В стремлении обуздать энергию звезд одна из самых сложных задач заключается не в управлении синтезом, а в поиске материалов, способных его сдерживать.
В КНР разработана сталь CHSN01 (China high-strength low-temperature steel № 1), которую применили в этом году при строительстве первого в мире термоядерного реактора — искусственного солнца, как называет его склонная к громким формулировкам китайская пресса.
Статья о суперматериале вышла на страницах Applied Sciences в мае, подробности его разработки рассказала South China Morning Post.
В 2011 году Международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР, строящийся на юге Франции, столкнулся с критической проблемой материалов. Испытания показали, что криогенная сталь стала хрупкой и потеряла пластичность.
Сверхпроводящие магниты в сердце токамака защищены оболочкой из криогенной стали. Этот сплав должен выдерживать как лютый холод жидкого гелия с температурой −269 °C, так и чудовищные силы Лоренца, создаваемые мощными магнитными полями.
Исследователи ИТЭР изучили причину и усовершенствовали производственные протоколы. Уже в том же 2011-м китайская команда разработала первое жизнеспособное решение, но Ли Лайфэн из Технического института физики и химии Китайской академии наук (CAS) в Пекине оставался недоволен.
«Хотя максимальное поле ИТЭР в 11,8 Тесла достаточно для него самого, будущие магниты с более высокими полями потребуют новых материалов», — написал он в China Science Daily.
Изыскания были продолжены. В 2017 году Ли поехал в США на Международную конференцию по криогенным материалам, где представил новый материал. Там к новинке отнеслись критически, сочтя, что существующий технологический путь «абсолютно невозможен» для создания лучшей криогенной стали. Скептики полагали, что используемые в ИТЭР оболочки из стали 316LN (аустенитная нержавеющая сталь, разработанная для экстремальных условий) вполне достаточны.
«Не доверяйте слепо зарубежным авторитетам. Эту проблему стоит изучить», — призвал тогда академик CAS Чжао Чжунсянь, присоединившийся к команде Ли в 2020 году.
В 2021-м Институт физики плазмы CAS в Хэфэе установил ключевые технические требования для китайской термоядерной программы: предел текучести 1500 МПа и относительное удлинение при криогенных температурах более 25%.
Для разработки суперматериала был создан Альянс по исследованию высокопрочной стали, объединивший четыре института, 13 предприятий и четырех специалистов по сварке под руководством Ли Лайфэна. Мозговые штурмы с участием таких величин и модель развития «гонки образцов» (когда слепые образцы независимо оценивались в Институте физики и химии) ускорили прогресс.
В августе 2023 года испытания подтвердили, что новая сталь CHSN01 соответствует установленным требованиям. Материал выдерживает магнитные поля до 20 Тесла и давление до 1300 МПа, демонстрируя превосходную усталостную прочность по сравнению с традиционными сплавами.
Это ускорило возведение экспериментального сверхпроводящего токамака BEST (Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak) — 1 мая там стартовал этап сборки, который завершится, как ожидается, в 2027-м.
Из более чем 6000 тонн подвезенных к стройке компонентов 500 тонн составляют прямые сегменты оболочек сверхпроводящих проводников — они полностью изготовлены из китайской суперстали CHSN01.
Она может применяться не только в термоядерной энергетике, добавил Чжао.
