Development of radiation resistant insulation systems for fusion magnets

Abstract

Für die Isolation der ITER TF Spulen sind Faserverbundstoffe vorgesehen. Dabei wird die Integrität des Verbundstoffs sowohl durch Neutronen und Gammatrahlung als auch durch mechanische Beanspruchungen hervorgerufen durch das Magnetsystem angegriffen. Die Isolation besteht aus gewickelten Glasfaser/ Kapton Bändern, die mit einem organischen Harz imprägniert werden. Insbesondere das Harz wird durch die Bestrahlung stark beeinflusst, was zu einer Reduzierung der mechanischen Festigkeit und letztendlich zum Versagen führt. In Bezug auf die ITER-Design Fluenz von 1x10 22 m-2 (E>0.1 MeV) wurden intensive Testprogramme unter Zug und interlaminarer Scherbeaspruchung durchgeführt. Messungen unter schwingender Last (Zugschwellenbereich), um den Pulsbetrieb zu simulieren, wurden ebenfalls gemacht. Neben den kraftgesteuerten Ermüdungsversuchen wurde ein neues Verfahren für dehnungsgesteuerte Messungen entwickelt. Um beide Verfahren miteinander vergleichen zu können wurden Zugproben aus ISOVAL 10/E gefertigt. Dasselbe Material wurde auch für die Untersuchung der kraftgesteuerten Messungen verwendet.<br />Für die Herstellung der Verbundstoffe wurden die Faserbänder mit Epoxid und Zyanat Ester (/Epoxid) Harzen imprägniert, welche hauptsächlich von der Industrie vorgeschlagen wurden. Die Testergebnisse der Epoxid Harz Systeme zeigten, dass das "Orlitherm" System eine akzeptable Strahlenbeständigkeit bei der ITER-Design Fluenz von 1x10 22 m-2 (E>0.1 MeV) aufweist. Deshalb wurde die Herstellung einer weiteren Zyanat Ester Mischung basierend auf diesem Epoxid Harz veranlasst. Es stellte sich heraus dass die mechanischen Eigenschaften in diesem Fall von Inhomogenitäten geprägt sind.<br />Aufgrund der erfolgversprechenden Ergebnisse einer Zyanat Ester/ PY306 Mischung mit einem Zyanat Ester Anteil von 40 % wurden neue Materialen vorgeschlagen und hergestellt. Der Zyanat Ester Anteil wurde schrittweise auf 20 % verringert, um den Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und auf die Strahlenbeständigkeit zu untersuchen. Bei der ITER-Design Fluenz konnte keine Verringerung der mechanischen Festigkeit beobachtet werden. Insgesamt wurde die Neutronenfluenz bis auf 4x1022 m-2(E>0.1 MeV) erhöht.<br />Außerdem wurde der Einfluss von Schlüsselparametern auf die mechanischen Eigenschaften untersucht, hauptsächlich der Einfluss der Faserverstärkung (Anzahl und Dicke der Glasfaserbänder), der Kapton Folien und der Aushärtungsparameter.<br />

Fiber reinforced composites are foreseen for the insulation of the ITER TF coils. The integrity of the composite is influenced by the neutron and gamma environment as well as by mechanical stresses imposed by the magnet system. The insulation consists of wrapped glass fiber/ Kapton tapes impregnated with an organic resin. Especially the resin is significantly affected by irradiation, which results in reduced mechanical strength and finally failure. With respect to the ITER design fluence of 1x1022 m-2 (E>0.1 MeV) extensive test programs were conducted under tensile as well as under interlaminar shear load. In addition, tension-tension fatigue measurements were carried out, in order to simulate the pulsed operation of ITER. Apart from fatigue measurements in the load controlled mode a new test procedure for strain controlled measurements was established. To study the influence of the control modes on the material lifetime, sets of ISOVAL 10/E tensile specimens were manufactured. The same material was used for investigations in the load controlled mode. For the fabrication of the composites, the fiber tapes were impregnated with epoxy and cyanate ester(/epoxy) resins mainly proposed by industry.<br />Tests on the epoxy "Orlitherm" showed an acceptable radiation resistance after irradiation to the ITER design fluence of 1x10 22 m-2 (E>0.1 MeV). Therefore, it was decided to fabricate a further cyanate ester blend based on this epoxy resin. It turned out that their mechanical properties are dominated by inhomogeneities.<br />Motivated by the promising results of cyanate ester/PY306 blends with a cyanate ester content of 40 % new materials were proposed and fabricated. The cyanate ester was reduced in steps down to 20 % allowing investigations on the influence to the mechanical properties as well as on the radiation resistance. No degradation of the mechanical strength was found after irradiation to the ITER design fluence. In total, the fast neutron fluence was increased to 4x1022 m-2 (E>0.1 MeV).<br />Moreover, the influence of several key parameters on the mechanical properties was investigated as well, e.g. the influence of the reinforcement (tape thickness, number of layers), of Kapton tapes and of curing parameters of the resin.