中國冶金報社
記者 羅忠河 報道
5月1日，安徽合肥聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區內，一項改寫人類能源史的工程正在如火如荼地實施。隨著4根長達52米、重達400噸的巨型行車主梁緩緩落位，世界首臺緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）工程總裝正式啟動，朝著實現“全球首次聚變能發電”戰略目標邁出關鍵一步。
我國首創的CHSN01超低溫高強韌無磁鋼（簡稱CHSN01鋼），將為這顆重達6000噸的聚變堆“心臟”的強勁跳動提供不可或缺的助力。這種由中國鋼研集團所屬鋼鐵研究總院有限公司（簡稱鋼研總院）與中國科學院等離子體物理研究所（簡稱等離子體所）、理化技術研究所共同研發、聯合攻關的不銹鋼新材料，將化身500噸鎧甲與線圈盒直線段部件，嵌入BEST裝置最核心的超導磁體系統，直面零下268.95攝氏度（4.2K）的極端低溫考驗，托舉起我國“人造太陽”的偉大夢想，為人類清潔能源革命貢獻“中國方案”。
圖為中國BEST聚變裝置總裝現場，CHSN01鋼將支撐起這個“人造太陽”超導磁體系統的核心結構。 (中科院等離子體所 供圖)
研發突破：
破解超低溫下材料強韌性協同調控的世界級難題
可控核聚變被稱為“人造太陽”，但要駕馭這顆“太陽”，首先得攻克材料難關。鋼研總院與等離子體所等單位聯合組建創新團隊，響應國家戰略需求，勇闖無人區，于2021年11月份攜手聯盟單位攻堅克難，基于團隊在超低溫材料豐碩的科研成果，僅用2年時間便成功破解了零下268.95攝氏度極端低溫環境下材料強韌性協同調控的世界級難題。
可以說，CHSN01鋼的研發故事正是我國青年鋼鐵科研人員在實現高水平科技自立自強征程中的一個生動縮影。在2021年7月23日該項目剛啟動時，年僅38歲的該團隊負責人王長軍博士勇挑重擔，帶領這支年輕的創新團隊向破解世界級難題發起沖鋒。“面對這項世界級難題，我們只能摸著石頭過河，一點一點地試，不斷迭代成分與優化制造工藝。”團隊專家楊志勇教授回憶起當時的艱難情景時感慨萬千。
2021年12月8日，關鍵技術攻關正式啟動。2022年8月30日，首批預研件通過評審，驗證了核心設計理念的可行性。2023年3月4日，該項目取得重要階段性進展，啟動1∶1原型件工業化試制。2023年8月6日，原型件成功通過嚴格評審，材料性能指標全面達到設計要求，具備工程應用潛力。攻關聯盟組成單位也從最初的6家拓展為包含產—學—研—檢—用的17家單位。在此基礎上，2023年11月16日，聚變高端金屬材料研發聯合實驗室于合肥綜合性國家科學中心能源研究院正式成立。說起研發歷程的一個個關鍵節點，王長軍博士、秦經剛博士如數家珍。
圖為2023年3月4日“新一代聚變工程用高端金屬材料”論壇暨“4.2K高強韌不銹鋼研發進展”研討會與會嘉賓合影。（鋼研總院供圖）
從實驗室到工業化的跨越同樣艱難。為了實現百噸級批量生產，鋼研總院以“小核心大協作”模式，聯合等離子體所、久立特材，突破高精度內圓外方的鎧甲軋制技術瓶頸，鎧甲尺寸精度誤差不超過±0.02毫米；聯合攀鋼集團長城特鋼打通厚90毫米以下系列規格熱軋板材的全流程生產工藝；聯合上海電氣上重鑄鍛攻克6噸級大鍛件生產難題，在5000毫米長的大鍛件中實現“零缺陷”。歷經3年多的堅守和努力，終于迎來“中國首創”的破繭成蝶。2024年12月7日，“CHSN01”商標正式注冊，標志著該研發成果正式轉入工程化應用與產業化推廣階段，并迅速實現批量生產，使我國首次在核聚變材料領域實現從“跟跑”到“領跑”的飛躍。
性能躍升：
樹立超低溫核聚變材料的國際新標桿
在零下268.95攝氏度的極寒環境中，普通鋼材脆如玻璃。面對困難，該團隊突破了核聚變低溫結構材料極限，使CHSN01鋼性能指標實現了質的飛躍，樹立了國際新標桿：在零下268.95攝氏度的極寒環境下，CHSN01鎧甲屈服強度突破1500兆帕，相當于指甲蓋大小面積能承受15頭大象的重量；抗拉強度突破1800兆帕，延伸率超30%，斷裂韌性優于180兆帕·米1/2。與ITER（國際熱核聚變實驗堆）項目廣泛使用的316LN不銹鋼鎧甲相比，其強度提升了約40%，塑韌性卻旗鼓相當。也就是說，在承受巨大的機械載荷時，CHSN01鋼既堅如磐石，又擁有驚人的抗斷裂與形變能力。
與此同時，CHSN01鋼推動了一場輕量化革命，使超導磁體系統成功“瘦身”10%，單臺裝置即可節約結構材料100噸，更重要的是在有限的空間內可以顯著提高裝置的運行參數。
如今，CHSN01鋼已通過等離子體所最嚴苛的“實戰”考核，性能全面碾壓ITER使用的316LN不銹鋼、JJ1等國際特種合金材料。目前，CHSN01鋼已應用于BEST裝置中約300噸鎧甲與200噸線圈盒直線段產品制造，完成全球最大規模工程的驗證。這種剛柔并濟的特性，讓CHSN01鋼成為聚變堆核心部件的堅強守護者。
對此，中國科學院文獻情報中心技術評價報告表示：“中國和美國國家強磁場實驗室均研發出零下268.95攝氏度下屈服強度超過1500兆帕的材料，但性能同時滿足伸長率大于30%、斷裂韌性大于180兆帕·米1/2要求的，只有中國能夠實現。”
應用拓展：
全產業鏈創新鍛造大國重器“鋼筋鐵骨”
如今，CHSN01鋼已構建“冶煉—成型—應用”全產業鏈創新能力，顯示出廣闊的應用推廣前景。
在冶煉精控方面，鋼研總院核聚變創新團隊創新采用“電爐+氬氧脫碳+爐外精煉+電渣重熔”的低成本冶煉工藝，精準實現了超低碳(C≤0.01%)、高氮 (N：0.28%～0.38%)、超低雜質控制(P≤0.01%、S≤0.005%、Al≤0.02%、O≤0.002%)，且單爐組批能力達40噸，為CHSN01鋼大規模批量供貨奠定了堅實基礎。
在成型制造方面，鋼研總院、等離子體所聯合久立特材在國際上首次完成聚變磁體用高強韌、耐低溫CHSN01不銹鋼鎧甲研制，并通過了真實服役工況下的性能考核；聯合攀鋼集團長城特鋼、上海電氣上重鑄鍛與國機重裝二重裝備共同完成了厚10毫米～90毫米系列規格的CHSN01熱軋板材和6噸級大尺寸CHSN01鍛件（厚260毫米×560毫米×5000毫米）的研制，構建了“高/中溫析出相調控理論→高精度鎧甲/超大鍛件極端制造→全工況驗證”的完整創新鏈條，推動我國在核聚變低溫結構材料領域實現從“跟跑”到“領跑”的跨越。
圖為國際首根采用CHSN01鋼作為鎧甲的BEST全尺寸超導磁體。 (中科院等離子體所 供圖)
圖為BEST裝置中采用CHSN01鋼制造的TF線圈盒部件，這是托舉超導磁體的關鍵骨架。 (中科院等離子體所 供圖)
在應用拓展方面，自2024年1月份首次批量供貨10噸起，1年內即實現向BEST裝置百噸級批量供貨。其中，總重約300噸的CHSN01不銹鋼鎧甲已完成超22588米交付（總需求量約52438米），占總需求的43%；總重約200噸的CHSN01線圈盒直線段部件完成交付3套（總需求量為17套）。如今，其應用版圖正從BEST裝置核心部件，快速拓展至航天深低溫貯箱、氫能儲運裝備等市場，引起法國原子能委員會（CEA）、德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）等國際頂尖機構的關注。
CHSN01鋼的規模化應用，是中國鋼鐵人面向人類共同挑戰交出的又一份完美答卷。未來，當“人造太陽”的光芒照亮人類文明時，CHSN01鋼作為托起這片光芒的鋼鐵脊梁，必將在中國乃至世界新能源史上，鐫刻下鑄造大國重器的輝煌篇章。清潔能源革命的巨輪，正從東方啟航。
