为了证明氰酸酯树脂能够在工业环境中成功用来制造聚变磁体，作为MAST升级计划的一部分，制造了一个测试线圈。氰酸酯树脂相较于传统的环氧树脂基绝缘系统具有诸多优势，尤其是在高温下的强度更高、抗辐射能力更强以及可操作时间显著延长。然而，工业应用经验极其有限，且使用该树脂并非没有挑战，例如其凝胶化反应强烈放热，且树脂对水分特别敏感。
对于提议的MAST升级版球形托卡马克，氰酸酯树脂是新型螺线 Vsec）和内侧成形线圈的必需品。为降低项目风险，制造测试线圈被认为是至关重要的。该线圈由Danfysik公司按照卡拉姆聚变能源中心的规格制造，树脂由复合技术研发企业（Composite Technology Development Inc.）提供支持。
该线圈在卡拉姆成功地测试到其设计电流10千安、持续5秒，表现符合预期，并达到了95°C。随后，它又经历了10000次热循环测试，以验证MAST升级版内侧成形线圈的设计——由于空间限制，这些线圈的冷却水入口和出口紧挨在一起，导致线圈两层之间产生高热应力。
使用玻璃纤维增强的氰酸酯树脂是线圈绝缘系统的环氧树脂的优越替代品。它不仅允许更高的工作时候的温度，而且在所有温度下都比传统用于真空浸渍磁体的环氧树脂更强。氰酸酯树脂还具有更强的抗辐射能力和更易操作性；特别是它有很长的可操作时间，这对于浸渍大型线圈（如国际热核聚变实验堆（ITER）的环向场线圈）很重要。主要缺点是目前树脂的成本以及工业界在制造线圈时缺乏使用它的经验。
氰酸酯树脂被用于设计对大型安培球形托卡马克（MAST）的重大升级，以使螺线管和内侧成形线圈能够吸收比传统环氧树脂更多的热量。高度受力的螺线°C，而不是通常因环氧树脂随着温度上升强度降低而施加的操作极限70°C。
多年来，卡拉姆聚变能源中心（CCFE）一直与复合技术研发企业（CTD）合作，对CTD-403树脂进行表征。使用传统工业技术和设备制造一个测试线圈被认为是使该材料合格用于MAST升级的重要下一步。尽管第一次制造线圈的尝试由于真空浸渍效果不佳而失败，但第二次尝试非常成功。
测试线毫米。它基于MAST升级内侧成形线圈的设计，因为其采用了与MAST螺线管类似的构造技术，使用氰酸酯树脂时有特别的好处，同时它更小、更便宜——是测试线圈的合理尺寸。它还旨在验证内侧成形线圈设计，特别是其对热应力的抗性。
制造的线米长的空心截面半硬无氧高导电含银铜制成，外裹经氨基硅烷处理的连续纤维E玻璃带。在绕线机的后端，用插头连接件将多余的导体焊接在一起。内层螺旋向下轴向缠绕，向外弯曲，然后外层再次螺旋向上。使用弯曲和锥形的玻璃纤维增强塑料（GRP）填充件使线圈顶部和底部平整。导体在尾部弯曲90度。在尾部焊接铜管以连接冷却水软管，通过盒夹进行电力连接。基本信息参数见表1，图1为线圈的CAD截面图。
表1.测试线圈的基本信息参数。列出线圈的关键设计参数，包括尺寸、匝数、材料等详情信息，用于描述线圈的基本构造和设计要求。
图1. 线圈的CAD截面图。展示了线圈的几何结构和设计细节，包括线圈的分层、尺寸以及与模具的配合关系。
使用传统设备绕制线圈。线圈绕组的轴水平安装，并通过齿轮箱电动驱动，通过摩擦制动器将导体拉过生产线。导体自动包裹半搭接的玻璃带，封闭的带绕头通过微动开关控制间歇运行。
香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，我们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、能承受压力的容器）产品。
由于聚变磁体在机械上高度受力（与其他用于加速器或医疗应用的许多磁体相比），在用玻璃带包裹之前，导体经过喷砂和底漆处理。喷砂可以去除铜上的氧化层并使表面粗糙，从而在铜和树脂之间形成良好的剪切强度。底漆则防止铜表面在浸渍前氧化，这对于树脂与铜的良好粘附以及界面的良好抗拉强度非常重要。
在制造第二个线圈时省略了底漆，以简化工艺，其使用已在第一个线圈中成功证明。例如，允许底漆硬化会减慢线圈绕制的速度。直径测量表明，玻璃带被压缩了20%。
线圈在实心铝制模具上绕制。这提供了大量的热质量，降低了线圈在凝胶化/固化过程中因反应的强放热性质而过热的风险。这是氰酸酯树脂的一个特定问题；否则在大多数情况下要主动冷却。
一个带有切向螺栓的分体环形夹具固定线圈底部的径向位置。该夹具可以沿轴向移动，并设置底部面的轴向位置。线圈的内外极限由不粘附树脂的泰达胶带设置。这种胶带被扎了许多小孔，以确保树脂能够进入所有区域。线毫米的间隙。
绕制完成后，线圈被放置在外模具内，该模具的高度与整个线圈（包括尾部）相同。外模具由围绕线度处焊接成圆形底板。它沿整个高度纵向分开。这种分开有一个突出在两侧的法兰，以便它们能被螺栓固定在一起。这在某种程度上预示着模具底部不能完全“打开”，因为有焊接的圆盘，但它能打开足够以产生良好的滑动角度并使线圈出来。
一个内模具插入件（桶形，一侧为平面）被放置在线圈顶部，占据了外模具和尾部之间的大部分空间。剩余的体积用多余的金属填充，这中间还包括一个特别铣有槽的长度，用于制作树脂样品。因此避免了大体积的树脂，这很重要，因为树脂的热导率低且反应放热。
模具被放置在真空罐内，线圈从顶部通过尾部填充。当第一次向真空罐内重新充气时，树脂水平下降，轻微的压力将其压入线圈内的未填充空隙中。然后将水平补充到顶部。
在凝胶化和固化期间，模具周围包裹了热在允许电压下不导电的材料，以减少热量损失。没用外部加热器；线圈仅通过其中的电流加热，确保树脂非常均匀地加热。温度控制管理系统依赖于人工调整电流，而不是完全自动的，但包括基本的过热保护。在制造第二个线圈时，在四个位置记录了温度，两个热电偶在外半径上，一个在内半径上，一个在尾部附近。
图2所示的凝胶化和固化周期是由CCFE与CTD共同开发的，以平衡强度和韧性需求，给出170–180°C的玻璃化转变温度。相对较长的24小时凝胶化允许大部分固化在适中的105°C下进行。最后4小时的最终固化在相比来说较低的最终温度140°C下进行，有助于避免过热。
图2. 固化周期图。描述了氰酸酯树脂的凝胶化和固化过程中的温度控制曲线，展示了不同阶段的温度和时间设置。
第一个树脂套件在30–35°C下混合。对一个简单的测试条进行了两次固化尝试，但都遇到了问题。测试条由四个短铜导体组成，这些导体被玻璃带包裹，呈2×2阵列排列，并用进一步的“接地”在允许电压下不导电的材料包裹。第一个测试条在一个托盘中浇铸，与铜或托盘相比，树脂体积较大。这允许由于氰酸酯在凝胶化过程中释放大量热量而发生失控的放热反应，导致其过热。
通过在测试条周围填充废金属以减少树脂体积并提供更多的热质量，避免了第二个测试条的这样的一个问题。然而，这次出现了相反的问题：由于加热器故障，测试条无法达到规定的固化温度。
为了避免错过线圈本身的另一个生产时间，决定接着来进行线圈的浸渍，无论如何，线圈本身使用更好的（电阻）加热，并且有一个贴合紧密的模具。每次测试后，将混合的树脂存储在容器中时，首先用干燥的氮气填充容器，因为树脂容易被水分污染，这会催化凝胶化反应。
第一个线圈用第一个套件剩余的树脂浸渍。重新打开时，发现树脂非常粘稠。决定将其稍微加热到40–45°C以稀释它。事后看来，观察到的粘度降低更多是由于混合动作而不是气温变化引起的，因为它比温度上升发生得更快。
在将测试线圈从模具中取出时，发现用氰酸酯树脂浸渍不完全。尽管线圈的外半径看起来填充得很好，但内半径非常干燥。这被认为是由混合后的树脂在储存期间粘度增加引起的，这阻止了它像预期那样渗透。
线）。似乎在真空罐内充气后，树脂水平继续下降，使尾部干燥，并表明线圈从未被正确填充。在内半径上也有明显的“烧焦”斑点，这些斑点尚未得到充分解释，除了线圈的颜色总体上相当不均匀。
图3. 第一个测试线圈的照片。展示了第一个线圈的外观，包括其在制作的完整过程中出现的问题，如干燥区域和烧焦痕迹。
尽管基于视觉检查线圈显然不可接受（尽管没有人真正见过用氰酸酯树脂制成的类似线圈），但还是进行了接地绝缘测试，以评估树脂实际浸润玻璃的程度。通过将线圈（除了尾部）浸入水箱中的水里来测试。将电压施加到尾部，而水箱中的电极接地。线千伏。
将线圈从水箱中取出，并通过探测表面定位内半径上的特定干燥点。尝试通过在表面涂抹额外的环氧树脂做修复。然而，在此之后，线千伏，只是在另一个点发生击穿。放弃修复尝试。
随后发现，第一个套件中的氰酸酯树脂的两个部分没有按规定的比例混合——由于将所有提供的B部分添加到所有A部分而不是按重量称量，B部分多用了12%。这可能促成了观察到的树脂增稠和第一个线圈浸渍失败。
在制造第二个线）之前，在中央铝制模具的表面额外加工了凹槽，以确保树脂能到达线圈的内半径。温度上升速率从40降低到25，采取了更严格的措施以避免污染树脂。这包括仔细清洁所有与树脂接触的设备，以去除其通常会使用的环氧树脂组分的残留物，彻底干燥线圈及其模具，并始终用干燥的氮气而不是空气回填树脂容器。
图4. 第二个测试线圈的照片。展示了第二个线圈的外观，表明其制造成功，表面光洁且浸渍均匀。
CTD调查了第一个树脂套件的制造质量控制样品以及与其组分相关的质量保证文件，未曾发现潜在问题。因此，第二个树脂套件（最初同时提供）被用于第二个线分钟。在套件中的20公斤树脂中，大约6公斤在1毫巴下大约10分钟内被引入模具。之后检查线圈并确认已彻底浸渍，表面光洁，如图4所示。
线圈尾部有一个白色斑点，大约10毫米的拇指大小的裂缝位于外层接地绝缘层和线圈导体周围的绝缘层之间（图5）。这可能是由模具拆卸引起的——线度弯曲通过的地方）比围绕尾部设置线圈边界并位于较松的外模具内的泰达胶带贴合得更紧。在GRP部件与外层接地绝缘层之间也有类似的局部分层，同样可能是由模具拆卸引起的。这些分层位于远离导体的地方。当线圈通过接地绝缘测试时，接受了这种损坏。
在制造线圈期间进行的测量包括导体钎焊后的水压和水流量、径向和垂直构建的尺寸检查以及浸渍前后的电阻和电感。事先完成了试验性钎焊和焊接接头。
线圈的最终电感和电阻在工厂中测量，发现与设计值相差在2%以内。通过将线圈浸入水中，仅在尾部绝缘端几毫米处露出，进行了接地绝缘测试。它显示出在4千伏下电阻超过40兆欧，泄漏电流低于所用仪器的100纳安灵敏度。
在卡拉姆，线圈被连接到MAST极向电源之一，位于现有的高压围栏内。为线圈和连接到母线的电缆提供了简单的机械约束。
MAST控制管理系统内的线圈校准算法用于确定从电源要求的电压。由于没安装反馈控制，需要对输入的电路电阻和电感值进行一些调整，以获得所需的电流波形。
总共需要35个脉冲才能将线千安，然后将脉冲维持的时间增加到5秒的平坦顶部。为了确认和保证在这一段时间内达到95°C的最高温度，电流进一步增加到11.3千安，然后重复相同的脉冲，总共10次。
通过粘结在铜水出口上的热电偶、远程温度枪和指示达到的最高温度的贴纸来监测温度。供应的电流和电压通过MAST快速数据采集系统记录。
在全电流测试之前和之后对线圈进行了摄影测量调查。这表明线毫米，平均外径增加了约0.1毫米。这是由于残余应力重新分布而引起的运动的预期范围内。测试后发现，内径的变化增加了，而外层的变化保持不变。这并不奇怪，因为内层是紧密地绕在实心芯轴上的，而外线圈边界仅由胶带设置。
尽管对于许多线圈来说，冷却水的入口和出口是紧挨着的，但MAST升级的内侧成形线圈预计将与机器中心柱一起在每次脉冲前冷却，以容纳更大的温度上升。当冷却后的冷却水进入热线圈时，线圈两层之间的最大温差预计约为42°C。这会在绝缘层中引起拉伸和剪切应力。
尽管增加匝间和层间绝缘厚度能够降低这些应力，而且分析表明这些应力远低于材料的静态强度，但设计能否承受脉冲运行的循环应力性质，特别是与高温结合时，还远远不能确定。
由于多次用其全设计电流脉冲线圈，然后冷却以进行下一次脉冲，将占用相当多的设备，因此构思了一个简单的加速热循环测试，即交替供应热水和冷水给线圈。这导致入口温度如图6所示变化，而出口温度保持大致恒定。图中显示了从测试装置测量的数据，该装置由一个3通阀组成，该阀由可编程逻辑控制器（PLC）控制，将线圈的水供应在MAST冷却塔和一个12千瓦的加热器之间切换。加热器由一个PID单元独立控制，该单元驱动一个固态继电器。
连续运行该装置一个月，使所需的42°C温差和相应的应力实现了10000次。10000次全应力循环被认为是一个严格的测试——尽管MAST升级可能有几倍于此的设计寿命，但许多脉冲只会引起最大应力的一部分。
在这一期间，线圈定时进行检查，既进行视觉检查，又通过敲击线圈表面的各个部位并倾听其“回声”——任何变化都表明有几率存在内部损坏。未曾发现损坏。
循环完成后，再次通过将线圈完全浸入水中进行接地绝缘测试。在尾部和线圈之间的过渡处发现了一个接地故障，之前曾在此处发现过裂缝（图5）。使用自熔胶带对这一点进行临时修复，使测试能够接着来进行，从而证明另外的地方的接地绝缘是可靠的，浸入水中的线兆欧。
因此，认为尾部的绝缘失效可以归因于模具拆卸和随后对线圈的搬运过程中引入的裂缝，而不是全电流测试或热循环。
成功制造测试线圈为使用氰酸酯树脂真空浸渍聚变磁体的工业应用树立了明确的先例。与其他平行项目一起，它使MAST升级设计能够充满信心地进行。
线圈浸渍绝非一门精确科学，浸渍失败并非闻所未闻。人们认为，在第一个线圈尝试中，通常的风险被两个特定因素加剧——两个树脂部分的混合比例不准确，以及混合后的树脂在浸渍前储存了6周。人们认为，第一个线圈的失败并没有严重挑战树脂用于聚变磁体真空浸渍的适用性。