Китайские исследователи разработали новый сверхпрочный криогенный сплав CHSN01 , способный выдерживать напряжения до 1,5 ГПа при температуре жидкого гелия и при этом сохранять пластичность на уровне 30%.
Этот результат, достигнутый после 12 лет интенсивной работы, позволил преодолеть ограничения традиционных сталей 316LN и JK2LB, использовавшихся в проектах типа ITER. Основное преимущество CHSN01 — устойчивость к высоким нагрузкам и циклическому нагружению, что делает его ключевым элементом конструкции сверхпроводящих токамаков нового поколения.
В основу разработки легла сталь Nitronic-50, из которой удалили углерод до уровня ниже 0,01%, чтобы исключить образование карбидов. Далее повысили содержание азота до 0,30% и увеличили долю никеля, обеспечив стабильность аустенитной фазы при температурах до –269 °C. Добавление ванадия в строго отлаженном соотношении привело к формированию нанометровых частиц нитрида ванадия, которые блокируют дислокации и повышают прочность без ущерба для вязкости. Жёсткий контроль примесей — кислорода, фосфора и серы (все ниже 0,02%) — исключает дефекты, способные инициировать разрушение под действием магнитных нагрузок.
Новая сталь превосходит применяемые ранее материалы не только по пределу текучести, но и по долговечности. В условиях 60 000 пульсаций — столько требуется токамаку BEST за весь срок службы — CHSN01 сохраняет характеристики без деградации. В испытаниях было подтверждено, что материал выдерживает начальные дефекты до 6 мм², что значительно выше порога обнаружения дефектов неразрушающим контролем (0,5 мм²). Это означает снижение требований к чистоте обработки, снижение массы компонентов и удешевление сборки.
Повышенная прочность открывает путь к более мощным магнитным полям. Переход от 11,8 Т, как в ITER, к 20 Т увеличивает давление удержания плазмы почти вчетверо, что позволяет сократить объём реактора до трети и достичь энергетического коэффициента Q > 1. Такие компактные установки проще экранировать, дешевле строить и легче масштабировать по модульному принципу.
Для оценки ресурса сплава команда использовала модель роста усталостной трещины по закону Пари, замерив параметры при 4,2 K. Даже при начальной трещине площадью 1 мм² CHSN01 выдерживает полный жизненный цикл без выхода на критическую длину трещины. Такой расчёт впервые позволяет установить чёткие допуски для контроля качества, чего нельзя было достичь со старыми сплавами.
Благодаря использованию существующих производственных цепочек для Nitronic, металлургические заводы в Китае смогли быстро перейти к промышленному выпуску. К середине 2025 года на стройплощадку BEST в Хэфэе было поставлено уже 500 тонн новой стали. По мнению ведущего физика проекта Ли Лайфэна, это подтверждает готовность сплава к широкому внедрению за пределами лабораторий.
Возможности применения CHSN01 выходят далеко за рамки управляемого термоядерного синтеза. Магнитно-резонансная томография, ускорители частиц, магнитные подвесы и даже криогенные узлы квантовых компьютеров — все они сталкиваются с аналогичным сочетанием холода и нагрузок. Новый материал позволяет уменьшать размеры магнитов и увеличивать срок службы оборудования.
Хотя заголовки чаще достаются реакторным прорывам и экзотическим схемам удержания, именно материалы определяют успех энергетических технологий. CHSN01 стал тем механическим недостающим звеном, которое долго искали разработчики сверхпроводящих систем. Подобные достижения в области инновационных сплавов открывают новые возможности для создания более прочных и надёжных материалов. И теперь у любой команды, разрабатывающей термоядерные установки, есть новая планка: если оболочка кабеля не дотягивает до этого уровня — пора снова зажигать плавильную печь.