中国冶金报社
记者 罗忠河 报道
5月1日，安徽合肥聚变堆主机关键系统综合研究设施园区内，一项改写人类能源史的工程正在如火如荼地实施。随着4根长达52米、重达400吨的巨型行车主梁缓缓落位，世界首台紧凑型聚变能实验装置（BEST）工程总装正式启动，朝着实现“全球首次聚变能发电”战略目标迈出关键一步。
我国首创的CHSN01超低温高强韧无磁钢（简称CHSN01钢），将为这颗重达6000吨的聚变堆“心脏”的强劲跳动提供不可或缺的助力。这种由中国钢研集团所属钢铁研究总院有限公司（简称钢研总院）与中国科学院等离子体物理研究所（简称等离子体所）、理化技术研究所共同研发、联合攻关的不锈钢新材料，将化身500吨铠甲与线圈盒直线段部件，嵌入BEST装置最核心的超导磁体系统，直面零下268.95摄氏度（4.2K）的极端低温考验，托举起我国“人造太阳”的伟大梦想，为人类清洁能源革命贡献“中国方案”。
图为中国BEST聚变装置总装现场，CHSN01钢将支撑起这个“人造太阳”超导磁体系统的核心结构。 (中科院等离子体所 供图)
研发突破：
破解超低温下材料强韧性协同调控的世界级难题
可控核聚变被称为“人造太阳”，但要驾驭这颗“太阳”，首先得攻克材料难关。钢研总院与等离子体所等单位联合组建创新团队，响应国家战略需求，勇闯无人区，于2021年11月份携手联盟单位攻坚克难，基于团队在超低温材料丰硕的科研成果，仅用2年时间便成功破解了零下268.95摄氏度极端低温环境下材料强韧性协同调控的世界级难题。
可以说，CHSN01钢的研发故事正是我国青年钢铁科研人员在实现高水平科技自立自强征程中的一个生动缩影。在2021年7月23日该项目刚启动时，年仅38岁的该团队负责人王长军博士勇挑重担，带领这支年轻的创新团队向破解世界级难题发起冲锋。“面对这项世界级难题，我们只能摸着石头过河，一点一点地试，不断迭代成分与优化制造工艺。”团队专家杨志勇教授回忆起当时的艰难情景时感慨万千。
2021年12月8日，关键技术攻关正式启动。2022年8月30日，首批预研件通过评审，验证了核心设计理念的可行性。2023年3月4日，该项目取得重要阶段性进展，启动1∶1原型件工业化试制。2023年8月6日，原型件成功通过严格评审，材料性能指标全面达到设计要求，具备工程应用潜力。攻关联盟组成单位也从最初的6家拓展为包含产—学—研—检—用的17家单位。在此基础上，2023年11月16日，聚变高端金属材料研发联合实验室于合肥综合性国家科学中心能源研究院正式成立。说起研发历程的一个个关键节点，王长军博士、秦经刚博士如数家珍。
图为2023年3月4日“新一代聚变工程用高端金属材料”论坛暨“4.2K高强韧不锈钢研发进展”研讨会与会嘉宾合影。（钢研总院供图）
从实验室到工业化的跨越同样艰难。为了实现百吨级批量生产，钢研总院以“小核心大协作”模式，联合等离子体所、久立特材，突破高精度内圆外方的铠甲轧制技术瓶颈，铠甲尺寸精度误差不超过±0.02毫米；联合攀钢集团长城特钢打通厚90毫米以下系列规格热轧板材的全流程生产工艺；联合上海电气上重铸锻攻克6吨级大锻件生产难题，在5000毫米长的大锻件中实现“零缺陷”。历经3年多的坚守和努力，终于迎来“中国首创”的破茧成蝶。2024年12月7日，“CHSN01”商标正式注册，标志着该研发成果正式转入工程化应用与产业化推广阶段，并迅速实现批量生产，使我国首次在核聚变材料领域实现从“跟跑”到“领跑”的飞跃。
性能跃升：
树立超低温核聚变材料的国际新标杆
在零下268.95摄氏度的极寒环境中，普通钢材脆如玻璃。面对困难，该团队突破了核聚变低温结构材料极限，使CHSN01钢性能指标实现了质的飞跃，树立了国际新标杆：在零下268.95摄氏度的极寒环境下，CHSN01铠甲屈服强度突破1500兆帕，相当于指甲盖大小面积能承受15头大象的重量；抗拉强度突破1800兆帕，延伸率超30%，断裂韧性优于180兆帕·米1/2。与ITER（国际热核聚变实验堆）项目广泛使用的316LN不锈钢铠甲相比，其强度提升了约40%，塑韧性却旗鼓相当。也就是说，在承受巨大的机械载荷时，CHSN01钢既坚如磐石，又拥有惊人的抗断裂与形变能力。
与此同时，CHSN01钢推动了一场轻量化革命，使超导磁体系统成功“瘦身”10%，单台装置即可节约结构材料100吨，更重要的是在有限的空间内可以显著提高装置的运行参数。
如今，CHSN01钢已通过等离子体所最严苛的“实战”考核，性能全面碾压ITER使用的316LN不锈钢、JJ1等国际特种合金材料。目前，CHSN01钢已应用于BEST装置中约300吨铠甲与200吨线圈盒直线段产品制造，完成全球最大规模工程的验证。这种刚柔并济的特性，让CHSN01钢成为聚变堆核心部件的坚强守护者。
对此，中国科学院文献情报中心技术评价报告表示：“中国和美国国家强磁场实验室均研发出零下268.95摄氏度下屈服强度超过1500兆帕的材料，但性能同时满足伸长率大于30%、断裂韧性大于180兆帕·米1/2要求的，只有中国能够实现。”
应用拓展：
全产业链创新锻造大国重器“钢筋铁骨”
如今，CHSN01钢已构建“冶炼—成型—应用”全产业链创新能力，显示出广阔的应用推广前景。
在冶炼精控方面，钢研总院核聚变创新团队创新采用“电炉+氩氧脱碳+炉外精炼+电渣重熔”的低成本冶炼工艺，精准实现了超低碳(C≤0.01%)、高氮 (N：0.28%～0.38%)、超低杂质控制(P≤0.01%、S≤0.005%、Al≤0.02%、O≤0.002%)，且单炉组批能力达40吨，为CHSN01钢大规模批量供货奠定了坚实基础。
在成型制造方面，钢研总院、等离子体所联合久立特材在国际上首次完成聚变磁体用高强韧、耐低温CHSN01不锈钢铠甲研制，并通过了真实服役工况下的性能考核；联合攀钢集团长城特钢、上海电气上重铸锻与国机重装二重装备共同完成了厚10毫米～90毫米系列规格的CHSN01热轧板材和6吨级大尺寸CHSN01锻件（厚260毫米×560毫米×5000毫米）的研制，构建了“高/中温析出相调控理论→高精度铠甲/超大锻件极端制造→全工况验证”的完整创新链条，推动我国在核聚变低温结构材料领域实现从“跟跑”到“领跑”的跨越。
图为国际首根采用CHSN01钢作为铠甲的BEST全尺寸超导磁体。 (中科院等离子体所 供图)
图为BEST装置中采用CHSN01钢制造的TF线圈盒部件，这是托举超导磁体的关键骨架。 (中科院等离子体所 供图)
在应用拓展方面，自2024年1月份首次批量供货10吨起，1年内即实现向BEST装置百吨级批量供货。其中，总重约300吨的CHSN01不锈钢铠甲已完成超22588米交付（总需求量约52438米），占总需求的43%；总重约200吨的CHSN01线圈盒直线段部件完成交付3套（总需求量为17套）。如今，其应用版图正从BEST装置核心部件，快速拓展至航天深低温贮箱、氢能储运装备等市场，引起法国原子能委员会（CEA）、德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）等国际顶尖机构的关注。
CHSN01钢的规模化应用，是中国钢铁人面向人类共同挑战交出的又一份完美答卷。未来，当“人造太阳”的光芒照亮人类文明时，CHSN01钢作为托起这片光芒的钢铁脊梁，必将在中国乃至世界新能源史上，镌刻下铸造大国重器的辉煌篇章。清洁能源革命的巨轮，正从东方启航。
