“中国高强低温钢1号”的三落三起

“中国高强低温钢1号”是一种主要用于超导磁约束聚变装置的材料，也是我国首创的一种新型材料。它的存在，能让聚变堆的“心脏”稳固坚韧。

今年5月，我国首个紧凑型聚变能实验装置（BEST）进入总装阶段，建成后将首次演示聚变能发电。现场装配的6000吨左右部件中，由“中国高强低温钢1号”做成的超导导体铠甲和线圈盒直线段部件达500吨。

如今，“中国高强低温钢1号”已实现批量生产。但很少有人知道，它的诞生经历了长达10年的三落三起。

新型低温钢制成的超导导体。倪思洁摄

一落一起：“人造太阳”的“心头刺”，改造N50成目标

“如果不是位于法国的‘人造太阳’出了问题，我们可能不会下那么大决心去‘死磕’新型低温钢。”中国科学院理化技术研究所（以下简称理化所）研究员李来风说。

那是在2011年，被誉为“人造太阳”的国际热核聚变实验堆（ITER）突然遇到问题。原来，位于“心脏”位置、用低温钢材料做成的钢管，在低温下延伸率大幅下降，这就好比人患上了心血管狭窄的病，如果不及时治疗，随时会有心梗风险。

通常，在核聚变装置的“心脏”里，超导磁体由超导导体绕制，导体铠甲由低温钢材料制成，不仅需要扛住零下269摄氏度的液氦低温，还要扛住极强磁场的拉扯。

在ITER中，导体铠甲采用的是一种名为316LN的不锈钢。出问题后，ITER项目参与团队紧急找原因、优化钢管生产和检测技术，理化所则负责低温检测任务。之后，中国团队率先解决了问题。

尽管如此，从那时起，李来风心里就埋下了一根“刺”：“现在ITER设计的最高磁场是11.8特斯拉，用316LN没问题。但如果未来要提升磁场强度呢？用什么材料满足更高磁场的需要？”

他想，中国也有自己的“人造太阳”，低温钢性能不够的问题终将成为我国聚变堆发展的“心头刺”。不拔出“刺”，李来风心里难安。他带着理化所团队通过查阅文献、与国内外同行交流，初步锁定了一种代号N50的钢。

与传统316LN相比，N50在炼造过程中加入了氮，并增加了镍和铌含量，屈服强度明显提高。只不过在强磁场条件下，N50的韧性表现并不比316LN优秀。

李来风决定改进N50成分设计，通过碳氮联控和添加钒实现低温下强韧性匹配。这是他的看家本领。早在1986年，他的学士学位论文做的就是“新型廉价奥氏体不锈钢及应用”。2005年，他与中国科学院金属研究所（以下简称金属所）研究员杨柯共同指导博士生王松涛开展高氮钢基础研究。凭着过去30多年的经验，他带着团队设计出一套完整的技术路线。

二落二起：外国专家听了直摇头，小试阶段初获成功

2017年，带着新的技术思路，李来风和团队成员黄传军、王维等去美国参加国际低温材料大会。会上，黄传军作了“中国低温结构材料研发”的邀请报告。

没想到，国际同行给他们泼了盆冷水。有的外国专家听完直摇头，觉得改造N50的技术路线根本不可能做出更高性能的新型低温钢；有的觉得有316LN就够了，研制新材料属于多此一举；还有人撇撇嘴、耸耸肩，礼貌地说“你可以试试看”。

“试试就试试。”大家不服。

2018年，李来风主持科技部重点研发计划“面向高场应用的新型高性能CICC超导导体研制”项目，坚持在项目计划中预留100万元经费，委托金属所和宣化钢铁集团有限责任公司（以下简称宣钢）同时开展低温钢冶炼研究。

冶炼研究先从10公斤规模的小炉子做起，慢慢调整“配方”和冶炼工艺后，再把规模逐渐增加到50公斤、300公斤、500公斤。

到2019年12月，500公斤批量生产的新型低温钢屈服强度达到1500兆帕，相当于指甲盖大小的面积上承受住15头大象的重量，比316LN高出500兆帕。

尽管500公斤仍属于小规模试验，但团队知道，新型低温钢离成功就差“临门一脚”了。

三落三起：停滞一年有余，需求牵出新机遇

谁也没想到，新型低温钢产业化的“临门一脚”踢到了“钢板”上。

做放大试验，至少要冶炼1吨钢材，材料制备、热处理、锻造等各个环节算下来，每冶炼1吨至少需要20万元的成本。钱从哪里来？

李来风跑研究所、跑钢企，想劝说他们开展中试和量产试验。对方经常问的问题是“做出来之后有需求吗”。李来风没法正面回答，因为当时国内外的核聚变实验和计划都还没有建设更高磁场强度的聚变堆。

“用户的需求还没上来。”李来风如实回答。结果显而易见——钢企没动力做、研究机构没钱做。

雪上加霜的是，当时，国际核聚变领域知名专家西村新正在李来风课题组做访问学者。他不仅出任过ITER磁体部主要负责人，还参与了日本下一代磁约束核聚变装置设计，而他也认为，新型低温钢很难干成。

多重因素影响下，新型低温钢研制停滞了一年。团队里有人开始打退堂鼓。直到2020年，中国科学院物理研究所研究员赵忠贤出现在李来风的课题组组会上，才让大家重拾信心。

早在2019年，赵忠贤就了解到李来风团队在做新型低温钢研究。赵忠贤与李来风都曾师从物理学家洪朝生。而赵忠贤曾在多个场合强调结构材料对超导技术应用的重要性。

2020年，因为关心低温钢这种结构材料，赵忠贤主动提出要参加李来风的组会。组会上，看到垂头丧气的年轻人，赵忠贤直言：“这事值得干！你们不要迷信国外权威！”他还给团队支招，告诉他们怎样通过提高原材料纯度确保低温钢的性能。

2021年，中国科学院等离子体物理研究所（以下简称等离子体所）启动BEST工程设计。为了使磁体达到应有的性能，BEST要求结构部件在液氦温度下，屈服强度达1500兆帕，延伸率超过25%。

等离子体所研究员、磁约束核聚变专家李建刚强调：“新一代先进低温钢必须研发，BEST装置必须应用。”

由此，新型低温钢研制迎来了新机遇。中国科学院及时部署“20K以下用高强高韧不锈钢材料研究”项目，由理化所负责，金属所、等离子体所和中国科学院力学研究所参加，开展提升新型低温钢性能的深入研究。

2021年底，在赵忠贤和李建刚的建议下，等离子体所与理化所牵头成立了一支“民间攻关队”——高强钢攻关联盟。李来风任组长，等离子体所研究员秦经刚任副组长。他们的目标是把已有的技术积累推向产业，打造国产新型低温钢。

联盟里有4家科研机构、13家企业，分别是等离子体所、理化所、金属所、合肥综合性国家科学中心能源研究院（以下简称合肥能源研究院）、中国钢研科技集团有限公司（以下简称中国钢研）、宣钢、浙江久立特材科技股份有限公司、上海电气核电集团有限公司、上海电气上重铸锻有限公司、中国第一重型机械股份公司、二重（德阳）重型装备有限公司、攀钢集团江油长城特殊钢有限公司、中科天海（北京）科技有限公司，以及另外4家做焊接的企业。

其中，以中国钢研为代表的国内主要特种钢冶炼与加工制造企业，自投几千万经费开展新型低温钢的批量化与产业化推动工作。

民间“赛马”，CHSN01成了

从2022年起，高强钢攻关联盟开启了两周一次交流总结，定期讨论遇到的技术问题。

攻关组一边鼓励联盟成员公开各自的技术，站在国家利益上思考问题；一边与用户单位沟通，希望保证参与攻关的单位最后都能获得一定的订单份额。

为了公平竞争，攻关组借鉴材料科学家师昌绪在碳纤维攻关时的做法，推行“赛马制”。“各家都进行技术迭代，都有结果。我们要求所有机构做出的样品先寄到等离子体所编号，之后再送到理化所盲评盲测。”理化所检测负责人孙文涛说。

2023年8月，在宣钢召开的“下一代聚变磁体用高强高韧不锈钢结构件”评审会上，专家一致认为新型低温钢达到性能指标，可用于我国下一代磁约束核聚变装置BEST。

“我国下一代聚变用低温钢‘等米下锅’的问题解决了！铠甲性能十分优异。”BEST的铠甲研制负责人王维俊说。

2023年底，李建刚提出，希望将组织国内优势力量联合干大事的经验延续下去。在他的倡议下，聚变高端材料联合实验室在合肥能源研究院成立。李来风担任实验室主任。

“新型低温钢是及早布局、需求牵引、产学研结合的产物。在这一过程中，我们以企业为创新主体，由科研单位组织起企业的创新力量，形成一支敢于攻坚克难的队伍。”李来风说。

在他看来，这是一段辛苦但值得的历程，“我是一个科研人，社会责任感是做人的根本，名誉、职位不重要，只要对国家有利，我们就干”。

对于新型低温钢的诞生历程，赵忠贤感慨：“低温材料的诞生是需求牵引，低温钢同样是在需求下最终发展起来的。这个钢除了在超导上应用外，还可以应用于其他相关领域。”

该低温钢突破了传统N50不锈钢的成分设计体系，属于新型不锈钢种，被命名为“CHSN01”，并由合肥能源研究院与中国钢研共同申请完成商标正式注册。

李来风介绍，CHSN01是低温高强控氮钢1代的简称，俗称“中国高强低温钢1号”，寓意“中国第一”。

（中国科学报 倪思洁）