Yanchao Juneng achève le VPI d'une bobine prototype supraconductrice à armure en acier inoxydable pour stellarator

Récemment, Yanchao Juneng (Shanghai) Technology Co., Ltd. a achevé l'imprégnation sous vide et pression (VPI) d'une bobine prototype supraconductrice tridimensionnelle de forme irrégulière à armure en acier inoxydable pour stellarator de nouvelle génération. Auparavant, cette bobine prototype avait franchi deux étapes clés : le bobinage de précision tridimensionnel et l'enrubannage d'isolation à la terre. L'achèvement de ce VPI signifie que l'entreprise a établi une chaîne de processus autonome allant du bobinage et formage de la bobine, à l'enrubannage isolant, jusqu'à la solidification isolante intégrée.

Le stellarator est un type de dispositif important dans le domaine de la fusion nucléaire contrôlée, orienté vers le fonctionnement en régime stationnaire, et peut réduire le risque de grandes disruptions du plasma. Les bobines supraconductrices tridimensionnelles de forme irrégulière sont des composants essentiels du stellarator pour la construction du champ magnétique de confinement du plasma. Selon les données publiques, le stellarator allemand W7-X utilise une armure en alliage d'aluminium, et le dispositif japonais LHD utilise une armure en cuivre. En comparaison, l'armure en acier inoxydable à haute résistance présente des avantages en termes de limite d'élasticité à basse température, de ténacité à basse température et de résistance à la fatigue ; sa limite d'élasticité à basse température dépasse 700 MPa, ce qui est favorable pour améliorer la capacité de charge de l'aimant sous de fortes contraintes électromagnétiques et sa stabilité en service à long terme.

La fenêtre de formage plastique du conducteur à armure en acier inoxydable est relativement étroite, avec un effet de retour élastique prononcé. Combiné à la configuration spatiale complexe, multicouche et multispire de la bobine prototype de stellarator, sa fabrication et sa solidification isolante présentent une difficulté élevée. Yanchao Juneng s'appuie sur la première ligne de production spécialisée de Chine pour les aimants supraconducteurs tridimensionnels de forme irrégulière pour stellarator, mise en service au début de 2026, pour poursuivre la validation d'ingénierie des processus associés.

Figure 1 Bobine après enrubannage d'isolation à la terre (6*12 spires)

La bobine prototype ayant fait l'objet de la validation VPI cette fois est un enroulement tridimensionnel de forme irrégulière à 6 couches et 72 spires, présentant une courbure continuellement variable et une configuration spatiale complexe non plane. Par rapport à la bobine double galette précédemment validée, cette bobine prototype présente une augmentation notable du nombre de spires et de couches ; l'empilement multicouche des enroulements entraîne une accumulation plus prononcée des contraintes internes. L'armure en acier inoxydable diffère des armures traditionnelles en aluminium et en cuivre en termes de rigidité et de coefficient de dilatation thermique à basse température, ce qui accroît encore la difficulté de contrôle du processus VPI.

L'imprégnation sous vide et pression est une étape clé de la fabrication de l'isolation des aimants supraconducteurs ; elle comprend généralement la dégazage et séchage sous vide, l'imprégnation sous haute pression de résine et la solidification à température contrôlée par paliers, avec pour objectif de former une structure isolante intégrée sans bulles, sans vides ni fissures. Pour les bobines prototypes tridimensionnelles de forme irrégulière de grande taille et multicouches, le processus peut facilement entraîner des problèmes tels qu'un remplissage inégal de résine, une défaillance de l'adhérence aux interfaces entre couches, ainsi qu'une perte de précision géométrique de la bobine due à la libération de contraintes lors de la solidification, ce qui pourrait affecter la précision de formage millimétrique précédemment atteinte.

En fonction des caractéristiques structurelles de cette bobine prototype, l'équipe de R&D de Yanchao Juneng a procédé à une optimisation itérative du schéma VPI, mené plusieurs séries d'essais de processus, ajusté le processus de dégazage, la pression d'imprégnation et la courbe de solidification à température contrôlée par segments, afin de résoudre les problèmes de zones aveugles de remplissage de résine à l'intérieur des enroulements à surfaces complexes, de décollement entre couches et de résidus de bulles.

Après le VPI, l'équipe a obtenu un modèle tridimensionnel complet de la bobine par balayage tridimensionnel, et a effectué une simulation d'assemblage et une vérification avec le modèle théorique du boîtier de bobine. Les résultats montrent que la bobine, après traitement VPI, ne présente pas de déformation notable, et que l'erreur globale de forme et de position tridimensionnelle reste stable au niveau millimétrique ; il n'existe pas d'interférence spatiale entre la bobine et le modèle du boîtier de bobine, ce qui satisfait aux exigences d'assemblage en boîtier. Les résultats de contrôle montrent également que la résine à l'intérieur de la bobine est dense, que la couche isolante ne présente ni bulles, ni décollements, ni fissures, et que l'interface entre le conducteur à armure et l'isolation est étroitement liée ; les indicateurs de performance de l'isolation à la terre et de l'isolation entre couches atteignent tous les exigences, et la bobine peut être adaptée à un environnement de service soumis à la combinaison de très basses températures, de champs magnétiques intenses et de fortes contraintes électromagnétiques.

Yanchao Juneng indique que l'achèvement du VPI de cette bobine prototype démontre qu'elle maîtrise l'ensemble du processus de fabrication des aimants supraconducteurs à armure en acier inoxydable à haute résistance, depuis la conception du conducteur, le formage tridimensionnel composite de courbure-torsion de haute précision, l'enrubannage d'isolation à la terre avec fixation multipoint, jusqu'à la solidification isolante intégrée par imprégnation sous vide et pression. Les technologies associées ont obtenu plusieurs brevets nationaux.

Prochainement, Yanchao Juneng poursuivra les étapes clés telles que l'assemblage de joints supraconducteurs de niveau nano-ohm et l'insertion de la bobine en boîtier, afin d'achever l'intégration de la bobine prototype, et réalisera des tests complets de performance supraconductrice à l'échelle réelle sous très basse température et champ magnétique intense, pour évaluer les performances électromagnétiques, la fiabilité de l'isolation et la capacité de charge structurelle de la bobine. L'entreprise continuera également à perfectionner le système de processus des aimants supraconducteurs à armure en acier inoxydable et à promouvoir l'application industrielle des technologies associées dans les dispositifs stellarator.