中國冶金報(bào)社
記者 羅忠河 報(bào)道
5月1日，安徽合肥聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施園區(qū)內(nèi)，一項(xiàng)改寫人類能源史的工程正在如火如荼地實(shí)施。隨著4根長達(dá)52米、重達(dá)400噸的巨型行車主梁緩緩落位，世界首臺緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）工程總裝正式啟動(dòng)，朝著實(shí)現(xiàn)“全球首次聚變能發(fā)電”戰(zhàn)略目標(biāo)邁出關(guān)鍵一步。
我國首創(chuàng)的CHSN01超低溫高強(qiáng)韌無磁鋼（簡稱CHSN01鋼），將為這顆重達(dá)6000噸的聚變堆“心臟”的強(qiáng)勁跳動(dòng)提供不可或缺的助力。這種由中國鋼研集團(tuán)所屬鋼鐵研究總院有限公司（簡稱鋼研總院）與中國科學(xué)院等離子體物理研究所（簡稱等離子體所）、理化技術(shù)研究所共同研發(fā)、聯(lián)合攻關(guān)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(dǎo)磁體系統(tǒng)，直面零下268.95攝氏度（4.2K）的極端低溫考驗(yàn)，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(xiàn)“中國方案”。
圖為中國BEST聚變裝置總裝現(xiàn)場，CHSN01鋼將支撐起這個(gè)“人造太陽”超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。 (中科院等離子體所 供圖)
研發(fā)突破：
破解超低溫下材料強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)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(guān)。鋼研總院與等離子體所等單位聯(lián)合組建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，勇闖無人區(qū)，于2021年11月份攜手聯(lián)盟單位攻堅(jiān)克難，基于團(tuán)隊(duì)在超低溫材料豐碩的科研成果，僅用2年時(shí)間便成功破解了零下268.95攝氏度極端低溫環(huán)境下材料強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控的世界級難題。
可以說，CHSN01鋼的研發(fā)故事正是我國青年鋼鐵科研人員在實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)征程中的一個(gè)生動(dòng)縮影。在2021年7月23日該項(xiàng)目剛啟動(dòng)時(shí)，年僅38歲的該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王長軍博士勇挑重?fù)?dān)，帶領(lǐng)這支年輕的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)向破解世界級難題發(fā)起沖鋒。“面對這項(xiàng)世界級難題，我們只能摸著石頭過河，一點(diǎn)一點(diǎn)地試，不斷迭代成分與優(yōu)化制造工藝。”團(tuán)隊(duì)專家楊志勇教授回憶起當(dāng)時(shí)的艱難情景時(shí)感慨萬千。
2021年12月8日，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)正式啟動(dòng)。2022年8月30日，首批預(yù)研件通過評審，驗(yàn)證了核心設(shè)計(jì)理念的可行性。2023年3月4日，該項(xiàng)目取得重要階段性進(jìn)展，啟動(dòng)1∶1原型件工業(yè)化試制。2023年8月6日，原型件成功通過嚴(yán)格評審，材料性能指標(biāo)全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具備工程應(yīng)用潛力。攻關(guān)聯(lián)盟組成單位也從最初的6家拓展為包含產(chǎn)—學(xué)—研—檢—用的17家單位。在此基礎(chǔ)上，2023年11月16日，聚變高端金屬材料研發(fā)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室于合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院正式成立。說起研發(fā)歷程的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，王長軍博士、秦經(jīng)剛博士如數(shù)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(qiáng)韌不銹鋼研發(fā)進(jìn)展”研討會與會嘉賓合影。（鋼研總院供圖）
從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的跨越同樣艱難。為了實(shí)現(xiàn)百噸級批量生產(chǎn)，鋼研總院以“小核心大協(xié)作”模式，聯(lián)合等離子體所、久立特材，突破高精度內(nèi)圓外方的鎧甲軋制技術(shù)瓶頸，鎧甲尺寸精度誤差不超過±0.02毫米；聯(lián)合攀鋼集團(tuán)長城特鋼打通厚90毫米以下系列規(guī)格熱軋板材的全流程生產(chǎn)工藝；聯(lián)合上海電氣上重鑄鍛攻克6噸級大鍛件生產(chǎn)難題，在5000毫米長的大鍛件中實(shí)現(xiàn)“零缺陷”。歷經(jīng)3年多的堅(jiān)守和努力，終于迎來“中國首創(chuàng)”的破繭成蝶。2024年12月7日，“CHSN01”商標(biāo)正式注冊，標(biāo)志著該研發(fā)成果正式轉(zhuǎn)入工程化應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化推廣階段，并迅速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，使我國首次在核聚變材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的飛躍。
性能躍升：
樹立超低溫核聚變材料的國際新標(biāo)桿
在零下268.95攝氏度的極寒環(huán)境中，普通鋼材脆如玻璃。面對困難，該團(tuán)隊(duì)突破了核聚變低溫結(jié)構(gòu)材料極限，使CHSN01鋼性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，樹立了國際新標(biāo)桿：在零下268.95攝氏度的極寒環(huán)境下，CHSN01鎧甲屈服強(qiáng)度突破1500兆帕，相當(dāng)于指甲蓋大小面積能承受15頭大象的重量；抗拉強(qiáng)度突破1800兆帕，延伸率超30%，斷裂韌性優(yōu)于180兆帕·米1/2。與ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）項(xiàng)目廣泛使用的316LN不銹鋼鎧甲相比，其強(qiáng)度提升了約40%，塑韌性卻旗鼓相當(dāng)。也就是說，在承受巨大的機(jī)械載荷時(shí)，CHSN01鋼既堅(jiān)如磐石，又擁有驚人的抗斷裂與形變能力。
與此同時(shí)，CHSN01鋼推動(dòng)了一場輕量化革命，使超導(dǎo)磁體系統(tǒng)成功“瘦身”10%，單臺裝置即可節(jié)約結(jié)構(gòu)材料100噸，更重要的是在有限的空間內(nèi)可以顯著提高裝置的運(yùn)行參數(shù)。
如今，CHSN01鋼已通過等離子體所最嚴(yán)苛的“實(shí)戰(zhàn)”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(yīng)用于BEST裝置中約300噸鎧甲與200噸線圈盒直線段產(chǎn)品制造，完成全球最大規(guī)模工程的驗(yàn)證。這種剛?cè)岵?jì)的特性，讓CHSN01鋼成為聚變堆核心部件的堅(jiān)強(qiáng)守護(hù)者。
對此，中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心技術(shù)評價(jià)報(bào)告表示：“中國和美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室均研發(fā)出零下268.95攝氏度下屈服強(qiáng)度超過1500兆帕的材料，但性能同時(shí)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?qū)崿F(xiàn)。”
應(yīng)用拓展：
全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新鍛造大國重器“鋼筋鐵骨”
如今，CHSN01鋼已構(gòu)建“冶煉—成型—應(yīng)用”全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新能力，顯示出廣闊的應(yīng)用推廣前景。
在冶煉精控方面，鋼研總院核聚變創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)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(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了超低碳(C≤0.01%)、高氮 (N：0.28%～0.38%)、超低雜質(zhì)控制(P≤0.01%、S≤0.005%、Al≤0.02%、O≤0.002%)，且單爐組批能力達(dá)40噸，為CHSN01鋼大規(guī)模批量供貨奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在成型制造方面，鋼研總院、等離子體所聯(lián)合久立特材在國際上首次完成聚變磁體用高強(qiáng)韌、耐低溫CHSN01不銹鋼鎧甲研制，并通過了真實(shí)服役工況下的性能考核；聯(lián)合攀鋼集團(tuán)長城特鋼、上海電氣上重鑄鍛與國機(jī)重裝二重裝備共同完成了厚10毫米～90毫米系列規(guī)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(gòu)建了“高/中溫析出相調(diào)控理論→高精度鎧甲/超大鍛件極端制造→全工況驗(yàn)證”的完整創(chuàng)新鏈條，推動(dòng)我國在核聚變低溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)磁體的關(guān)鍵骨架。 (中科院等離子體所 供圖)
在應(yīng)用拓展方面，自2024年1月份首次批量供貨10噸起，1年內(nèi)即實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(yùn)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(xué)院（KIT）等國際頂尖機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
CHSN01鋼的規(guī)模化應(yīng)用，是中國鋼鐵人面向人類共同挑戰(zhàn)交出的又一份完美答卷。未來，當(dāng)“人造太陽”的光芒照亮人類文明時(shí)，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。
