。

4. MgB2（二ホウ化マグネシウム：中温域での完全代替）

　マグネシウム（Mg）とホウ素（B）という極めてシンプルな二元系化合物です。

• 特徴・メリット完全なレアアースフリー＆イットリウムフリーで、原材料コストが極めて安価です。転移温度は -234℃と液体窒素温度には届きませんが、高価な液体ヘリウムを使わず「小型物理冷凍機）」や「液体水素」で冷却可能なため、実用的な代替材料として普及しています。
• 主な用途ヘリウムフリーの医療用MRI、風力発電用超電導発電機。

技術比較

材料	イットリウム	希土類（RE）	主な強み
YBCO（従来型）	使用	使用（Y）	高温超電導の基準材料
GdBCO / SmBCO	不使用	使用（Gd, Sm等）	高磁場中での超電導特性がYBCO以上
BSCCO（ビスマス系）	不使用	完全フリー	希土類不要・長尺線材化技術が定着
鉄系超電導体	不使用	原則フリー	高磁場耐性・安価な原料
MgB2	不使用	完全フリー	原材料が極めて安価・線材化が容易