随着全球对清洁能源的需求不断增长，核聚变技术因其绿色、可持续和高效的特点成为能源发展的重要方向。中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）在紧凑型聚变装置的设计制造中，选择了新型高强度低温钢材料CHSN01作为中央螺线管（CS）磁体的导体外壳，这标志着我国在聚变材料技术上实现了重大突破。CHSN01是一种基于改良N50高强度奥氏体不锈钢的新型合金，专门针对4.2K低温运行环境以及激烈电磁应力下的疲劳裂纹增长进行了优化和改良，其屈服强度超过1500兆帕，满足了未来聚变磁体高强度、高可靠性的苛刻要求。该材料的研发背景体现了核聚变装置对材料性能的极致追求。由于空间限制和磁体结构设计，中央螺线管所承受的电磁脉冲作用下的应力波动非常大，材料需要具备优异的抗疲劳性能，以确保至少承受6万个等离子体脉冲循环。此外，因高磁场环境及超低温条件，材料的低温韧性和结构稳定性更是关键。
CHSN01通过对碳含量、镍含量和氧含量的精准控制，实现了微观组织的均匀性和优异的低温断裂韧性。具体来说，CHSN01的碳含量控制在极低水平（小于0.01%），有效避免了碳化物析出导致的韧性劣化；通过提高镍含量（约14.5%-15.5%）扩大了奥氏体稳定区，提高了低温塑性和韧性；严格控制氧含量至约20ppm，消除了氧美点缺陷和内夹杂物，进一步提升了材料对低温疲劳的抵抗力。材料微观结构分析结果显示元素分布均匀，不存在明显的杂质集中区域，断口形貌具备典型的韧性断裂特征，具备良好的断裂韧性和抵抗裂纹扩展的潜力。CHSN01不仅满足了材料力学性能的基本指标，还通过Fatigue Crack Growth Rate（FCGR，疲劳裂纹扩展速率）实验，量化了其在循环应力下裂纹扩展的规律。实验以4.2K的液氦环境模拟实际聚变装置冷却条件，采用遵循ASTM E647标准的单轴疲劳裂纹试样，通过调控载荷比（R=0.1）和频率（15Hz）精准测定裂纹增长速率。系列试验涵盖了本材料在冷加工和650°C热处理后不同工艺状态下的表现，结果显示热处理工艺对材料疲劳性能无明显负面影响，表明CHSN01具备适应复杂制造过程的能力。
利用实验数据拟合巴黎方程，并结合应力强度因子范围（ΔK）的有限元模拟，实现了疲劳寿命的精确预测。有限元模型涵盖了包括REBCO和Nb3Sn高温及低温超导线圈的多个组件，综合考虑了冷却收缩、机械预载及通电激励过程，真实反映磁体实际工作环境所致的应力场变化。通过模拟不同缺陷尺寸下的裂纹扩展，并引用最大似然估计法分析裂纹增长率的概率分布，使得最大允许初始缺陷尺寸得以确定。结果表明，REBCO外壳最大初始缺陷容许面积约为6.18平方毫米，而Nb3Sn外壳则为4.07平方毫米，均能够满足设备设计的6万个循环负荷。该检测限度与现有无损检测技术的分辨率匹配，具有较好的工程应用前景。本材料的疲劳裂纹扩展性能优于ITER采用的JK2LB钢材，折射出国产高强钢材在聚变应用领域竞争力的提升。
同时，因CHSN01的高屈服强度，一套系统可减少用材数量，有助于降低聚变装置整体成本，支持小型化和经济化发展的技术路线。在技术推广层面，CHSN01的研发案例为今后聚变设备的磁体材料选型提供了方法论示范。未来，结合高温超导材料性能的持续提升，聚变中央螺线管磁体有望实现更高磁场和更长寿命。作为整体解决方案的一环，CHSN01为实现聚变装置的安全可靠运行和商业化奠定了坚实基础。中国紧凑型聚变装置计划迈向中试和示范阶段，材料研发的成功彰显了自主创新驱动力的重要性。结合国际聚变大科学计划，中国在材料科学及核聚变领域的交叉融合取得突出进展。
随着全球核聚变相关技术不断成熟，对高性能低温、高强度钢材的需求将持续增长，预计CHSN01及其后续改良版本将在未来磁体制造和低温结构应用中进一步推广。对材料如CHSN01的持续研究不仅包括疲劳性能，更涵盖中长期辐照下的材料稳定性、断裂韧性及焊接工艺优化等，从而强化聚变装置在实际运行周期内的抗损伤和维护友好性。综上所述，高强度、低温韧性优异的CHSN01钢材为中国首个聚变反应堆中央螺线管磁体的安全运行提供了关键保障。其研发及测试成果凸显了对材料微观结构调控及疲劳机理深入理解的重要性。未来，伴随聚变能源走向产业化，CHSN01将作为重要的材料基石，在核聚变技术领域贡献更大力量，助力全球能源结构转型和碳中和目标实现。
