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“中國高強低溫鋼1號”是一種主要用于超導磁約束聚變裝置的材料，也是我國首創(chuàng)的一種新型材料。它的存在，能讓聚變堆的“心臟”穩(wěn)固堅韌。

今年5月，我國首個緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）進入總裝階段，建成后將首次演示聚變能發(fā)電?，F(xiàn)場裝配的6000噸左右部件中，由“中國高強低溫鋼1號”做成的超導導體鎧甲和線圈盒直線段部件達500噸。

如今，“中國高強低溫鋼1號”已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。但很少有人知道，它的誕生經(jīng)歷了長達10年的三落三起。

新型低溫鋼制成的超導導體。倪思潔攝

一落一起：“人造太陽”的“心頭刺”，改造N50成目標

“如果不是位于法國的‘人造太陽’出了問題，我們可能不會下那么大決心去‘死磕’新型低溫鋼?！敝袊茖W院理化技術研究所（以下簡稱理化所）研究員李來風說。

那是在2011年，被譽為“人造太陽”的國際熱核聚變實驗堆（ITER）突然遇到問題。原來，位于“心臟”位置、用低溫鋼材料做成的鋼管，在低溫下延伸率大幅下降，這就好比人患上了心血管狹窄的病，如果不及時治療，隨時會有心梗風險。

通常，在核聚變裝置的“心臟”里，超導磁體由超導導體繞制，導體鎧甲由低溫鋼材料制成，不僅需要扛住零下269攝氏度的液氦低溫，還要扛住極強磁場的拉扯。

在ITER中，導體鎧甲采用的是一種名為316LN的不銹鋼。出問題后，ITER項目參與團隊緊急找原因、優(yōu)化鋼管生產(chǎn)和檢測技術，理化所則負責低溫檢測任務。之后，中國團隊率先解決了問題。

盡管如此，從那時起，李來風心里就埋下了一根“刺”：“現(xiàn)在ITER設計的最高磁場是11.8特斯拉，用316LN沒問題。但如果未來要提升磁場強度呢？用什么材料滿足更高磁場的需要？”

他想，中國也有自己的“人造太陽”，低溫鋼性能不夠的問題終將成為我國聚變堆發(fā)展的“心頭刺”。不拔出“刺”，李來風心里難安。他帶著理化所團隊通過查閱文獻、與國內(nèi)外同行交流，初步鎖定了一種代號N50的鋼。

與傳統(tǒng)316LN相比，N50在煉造過程中加入了氮，并增加了鎳和鈮含量，屈服強度明顯提高。只不過在強磁場條件下，N50的韌性表現(xiàn)并不比316LN優(yōu)秀。

李來風決定改進N50成分設計，通過碳氮聯(lián)控和添加釩實現(xiàn)低溫下強韌性匹配。這是他的看家本領。早在1986年，他的學士學位論文做的就是“新型廉價奧氏體不銹鋼及應用”。2005年，他與中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員楊柯共同指導博士生王松濤開展高氮鋼基礎研究。憑著過去30多年的經(jīng)驗，他帶著團隊設計出一套完整的技術路線。

二落二起：外國專家聽了直搖頭，小試階段初獲成功

2017年，帶著新的技術思路，李來風和團隊成員黃傳軍、王維等去美國參加國際低溫材料大會。會上，黃傳軍作了“中國低溫結構材料研發(fā)”的邀請報告。

沒想到，國際同行給他們潑了盆冷水。有的外國專家聽完直搖頭，覺得改造N50的技術路線根本不可能做出更高性能的新型低溫鋼；有的覺得有316LN就夠了，研制新材料屬于多此一舉；還有人撇撇嘴、聳聳肩，禮貌地說“你可以試試看”。

“試試就試試?！贝蠹也环?。

2018年，李來風主持科技部重點研發(fā)計劃“面向高場應用的新型高性能CICC超導導體研制”項目，堅持在項目計劃中預留100萬元經(jīng)費，委托金屬所和宣化鋼鐵集團有限責任公司（以下簡稱宣鋼）同時開展低溫鋼冶煉研究。

冶煉研究先從10公斤規(guī)模的小爐子做起，慢慢調(diào)整“配方”和冶煉工藝后，再把規(guī)模逐漸增加到50公斤、300公斤、500公斤。

到2019年12月，500公斤批量生產(chǎn)的新型低溫鋼屈服強度達到1500兆帕，相當于指甲蓋大小的面積上承受住15頭大象的重量，比316LN高出500兆帕。

盡管500公斤仍屬于小規(guī)模試驗，但團隊知道，新型低溫鋼離成功就差“臨門一腳”了。

三落三起：停滯一年有余，需求牽出新機遇

誰也沒想到，新型低溫鋼產(chǎn)業(yè)化的“臨門一腳”踢到了“鋼板”上。

做放大試驗，至少要冶煉1噸鋼材，材料制備、熱處理、鍛造等各個環(huán)節(jié)算下來，每冶煉1噸至少需要20萬元的成本。錢從哪里來？

李來風跑研究所、跑鋼企，想勸說他們開展中試和量產(chǎn)試驗。對方經(jīng)常問的問題是“做出來之后有需求嗎”。李來風沒法正面回答，因為當時國內(nèi)外的核聚變實驗和計劃都還沒有建設更高磁場強度的聚變堆。

“用戶的需求還沒上來。”李來風如實回答。結果顯而易見——鋼企沒動力做、研究機構沒錢做。

雪上加霜的是，當時，國際核聚變領域知名專家西村新正在李來風課題組做訪問學者。他不僅出任過ITER磁體部主要負責人，還參與了日本下一代磁約束核聚變裝置設計，而他也認為，新型低溫鋼很難干成。

多重因素影響下，新型低溫鋼研制停滯了一年。團隊里有人開始打退堂鼓。直到2020年，中國科學院物理研究所研究員趙忠賢出現(xiàn)在李來風的課題組組會上，才讓大家重拾信心。

早在2019年，趙忠賢就了解到李來風團隊在做新型低溫鋼研究。趙忠賢與李來風都曾師從物理學家洪朝生。而趙忠賢曾在多個場合強調(diào)結構材料對超導技術應用的重要性。

2020年，因為關心低溫鋼這種結構材料，趙忠賢主動提出要參加李來風的組會。組會上，看到垂頭喪氣的年輕人，趙忠賢直言：“這事值得干！你們不要迷信國外權威！”他還給團隊支招，告訴他們怎樣通過提高原材料純度確保低溫鋼的性能。

2021年，中國科學院等離子體物理研究所（以下簡稱等離子體所）啟動BEST工程設計。為了使磁體達到應有的性能，BEST要求結構部件在液氦溫度下，屈服強度達1500兆帕，延伸率超過25%。

等離子體所研究員、磁約束核聚變專家李建剛強調(diào)：“新一代先進低溫鋼必須研發(fā)，BEST裝置必須應用。”

由此，新型低溫鋼研制迎來了新機遇。中國科學院及時部署“20K以下用高強高韌不銹鋼材料研究”項目，由理化所負責，金屬所、等離子體所和中國科學院力學研究所參加，開展提升新型低溫鋼性能的深入研究。

2021年底，在趙忠賢和李建剛的建議下，等離子體所與理化所牽頭成立了一支“民間攻關隊”——高強鋼攻關聯(lián)盟。李來風任組長，等離子體所研究員秦經(jīng)剛任副組長。他們的目標是把已有的技術積累推向產(chǎn)業(yè)，打造國產(chǎn)新型低溫鋼。

聯(lián)盟里有4家科研機構、13家企業(yè)，分別是等離子體所、理化所、金屬所、合肥綜合性國家科學中心能源研究院（以下簡稱合肥能源研究院）、中國鋼研科技集團有限公司（以下簡稱中國鋼研）、宣鋼、浙江久立特材科技股份有限公司、上海電氣核電集團有限公司、上海電氣上重鑄鍛有限公司、中國第一重型機械股份公司、二重（德陽）重型裝備有限公司、攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司、中科天海（北京）科技有限公司，以及另外4家做焊接的企業(yè)。

其中，以中國鋼研為代表的國內(nèi)主要特種鋼冶煉與加工制造企業(yè)，自投幾千萬經(jīng)費開展新型低溫鋼的批量化與產(chǎn)業(yè)化推動工作。

民間“賽馬”，CHSN01成了

從2022年起，高強鋼攻關聯(lián)盟開啟了兩周一次交流總結，定期討論遇到的技術問題。

攻關組一邊鼓勵聯(lián)盟成員公開各自的技術，站在國家利益上思考問題；一邊與用戶單位溝通，希望保證參與攻關的單位最后都能獲得一定的訂單份額。

為了公平競爭，攻關組借鑒材料科學家?guī)煵w在碳纖維攻關時的做法，推行“賽馬制”。“各家都進行技術迭代，都有結果。我們要求所有機構做出的樣品先寄到等離子體所編號，之后再送到理化所盲評盲測?！崩砘鶛z測負責人孫文濤說。

2023年8月，在宣鋼召開的“下一代聚變磁體用高強高韌不銹鋼結構件”評審會上，專家一致認為新型低溫鋼達到性能指標，可用于我國下一代磁約束核聚變裝置BEST。

“我國下一代聚變用低溫鋼‘等米下鍋’的問題解決了！鎧甲性能十分優(yōu)異?！盉EST的鎧甲研制負責人王維俊說。

2023年底，李建剛提出，希望將組織國內(nèi)優(yōu)勢力量聯(lián)合干大事的經(jīng)驗延續(xù)下去。在他的倡議下，聚變高端材料聯(lián)合實驗室在合肥能源研究院成立。李來風擔任實驗室主任。

“新型低溫鋼是及早布局、需求牽引、產(chǎn)學研結合的產(chǎn)物。在這一過程中，我們以企業(yè)為創(chuàng)新主體，由科研單位組織起企業(yè)的創(chuàng)新力量，形成一支敢于攻堅克難的隊伍。”李來風說。

在他看來，這是一段辛苦但值得的歷程，“我是一個科研人，社會責任感是做人的根本，名譽、職位不重要，只要對國家有利，我們就干”。

對于新型低溫鋼的誕生歷程，趙忠賢感慨：“低溫材料的誕生是需求牽引，低溫鋼同樣是在需求下最終發(fā)展起來的。這個鋼除了在超導上應用外，還可以應用于其他相關領域?！?

該低溫鋼突破了傳統(tǒng)N50不銹鋼的成分設計體系，屬于新型不銹鋼種，被命名為“CHSN01”，并由合肥能源研究院與中國鋼研共同申請完成商標正式注冊。

李來風介紹，CHSN01是低溫高強控氮鋼1代的簡稱，俗稱“中國高強低溫鋼1號”，寓意“中國第一”。

（中國科學報 倪思潔）