中國(guó)新型CHSN01“超級(jí)鋼”可承受20特斯拉強(qiáng)磁場(chǎng)和6萬(wàn)次聚變脈沖。

數(shù)十年來(lái)，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）等聚變項(xiàng)目一直依賴(lài)316LN或JK2LB低溫不銹鋼。這些合金在液氦溫度下性能良好，但在4.2開(kāi)爾文（K，低溫環(huán)境）下，其屈服強(qiáng)度上限僅為0.9-1.1吉帕斯卡（GPa），且在反復(fù)循環(huán)下延展性開(kāi)始下降。這些限制使得ITER的磁場(chǎng)上限被卡在11.8特斯拉，并迫使其采用龐大且昂貴的裝置設(shè)計(jì)。

中國(guó)計(jì)劃建設(shè)更緊湊的產(chǎn)電托卡馬克裝置，其設(shè)計(jì)者認(rèn)為需要一種能承受更高應(yīng)力而不開(kāi)裂的鎧裝材料。

這一需求引發(fā)了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)12年的材料攻關(guān)，許多海外專(zhuān)家曾斷言這“絕對(duì)不可能”。其成果便是CHSN01（中國(guó)高強(qiáng)度低溫鋼1號(hào)），該材料被驗(yàn)證可承受20特斯拉磁場(chǎng)和1.3 GPa的綜合電磁應(yīng)力，同時(shí)斷裂前仍能延伸約30%。

同樣重要的是，在經(jīng)歷60000次開(kāi)關(guān)循環(huán)（相當(dāng)于中國(guó)“燃燒等離子體實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”裝置BEST的整個(gè)壽命工作量）后，它仍能保持這些性能。

合金奧秘

該合金的魅力在于，少量精心調(diào)配的成分將普通不銹鋼基材轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝汉囟认陆醣憩F(xiàn)出彈性行為的材料。工程師們以氮強(qiáng)化奧氏體鋼Nitronic-50為基礎(chǔ)，將其碳含量降至0.01%以下。

這種超低碳含量可防止在4 K溫度下多年服役過(guò)程中形成脆性碳化物。接著，他們將合金的氮含量提高到約0.30%（對(duì)不銹鋼而言很高），同時(shí)略微提高鎳含量。氮和鎳共同作用，即使溫度驟降至-269°C（4 K），也能將金屬穩(wěn)定在強(qiáng)韌且具有延展性的奧氏體相中。

在碳氮平衡固定后，加入微量釩，使其析出僅幾納米大小的氮化釩顆粒。這些顆粒能釘扎位錯(cuò)并提高強(qiáng)度，卻不會(huì)像通常那樣犧牲韌性。最后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)氧、磷和硫施加了鑄造級(jí)潔凈度限制（均低于0.02%），從而確保在磁體載荷下不會(huì)有游離夾雜物成為裂紋萌生點(diǎn)。

這些精妙的化學(xué)調(diào)整轉(zhuǎn)化成了驚艷的數(shù)據(jù)：在4.2 K下，CHSN01能維持約1.5 GPa的屈服應(yīng)力，同時(shí)斷裂前延伸率仍超過(guò)30%。其強(qiáng)度比ITER選用的316LN鎧裝層高出約40%，卻具有同樣的抗裂性。

更強(qiáng)鎧裝層為何重要

超導(dǎo)磁體是托卡馬克的核心動(dòng)力源。當(dāng)操作人員提升電流時(shí)，洛倫茲力會(huì)試圖使螺旋纏繞的導(dǎo)體膨脹。工程師可以通過(guò)增加體量（ITER的方案）或?qū)㈦娎|封裝在極其堅(jiān)固、根本不會(huì)屈服的鎧裝層中來(lái)抵抗這些力。中國(guó)憑借CHSN01選擇了第二條路徑。

有限元和裂紋擴(kuò)展模型表明，該鎧裝層即使初始缺陷面積達(dá)6平方毫米（遠(yuǎn)高于無(wú)損檢測(cè)0.5平方毫米的檢出限），仍能經(jīng)受住BEST裝置將運(yùn)行的60000次脈沖考驗(yàn)。實(shí)際上，這意味著制造商無(wú)需對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行過(guò)度拋光或放大尺寸，從而減輕了重量、成本和組裝時(shí)間。

更強(qiáng)的鎧裝層也為產(chǎn)生更高磁場(chǎng)打開(kāi)了大門(mén)。將磁場(chǎng)強(qiáng)度從ITER的11.8特斯拉提升到20特斯拉，可使等離子體的約束壓力大約翻兩番（增至四倍），讓物理學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出體積僅為三分之一、卻仍能實(shí)現(xiàn)聚變能量增益因子（Q值）大于一的裝置。更小的反應(yīng)堆更易于屏蔽、建造成本更低，并且可以像模塊化裂變單元一樣集群布置。

內(nèi)置的抗疲勞保障

僅有高強(qiáng)度還不夠，因?yàn)榫圩兇朋w需持續(xù)脈沖運(yùn)行多年。為驗(yàn)證CHSN01的持久性能，研究人員在4.2 K下測(cè)量了其疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并使用帕里斯（Paris）定律模型預(yù)測(cè)其在真實(shí)載荷譜下的壽命。

在保守的99%置信水平下，鎧裝層即使初始缺陷面積為1平方毫米，也能在達(dá)到臨界裂紋長(zhǎng)度前完成整個(gè)服役壽命。這些數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)人員提供了明確且可驗(yàn)證的無(wú)損檢測(cè)閾值，這是以往合金無(wú)法提供的。

從實(shí)驗(yàn)室走向工廠

由于CHSN01基于現(xiàn)有的Nitronic生產(chǎn)工藝路線，中國(guó)鋼廠能夠快速實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。到2025年年中，已有500噸導(dǎo)體鎧裝層交付至位于合肥的BEST建造現(xiàn)場(chǎng)。據(jù)報(bào)道，項(xiàng)目物理學(xué)家李來(lái)風(fēng)認(rèn)為，這個(gè)產(chǎn)量證明該合金已“為工業(yè)應(yīng)用做好準(zhǔn)備，而不僅是停留在實(shí)驗(yàn)室階段”。

超越聚變

曾在2020年激勵(lì)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的低溫物理先驅(qū)趙忠賢院士認(rèn)為，CHSN01的影響將遠(yuǎn)不止于托卡馬克。核磁共振掃描儀（MRI）、粒子加速器、磁懸浮列車(chē)，甚至量子計(jì)算的稀釋制冷機(jī)，其核心結(jié)構(gòu)都面臨著同樣的低溫加應(yīng)力的困境。換用這種既更強(qiáng)又更韌的鋼材，可以縮小磁體體積，或普遍延長(zhǎng)其維護(hù)間隔。

一項(xiàng)靜默卻關(guān)鍵的突破

聚變領(lǐng)域常因創(chuàng)紀(jì)錄的等離子體放電或奇特的反應(yīng)堆概念而登上頭條。然而歷史表明，重大的能源技術(shù)成也材料科學(xué)，敗也材料科學(xué)。中國(guó)研究人員在不犧牲韌性的前提下將低溫不銹鋼推進(jìn)到1.5 GPa級(jí)別，為高場(chǎng)磁體提供了其缺失的關(guān)鍵機(jī)械“拱心石”。

無(wú)論BEST能否在本十年末實(shí)現(xiàn)其40-200兆瓦的功率目標(biāo)，現(xiàn)在每個(gè)聚變團(tuán)隊(duì)都有了新的標(biāo)桿。如果你的導(dǎo)體鎧裝層達(dá)不到CHSN01的性能指標(biāo)，或許是時(shí)候請(qǐng)冶金專(zhuān)家們重返熔爐了。

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