Po dziesięciu latach badań, chińscy naukowcy przedstawili stal CHSN01, która zdaje się pokonywać fundamentalne bariery w konstrukcji reaktorów fuzyjnych. Materiał ten wytrzymuje ekstremalne warunki panujące w sercu takiego urządzenia, w tym potężne pola magnetyczne do 20 Tesli, ciśnienie rzędu 1300 MPa i temperatury bliskie zeru absolutnemu (-268,95°C). To właśnie te parametry mają umożliwić realizację ambitnego celu: uruchomienie pierwszego na świecie komercyjnego reaktora fuzyjnego już w 2027 roku. Choć termin wydaje się niezwykle śmiały, sam postęp materiałowy zasługuje na uwagę.
Czytaj także: Polska stal, która podbije świat? Technologia MEX właśnie to zapowiada
Główne wyzwanie materiałowe rozwiązane
Największą przeszkodą w rozwoju reaktorów fuzyjnych zawsze był fakt, iż dostępne materiały nie były w stanie sprostać ekstremalnym warunkom pracy. Nadprzewodzące magnesy, działające w temperaturach kriogenicznych, generują ogromne siły magnetyczne. Dotychczas stosowane stopy, jak nierdzewna stal 316LN używana w międzynarodowym projekcie ITER, poddawane takim obciążeniom stawały się kruche i traciły kluczowe właściwości. Żaden znany materiał nie łączył wymaganej wytrzymałości z niezbędną plastycznością w tych warunkach. CHSN01 ma być odpowiedzią na to odwieczne wyzwanie.
Parametry stali CHSN01. Znacznie ponad dotychczasowe możliwości
Wyniki osiągnięte przez chińskich badaczy robią wrażenie nawet na sceptykach. W kriogenicznej temperaturze -268,95°C stal CHSN01 zachowuje granicę plastyczności przekraczającą 1500 MPa. Dla porównania, przewyższa to o około 40% wytrzymałość materiału 316LN stosowanego w ITER, przy jednoczesnym utrzymaniu porównywalnej plastyczności. Co istotne, tylko chińskim naukowcom udało się uzyskać wszystkie te kluczowe parametry jednocześnie. Laboratoria z innych krajów, w tym amerykańskie ośrodki specjalizujące się w silnych polach magnetycznych, opracowywały materiały o zbliżonej wytrzymałości, ale nie spełniały one wymagań dotyczących wydłużenia i udarności.
Długa droga od pomysłu do komercjalizacji
Prace nad CHSN01 rozpoczęły się w 2011 roku, gdy naukowcy z zespołu ITER opisali swoje problemy materiałowe. Chiński zespół naukowy podjął się zadania uznawanego wówczas za niemal niewykonalne. Pierwsze lata były pasmem prób i niepowodzeń, wymagających żmudnego testowania różnych składów stopów i optymalizacji procesów produkcyjnych. Kiedy w 2017 roku przedstawili wstępne wyniki na Międzynarodowej Konferencji Materiałów Kriogenicznych w USA, spotkali się z wyraźnym sceptycyzmem. Przełom przyniosło dopiero dołączenie w 2020 roku do projektu prof. Zhao Zhongxiana, cenionego fizyka, którego doświadczenie nadało badaniom nowy kierunek. W 2021 roku Chiny oficjalnie ustaliły własne, bardzo ambitne standardy dla materiałów reaktorów fuzyjnych, znacznie przewyższające międzynarodowe normy: granica plastyczności minimum 1500 MPa i wydłużenie ponad 25% w temperaturach kriogenicznych. Potwierdzenie, że CHSN01 spełnia wszystkie te kryteria, nastąpiło w sierpniu 2023 roku, a w grudniu 2024 roku materiał został zarejestrowany jako znak towarowy, sygnalizując przejście do fazy komercyjnego zastosowania.
Strategia Chin w dziedzinie fuzji wyraźnie różni się od podejścia międzynarodowej współpracy ITER. Podczas gdy budowany we Francji ITER jest przede wszystkim instalacją badawczą, która nie będzie produkowała energii elektrycznej na skalę użytkową, Chiny od początku skupiły się na komercyjnym wdrożeniu. Reaktor BEST, którego montaż rozpoczął się w maju 2023 roku, ma być tego dowodem. Planowane zakończenie budowy tego kolosa ważącego 6000 ton przypada na 2027 rok. W jego konstrukcji wykorzystano 500 ton osłon przewodników wykonanych właśnie ze stali CHSN01.
Praktyczne korzyści z nowego materiału
Zastosowanie CHSN01 przynosi konkretne zalety konstrukcyjne. Wyższa wytrzymałość materiału pozwoliła na zmniejszenie masy systemu nadprzewodzących magnesów aż o 10%. W przypadku pojedynczego reaktora oznacza to oszczędność około 100 ton materiału konstrukcyjnego. To nie tylko kwestia redukcji kosztów, ale i poprawy parametrów operacyjnych. Lżejsza konstrukcja w ograniczonej przestrzeni umożliwia generowanie silniejszych pól magnetycznych, co bezpośrednio przekłada się na zwiększenie wydajności całego reaktora. Trzeba jednak przyznać, że skala tych korzyści będzie weryfikowana dopiero w praktyce eksploatacyjnej.
Potencjał wykraczający poza energetykę fuzyjną
Chińczycy nie planują ograniczać zastosowań nowej stali wyłącznie do reaktorów fuzyjnych. CHSN01 otwiera perspektywy wykorzystania w innych obszarach technologii wymagających materiałów odpornych na ekstremalnie niskie temperatury. Potencjalne zastosowania obejmują między innymi kriogeniczne zbiorniki lotnicze oraz infrastrukturę do magazynowania i transportu ciekłego wodoru.
Czytaj także: 90 stopni zamiast 1500. Tak powstaje stal nowej generacji
W kontekście rosnącego znaczenia gospodarki wodorowej, materiał o takich właściwościach może stać się strategicznym komponentem. Sukces w rozwoju CHSN01 symbolizuje też zmianę pozycji Chin w globalnych technologiach zaawansowanych – z kraju naśladowcy w obszarze materiałów kriogenicznych do syntezy jądrowej stają się liczącym się liderem. Realizacja chińskich planów do 2027 roku byłaby niewątpliwie przełomem, choć termin ten budzi uzasadnione pytania w środowisku naukowym. Jeśli się powiedzie, stalowa rewolucja z Państwa Środka może wreszcie urzeczywistnić odwieczne marzenie o czystej i niemal niewyczerpalnej energii z fuzji.