发布日期：2026-10-13 11:08    点击次数：182

海外热核聚变实际堆（ITER）安装的环向场（TF）线圈将代表迄今限制拼装的最大超导磁体系统，这给这些磁体的制造带来了诸多挑战。其中最杰出的是，TF线圈的电断气缘必须同期自在四个敛迹条目：高放射、大的机械应力、高电压运行以及在真空中的运行。此外，这些材料还必须稳妥在欧洲和日本无数使用时的运载和当地环境规则。

TF线圈绝缘将承受高达3.2×10²¹ n/m²的快中子通量，至极于10 MGy的放射剂量，况且仍能承受测度的运行中平面剪切应力，该应力领域约为45 MPa。为自在这一需求，CTD公司开发并认证了两种环氧树脂/氰酸酯树脂体系，即CTD-425和CTD-435。这些材料自在了ITER海外组织（IO）制定的加工要求、30000次负载轮回后的机械强度以及放射浮现步调。

一、前言

海外热核聚变实际堆（ITER）安装的建造包括一个由48个超导磁体构成的系统。这些磁体分为4种类型：18个环向场线圈（TF）、6个极向场线圈（PF）、6个中心螺线管线圈（CS）和3组6个纠正线圈（CC）。这些磁体用于敛迹和塑造产生聚变能量所需的高温等离子体。

环向场（TF）线圈是ITER磁体中最大且可能是最复杂的。它们具有D形几何神态，宽9米，高16.5米。这些线圈将禁受带有Nb₃Sn超导体的电缆在通谈（CIC）架构出产，并使用超临界氦气冷却至5 K。每匝的运行电流为68 kA，每个线圈的总存储电流为9.11 MA·t。这使得总磁能为40.2 GJ，最大磁场为11.8 T。

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由于TF线圈的雄壮尺寸以及绝缘材料将浮现的高放射剂量，为TF线圈提供绝缘是一个雄壮的挑战。绝缘将由共绕制、半重复的玻璃纤维和聚酰亚胺胶带构成，这些胶带将被浸渍热固性团员物。由于TF线圈的雄壮尺寸，浸渍材料必须具有低粘度和长可操作时刻，以便统统且均匀地浸渍通盘线圈。此外，热固性团员物必须具有高放射抗性，以确保斥地的弥远可靠性。ITER海外组织（IO）此前已为TF线圈绝缘材料制定了步调。

TF线圈绝缘的步调要求使用氰酸酯和环氧树脂的夹杂物。CTD公司之前的连系标明，氰酸酯材料具备为大型超导磁体绝缘所需的加工和性能特质。此外，之前的辐照连系标明，氰酸酯具有满盈的放射抗性，省略承受世界正在开发的聚变机器所预期的放射水平。ITER IO区别于2010年5月和2011年12月认证了CTD-425和CTD-435。

尽管TF线圈将是迄今限制氰酸酯的最大垄断，但氰酸酯此前已在微型磁体的真空压力浸渍（VPI）中使用过。举例，2006年制造了一个用于兆安培球形托卡马克（MAST）升级的测试线圈。在这个垄断中，选用了一种全氰酸酯树脂CTD-403。出产完成后，线圈经过多种测试，标明氰酸酯绝缘提供了MAST所需的性能。此外，算作准极向星形器项目的一部分，制造了多样小尺寸导体组件，况且为ITER有益制造了测试样品。最近，普林斯顿等离子体物理实际室（PPPL）与埃弗森特斯拉公司配合，为德国格赖夫斯瓦尔德的马克斯·普朗克等离子体物理连系所（IPP）制造了一个1089公斤（2400磅）的Wendelstein 7-X星形器（W7-X）的修整线圈，使用CTD-425树脂。这是为W7-X出产的五个线圈中的第一个，图1骄横了完成的线圈。

为了自在长加工时刻和高放射抗性的需求，CTD开发了两种氰酸酯/环氧体系，CTD-425和CTD-435。这些体系被缱绻为自在为ITER TF线圈制定的树脂步调。以下各节防御先容了这两种材料的加工特质和放射抗性测试。还将先容这些材料的供应情况。

图1. 由PPPL和Everson Tesla使用CTD-425制造的3.3米×3.5米修整线圈。

二、实际历程

2.1 加工特质：粘度测量

为了浸渍大型磁体，需要较长的加工时刻，以确保树脂在凝胶化发生之前统统浸渍通盘线圈中的织物。因此，在加工温度（CTD-425为50°C，CTD-435为60°C）下监测每种材料的粘度达100小时，以确保材料具有合适的可操作时刻。这些测量使用Brookfield可编程DV-II+粘度计和29号转子进行。

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此外，使用TA仪器Q800动态机械分析仪（DMA）笃定每种材料的玻璃化转动温度（Tg）。在此职责中，Tg被界说为记载到最大正切损耗值的温度。

2.2 放射抗性和机械强度

通过比较辐照前后的拉伸强度、拉伸疲钝强度和层间剪切强度，对CTD-425和CTD-435进行了放射浮现测试。制造、放射浮现和机械测试职责由ITER海外组织（IO）复旧。测试样品由瑞士苏黎世的Marti Supratech制造（包裹、浸渍和固化）。辐照和机械测试在奥地利维也纳大学的原子和亚原子物理连系所（ATI）进行。

具体来说，Marti Supratech使用来自Saint-Gobain Vetrotex的R-Glass VT6-AS21P、来自杜邦的Kapton 200 HN 2 mil以及CTD-425和CTD-435树脂制造了层压板。通过将胶带包裹在中央铝板周围并使用真空压力浸渍（VPI）来浸渍树脂，制造了绝缘板。这些层压板的加工细节在其报告中有防御评释。

表1 树脂特质

图2. CTD-425在50°C和CTD-435在60°C下的粘度弧线。

层压板制造完成后，样品在辐照前和辐照后进行了系列机械强度测试。拉伸测试在室和煦77 K下按照ASTM D638M进行，标的为90°。此外，还使用ATI开发的替代样品几何神态进行了拉伸测试。按照ASTM D3479，在90°标的以10 Hz的加载频率和最小峰值应力比R=0.1进行拉伸疲钝测试。在77 K下按照ASTM D2344在0°和90°标的进行层间剪切强度（ILSS）测试。

三、成果与扣问

3.1 加工特质

候选树脂体系的加工特质是出产高质地磁体绝缘的首要议论身分。ITER对树脂的步调包括构成、粘度和加工温度。表1列出了一些这些步调以及CTD测量的CTD-425和CTD-435的值。ITER IO的测试认证了CTD-425和CTD-435用于ITER。

CTD-425和CTD-435的加工温度均稳妥ITER要求的60°C及以下，同期具有低启动粘度和长职责时刻，以适合大型线圈的浸渍。此外，CTD-425和CTD-435的Tg值区别为182°C和185°C，均高于ITER要求的150°C。图2骄横了CTD-425和CTD-435在其加工温度下100小时的齐全粘度弧线。

空想情况下，树脂的流动特质在通盘浸渍历程中应保捏不变。因此，粘度随时刻变化越小，就越得当于大型线圈的浸渍。与其他贸易可用树脂比拟，CTD-425和CTD-435的职责时刻至极长。比拟之下，CTD-101K（CTD公司流行的环氧树脂）的24小时可操作时刻。氰酸酯/环氧体系的延迟职责时刻关于TF线圈的浸渍至关首要，因为树脂的流动特质在通盘浸渍历程中将保捏着实不变。

完成树脂浸渍后，使用加热使树脂凝胶化和固化。CTD-425的固化筹划为：2小时升温至100°C，100°C保捏22小时，3小时升温至150°C，150°C保捏24小时，逐渐冷却至室温。CTD-435的固化筹划为：2小时升温至100°C，100°C保捏30小时，3小时升温至150°C，150°C保捏48小时，逐渐冷却至室温。严格盲从固化筹划对这些材料至关首要，因为偏离固化筹划可能导致材料放热，尤其是如若升温速度增多或跳过或责怪100°C的保捏时刻。

3.2 放射抗性和机械强度

TF线圈绝缘将承受高达3.2×10²¹ n/m²的快中子通量，至极于10 MGy的放射剂量，况且仍必须承受测度的平面剪切应力约为45 MPa。为了评估用于ITER的材料，使用候选树脂体系制造了层压板，并在辐照前和辐照后进行了机械强度测试。这项职责在Marti Supratech和ATI进行。图3骄横了机械测试样品的例子。测量了CTD-425和CTD-435层压板的空泛含量，发现接近0%，标明浸渍质地高。

辐照后的材料浮现于两倍ITER缱绻通量，即2×10²² n/m²（E>0.1 MeV）以及奉陪的γ剂量73 MGy。材料在室和煦77 K下进行了测试，并禁受了两种不同的几何神态：一种由ASTM D638M指定，另一种是ATI开发的几何神态变化。在后者的样品缱绻中，机械失效发生在最小横截面积处（图3），而按照ASTM要领测试的样品在最瑕玷处失效。两者均在90°标的进行测试，因为这是对放射浮现最敏锐的。表2列出了这些条目下的拉伸强度（UTS）。如预期的那样，材料在77 K下的UTS高于室温。使用ATI几何神态的UTS高于ASTM几何神态。辐照导致CTD-425的UTS责怪约15%，CTD-435责怪约30%。

为了进一步表征放射抗性，在77 K下对未辐照和辐照样品在0°和90°标的进行了层间剪切强度（ILSS）测试。表2列出了ILSS测试的成果。关于出产后的（未辐照）材料，90°标的的ILSS比0°标的低约20%。在0°标的，CTD-425和CTD-435的ILSS在辐照后基本不变。CTD-425样品在0°和90°标的的ILSS在辐照后基本不变，而CTD-435样品在每个标的的ILSS在辐照后责怪了约20%。表2中列出的统统ILSS值均越过TF线圈测度的平面剪切应力45 MPa，标明这两种材料在辐照后为ITER提供了满盈的剪切强度。

临了，在77 K下对具有ATI几何神态的样品进行了动态负载拉伸疲钝测试，测试前和后均进行了两倍ITER缱绻通量的辐照，即2×10²² m⁻²（E>0.1 MeV）。天然样品测试了1000000个负载轮回，但ITER仅预期30000个负载轮回。经过30000个负载轮回后，CTD-425和CTD-435的残余强度约为130 MPa，越过了ITER的要求。

把柄树脂加工西席、机械测试和放射浮现测试的概述成果，CTD-425和CTD-435均被认证用于建造ITER TF线圈。

图3. 拉伸和短梁剪切测试样品的例子。

表2 未辐照和辐照样品的UTS和ILSS机械测试

四、材料供应

CTD-425和CTD-435不错径直从Composite Technology Development, Inc.购买用于大多数垄断。关于ITER，CTD已将这些产物授权给LORD公司。LORD具备制造

和分发无数树脂（测度每个线圈约2000公斤）的身手，用于建造ITER TF线圈。

五、论断

CTD开发了两种树脂体系，CTD-425和CTD-435，它们已被认证用于建造ITER TF线圈。这两种材料均稳妥ITER的加工步调，况且相称得当于大限制真空压力浸渍加工。此外，这两种树脂体系在辐照前后均具有满盈的机械强度。已树立可靠的供应链，以向日本和欧盟的客户提供这些材料的无数供应。

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