摘要：数十年来，国际热核聚变实验堆（ITER）等聚变项目一直依赖316LN或JK2LB低温不锈钢。这些合金在液氦温度下性能良好，但在4.2开尔文（K，低温环境）下，其屈服强度上限仅为0.9-1.1吉帕斯卡（GPa），且在反复循环下延展性开始下降。这些限制使得ITER
中国新型CHSN01“超级钢”可承受20特斯拉强磁场和6万次聚变脉冲。
数十年来，国际热核聚变实验堆（ITER）等聚变项目一直依赖316LN或JK2LB低温不锈钢。这些合金在液氦温度下性能良好，但在4.2开尔文（K，低温环境）下，其屈服强度上限仅为0.9-1.1吉帕斯卡（GPa），且在反复循环下延展性开始下降。这些限制使得ITER的磁场上限被卡在11.8特斯拉，并迫使其采用庞大且昂贵的装置设计。
中国计划建设更紧凑的产电托卡马克装置，其设计者认为需要一种能承受更高应力而不开裂的铠装材料。
这一需求引发了一场长达12年的材料攻关，许多海外专家曾断言这“绝对不可能”。其成果便是CHSN01（中国高强度低温钢1号），该材料被验证可承受20特斯拉磁场和1.3 GPa的综合电磁应力，同时断裂前仍能延伸约30%。
同样重要的是，在经历60000次开关循环（相当于中国“燃烧等离子体实验超导托卡马克”装置BEST的整个寿命工作量）后，它仍能保持这些性能。
合金奥秘
该合金的魅力在于，少量精心调配的成分将普通不锈钢基材转变为在液氦温度下近乎表现出弹性行为的材料。工程师们以氮强化奥氏体钢Nitronic-50为基础，将其碳含量降至0.01%以下。
这种超低碳含量可防止在4 K温度下多年服役过程中形成脆性碳化物。接着，他们将合金的氮含量提高到约0.30%（对不锈钢而言很高），同时略微提高镍含量。氮和镍共同作用，即使温度骤降至-269°C（4 K），也能将金属稳定在强韧且具有延展性的奥氏体相中。
在碳氮平衡固定后，加入微量钒，使其析出仅几纳米大小的氮化钒颗粒。这些颗粒能钉扎位错并提高强度，却不会像通常那样牺牲韧性。最后，研究团队对氧、磷和硫施加了铸造级洁净度限制（均低于0.02%），从而确保在磁体载荷下不会有游离夹杂物成为裂纹萌生点。
这些精妙的化学调整转化成了惊艳的数据：在4.2 K下，CHSN01能维持约1.5 GPa的屈服应力，同时断裂前延伸率仍超过30%。其强度比ITER选用的316LN铠装层高出约40%，却具有同样的抗裂性。
更强铠装层为何重要
超导磁体是托卡马克的核心动力源。当操作人员提升电流时，洛伦兹力会试图使螺旋缠绕的导体膨胀。工程师可以通过增加体量（ITER的方案）或将电缆封装在极其坚固、根本不会屈服的铠装层中来抵抗这些力。中国凭借CHSN01选择了第二条路径。
有限元和裂纹扩展模型表明，该铠装层即使初始缺陷面积达6平方毫米（远高于无损检测0.5平方毫米的检出限），仍能经受住BEST装置将运行的60000次脉冲考验。实际上，这意味着制造商无需对导体进行过度抛光或放大尺寸，从而减轻了重量、成本和组装时间。
更强的铠装层也为产生更高磁场打开了大门。将磁场强度从ITER的11.8特斯拉提升到20特斯拉，可使等离子体的约束压力大约翻两番（增至四倍），让物理学家能够设计出体积仅为三分之一、却仍能实现聚变能量增益因子（Q值）大于一的装置。更小的反应堆更易于屏蔽、建造成本更低，并且可以像模块化裂变单元一样集群布置。
内置的抗疲劳保障
仅有高强度还不够，因为聚变磁体需持续脉冲运行多年。为验证CHSN01的持久性能，研究人员在4.2 K下测量了其疲劳裂纹扩展速率，并使用帕里斯（Paris）定律模型预测其在真实载荷谱下的寿命。
在保守的99%置信水平下，铠装层即使初始缺陷面积为1平方毫米，也能在达到临界裂纹长度前完成整个服役寿命。这些数据为检验人员提供了明确且可验证的无损检测阈值，这是以往合金无法提供的。
从实验室走向工厂
由于CHSN01基于现有的Nitronic生产工艺路线，中国钢厂能够快速实现规模化生产。到2025年年中，已有500吨导体铠装层交付至位于合肥的BEST建造现场。据报道，项目物理学家李来风认为，这个产量证明该合金已“为工业应用做好准备，而不仅是停留在实验室阶段”。
超越聚变
曾在2020年激励团队攻关的低温物理先驱赵忠贤院士认为，CHSN01的影响将远不止于托卡马克。核磁共振扫描仪（MRI）、粒子加速器、磁悬浮列车，甚至量子计算的稀释制冷机，其核心结构都面临着同样的低温加应力的困境。换用这种既更强又更韧的钢材，可以缩小磁体体积，或普遍延长其维护间隔。
一项静默却关键的突破
聚变领域常因创纪录的等离子体放电或奇特的反应堆概念而登上头条。然而历史表明，重大的能源技术成也材料科学，败也材料科学。中国研究人员在不牺牲韧性的前提下将低温不锈钢推进到1.5 GPa级别，为高场磁体提供了其缺失的关键机械“拱心石”。
无论BEST能否在本十年末实现其40-200兆瓦的功率目标，现在每个聚变团队都有了新的标杆。如果你的导体铠装层达不到CHSN01的性能指标，或许是时候请冶金专家们重返熔炉了。
来源：知新了了一点号