“中國高強低温鋼1號”的三落三起

“中國高強低温鋼1號”是一種主要用於超導磁約束聚變裝置的材料，也是我國首創的一種新型材料。它的存在，能讓聚變堆的“心臟”穩固堅韌。

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，建成後將首次演示聚變能發電。現場裝配的6000噸左右部件中，由“中國高強低温鋼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，“中國高強低温鋼1號”已實現批量生產。但很少有人知道，它的誕生經歷了長達10年的三落三起。

新型低温鋼製成的超導導體。倪思潔攝

一落一起：“人造太陽”的“心頭刺”，改造N50成目標

“如果不是位於法國的‘人造太陽’出了問題，我們可能不會下那麼大決心去‘死磕’新型低温鋼。”中國科學院理化技術研究所（以下簡稱理化所）研究員李來風説。

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，位於“心臟”位置、用低温鋼材料做成的鋼管，在低温下延伸率大幅下降，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”裏，超導磁體由超導導體繞制，導體鎧甲由低温鋼材料製成，不僅需要扛住零下269攝氏度的液氦低温，還要扛住極強磁場的拉扯。

在ITER中，導體鎧甲採用的是一種名為316LN的不鏽鋼。出問題後，ITER項目參與團隊緊急找原因、優化鋼管生產和檢測技術，理化所則負責低温檢測任務。之後，中國團隊率先解決了問題。

儘管如此，從那時起，李來風心裏就埋下了一根“刺”：“現在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？用什麼材料滿足更高磁場的需要？”

他想，中國也有自己的“人造太陽”，低温鋼性能不夠的問題終將成為我國聚變堆發展的“心頭刺”。不拔出“刺”，李來風心裏難安。他帶着理化所團隊通過查閲文獻、與國內外同行交流，初步鎖定了一種代號N50的鋼。

與傳統316LN相比，N50在煉造過程中加入了氮，並增加了鎳和鈮含量，屈服強度明顯提高。只不過在強磁場條件下，N50的韌性表現並不比316LN優秀。

李來風決定改進N50成分設計，通過碳氮聯控和添加釩實現低温下強韌性匹配。這是他的看家本領。早在1986年，他的學士學位論文做的就是“新型廉價奧氏體不鏽鋼及應用”。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。憑着過去30多年的經驗，他帶着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，帶着新的技術思路，李來風和團隊成員黃傳軍、王維等去美國參加國際低温材料大會。會上，黃傳軍作了“中國低温結構材料研發”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温鋼；有的覺得有316LN就夠了，研製新材料屬於多此一舉；還有人撇撇嘴、聳聳肩，禮貌地説“你可以試試看”。

“試試就試試。”大家不服。

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

冶煉研究先從10公斤規模的小爐子做起，慢慢調整“配方”和冶煉工藝後，再把規模逐漸增加到50公斤、300公斤、500公斤。

到2019年12月，500公斤批量生產的新型低温鋼屈服強度達到1500兆帕，相當於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。

儘管500公斤仍屬於小規模試驗，但團隊知道，新型低温鋼離成功就差“臨門一腳”了。

三落三起：停滯一年有餘，需求牽出新機遇

誰也沒想到，新型低温鋼產業化的“臨門一腳”踢到了“鋼板”上。

做放大試驗，至少要冶煉1噸鋼材，材料製備、熱處理、鍛造等各個環節算下來，每冶煉1噸至少需要20萬元的成本。錢從哪裏來？

李來風跑研究所、跑鋼企，想勸説他們開展中試和量產試驗。對方經常問的問題是“做出來之後有需求嗎”。李來風沒法正面回答，因為當時國內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。

“用户的需求還沒上來。”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，新型低温鋼很難幹成。

多重因素影響下，新型低温鋼研製停滯了一年。團隊裏有人開始打退堂鼓。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，趙忠賢就瞭解到李來風團隊在做新型低温鋼研究。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結構材料對超導技術應用的重要性。

2020年，因為關心低温鋼這種結構材料，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：“這事值得幹！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温鋼的性能。

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）啓動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温度下，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：“新一代先進低温鋼必須研發，BEST裝置必須應用。”

由此，新型低温鋼研製迎來了新機遇。中國科學院及時部署“20K以下用高強高韌不鏽鋼材料研究”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，開展提升新型低温鋼性能的深入研究。

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”——高強鋼攻關聯盟。李來風任組長，等離子體所研究員秦經剛任副組長。他們的目標是把已有的技術積累推向產業，打造國產新型低温鋼。

聯盟裏有4家科研機構、13家企業，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。

其中，以中國鋼研為代表的國內主要特種鋼冶煉與加工製造企業，自投幾千萬經費開展新型低温鋼的批量化與產業化推動工作。

民間“賽馬”，CHSN01成了

從2022年起，高強鋼攻關聯盟開啓了兩週一次交流總結，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；一邊與用户單位溝通，希望保證參與攻關的單位最後都能獲得一定的訂單份額。

為了公平競爭，攻關組借鑑材料科學家師昌緒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，之後再送到理化所盲評盲測。”理化所檢測負責人孫文濤説。

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

“我國下一代聚變用低温鋼‘等米下鍋’的問題解決了！鎧甲性能十分優異。”BEST的鎧甲研製負責人王維俊説。

2023年底，李建剛提出，希望將組織國內優勢力量聯合幹大事的經驗延續下去。在他的倡議下，聚變高端材料聯合實驗室在合肥能源研究院成立。李來風擔任實驗室主任。

“新型低温鋼是及早佈局、需求牽引、產學研結合的產物。在這一過程中，我們以企業為創新主體，由科研單位組織起企業的創新力量，形成一支敢於攻堅克難的隊伍。”李來風説。

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，我們就幹”。

對於新型低温鋼的誕生歷程，趙忠賢感慨：“低温材料的誕生是需求牽引，低温鋼同樣是在需求下最終發展起來的。這個鋼除了在超導上應用外，還可以應用於其他相關領域。”

該低温鋼突破了傳統N50不鏽鋼的成分設計體系，屬於新型不鏽鋼種，被命名為“CHSN01”，並由合肥能源研究院與中國鋼研共同申請完成商標正式註冊。

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

（中國科學報 倪思潔）