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中國首創(chuàng)CHSN01超低溫高強韌鋼托起“人造太陽”破解世界難題
5月1日，安徽合肥聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施園區(qū)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(xiàn)“全球首次聚變能發(fā)電”戰(zhàn)略目標邁出關鍵一步。
我國首創(chuàng)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(fā)、聯(lián)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(tǒng)，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”。
研發(fā)突破：破解超低溫下材料強韌性協(xié)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(lián)合組建創(chuàng)新團隊，響應國家戰(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(huán)境下材料強韌性協(xié)同調控的世界級難題。 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現(xiàn)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(chuàng)新團隊向破解世界級難題發(fā)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(yōu)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(yè)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(lián)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(fā)聯(lián)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(fā)歷程的一個個關鍵節(jié)點，王長軍博士、秦經(jīng)剛博士如數(shù)家珍。
從實驗室到工業(yè)化的跨越同樣艱難。為了實現(xiàn)百噸級批量生產，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(lián)合攀鋼集團長城特鋼打通厚90毫米以下系列規(guī)格熱軋板材的全流程生產工藝；聯(lián)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(xiàn)“零缺陷”。歷經(jīng)3年多的堅守和努力，終于迎來“中國首創(chuàng)”的破繭成蝶。2024年12月7日，“CHSN01”商標正式注冊，標志著該研發(fā)成果正式轉入工程化應用與產業(yè)化推廣階段，并迅速實現(xiàn)批量生產，使我國首次在核聚變材料領域實現(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(huán)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(yōu)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(tǒng)成功“瘦身”10%，單臺裝置即可節(jié)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(shù)。 如今，CHSN01鋼已通過等離子體所最嚴苛的“實戰(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(guī)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(fā)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(xiàn)?！?
應用拓展：全產業(yè)鏈創(chuàng)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(yè)鏈創(chuàng)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(chuàng)新團隊創(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，精準實現(xiàn)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(guī)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(lián)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(lián)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(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(chuàng)新鏈條，推動我國在核聚變低溫結構材料領域實現(xiàn)從“跟跑”到“領跑”的跨越。
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(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(guī)?；瘧?，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“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。
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