搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第124期，對話中國科學(xué)院院士張杰。

嘉賓簡介：

張杰，上海交通大學(xué)李政道研究所所長，中國物理學(xué)會理事長，2021未來科學(xué)大獎-物質(zhì)科學(xué)獎獲獎?wù)摺?/p>

• 激光聚變美國目前采用中心點火方案為主，張杰提出的雙錐對撞激光聚變方案理論上更高效率也更穩(wěn)定
  

• 激光聚變目前逐漸開始轉(zhuǎn)到克服工程的一些挑戰(zhàn)，預(yù)計在未來20到30年達(dá)到商業(yè)發(fā)電狀態(tài)。
  

• 聚變能源普及后，能源的成本將會大幅度降低

出品｜搜狐科技

作者｜常博碩、周錦童

編輯｜楊 錦

10歲那年，張杰跟父親在內(nèi)蒙古草原上做了人生中第一個物理實驗——孵小雞。

那時候物資匱乏，他們沒有恒溫器，沒有設(shè)備，在父親的指導(dǎo)下，張杰用最原始的方法自己做了一個“自動孵蛋箱”， 核心元件是一個雙金屬片控溫開關(guān)。為了自動調(diào)節(jié)溫度，他根據(jù)不同金屬的熱脹系數(shù)不同的原理，手工焊接，測量溫度響應(yīng)曲線，自制了雙金屬片自動控溫元件，實現(xiàn)了自動加熱與斷電。可三十多天過去，小雞卻始終沒孵出來。

雖然那是一次失敗的實驗，但那次失敗的實驗卻是對他日后成長影響最深刻的一次實驗。

“很多年之后，我才意識到那是我第一次物理實驗，也是對我后來成長影響最大的一次實驗”，談到那次實驗，張杰對搜狐科技等媒體表示，“成功的喜悅只是一瞬間的享受，但失敗的過程卻能讓人學(xué)到很多東西，比如樂觀和堅強。”

多年后，作為激光聚變和高能量密度領(lǐng)域知名物理學(xué)家的張杰已經(jīng)成為了中國科學(xué)院院士，美國科學(xué)院外籍院士等“五國院士”。

回首自己的科研生涯，張杰最引以為豪的，莫過于在激光聚變領(lǐng)域帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊的逆勢而上。2018年，全球激光聚變研究正處于一個“至暗時刻”。當(dāng)時美國核安全局評估認(rèn)為，激光聚變點火近期難以實現(xiàn)，這一悲觀結(jié)論導(dǎo)致全球許多激光聚變研究項目停滯。然而，憑著對激光聚變重要性的深刻認(rèn)知和對夢想的執(zhí)著，張杰組建了一個大型聯(lián)合研究團(tuán)隊，在這個關(guān)鍵時刻開啟了激光聚變的研究，并與全世界激光聚變研究界一起，從“至暗時刻”走出來，迎來了激光聚變的“高光時刻”。

2022年12月5日，美國國家點火裝置實現(xiàn)了激光聚變能量輸出大于輸入的里程碑式突破。張杰團(tuán)隊也取得了長足進(jìn)展，他提出的雙錐對撞激光聚變點火新方案，通過11輪大型物理實驗，驗證了該方案的可行性、高效性及穩(wěn)定性。目前，他們正全速向他們的點火目標(biāo)奮進(jìn)。

核聚變被視為解決能源危機(jī)和氣候變化問題的“終極能源”，一旦實現(xiàn)可控核聚變，人類將徹底掙脫能源束縛。聚變?nèi)剂想梢詮暮Ｋ刑崛。瑑α靠芍稳祟愇迨畠|年的能源需求。而且氘的提取方法簡便，成本較低，核聚變堆的運行也是十分安全的。

張杰提出的以“壓縮過程與加熱過程分離”為核心的雙錐對撞點火方案，相比美國國家點火裝置的傳統(tǒng)路線更高效、更穩(wěn)定、更適合未來商業(yè)化。同時張杰認(rèn)為，目前中國很多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究都已經(jīng)走到了世界的舞臺中央。

談及物理學(xué)家的使命，張杰表示：“物理學(xué)家的使命就是為了解決問題，要么去解決自然界最難以理解的問題，要么去解決人類社會發(fā)展面臨的瓶頸問題。”

以下為對話實錄（經(jīng)整理編輯）：

媒體：能請您為大家介紹一下您所從事的專業(yè)領(lǐng)域是一個怎樣的學(xué)科嗎？

張杰：在人類知道了太陽的能量來自核聚變反應(yīng)之后，人類就開始做可控核聚變科學(xué)的研究。核聚變反應(yīng)研究的對象既簡單又復(fù)雜。簡單是因為它就是兩個原子核在融合過程中的反應(yīng)以及釋放出巨大的能量。但這個過程又極端復(fù)雜，因為我們平常研究的聚變反應(yīng)是很多原子核在極高的密度和溫度的高能量密度狀態(tài)下極端物理過程，其復(fù)雜程度幾乎到了我們?nèi)祟惱斫饽芰Φ臉O限。

媒體：像這樣一個處于非常極端的環(huán)境下才能進(jìn)行研究的研究對象，像您這樣的物理學(xué)家是如何進(jìn)行日常研究的？

張杰：激光束聚焦后產(chǎn)生的“激光火箭”效應(yīng)是人類目前掌握的能夠產(chǎn)生最大能量密度的方法。激光聚變過程，需要用現(xiàn)在世界上最大的激光裝置，將激光光束完全球?qū)ΨQ地輻照氘和氚的靶丸，使其原子核密度達(dá)到太陽的密度，溫度甚至超過太陽核心溫度。在這種條件下，氘和氚原子核才可能發(fā)生融合，產(chǎn)生聚變。當(dāng)然，診斷過程是另一套非常復(fù)雜的體系，我們需要對其中發(fā)生的時空、光譜、能量等進(jìn)行深入了解，才能掌握激光聚變反應(yīng)發(fā)生那一剎那間的物理過程。

媒體：在您的學(xué)術(shù)過程當(dāng)中，比較自豪的一些研究成果是什么？

張杰：我和我的團(tuán)隊在過去六七年里，進(jìn)入了一個非常艱難但發(fā)展迅速的領(lǐng)域。我們團(tuán)隊是2018年開始全陣容進(jìn)入激光聚變實驗，當(dāng)時全球激光聚變研究正處于“至暗時刻”。因為美國核安全局對國家點火裝置的激光聚變研究做了評估，結(jié)論非常悲觀，認(rèn)為點火近期不可能實現(xiàn)。正因如此，全球很多激光聚變研究紛紛停止或觀望。

作為長期從事激光聚變研究的科學(xué)家，我深感其重要性，它也是我的夢想所在。所以，我組建了一個由來自6個中科院單位與10所大學(xué)的三四百名同事組成的大型聯(lián)合研究團(tuán)隊，啟動了我們的激光聚變實驗探索。之后，我們經(jīng)歷了激光聚變研究的快速發(fā)展。直到2022年12月5日，美國國家點火裝置實現(xiàn)了聚變產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，迎來了它的高光時刻。

在此過程中，我和團(tuán)隊的研究也取得了長足進(jìn)展。我們現(xiàn)在正在做的研究，實際上是我1997年在英國工作時提出的激光聚變點火新方案。原則上講，新方案會更加節(jié)省能量，加熱效率更高，而且更加穩(wěn)定。這些都需要實驗證實。所以在過去的六七年里，我們已經(jīng)做了11輪大型物理實驗，驗證了雙錐對撞點火方案的可行性及其主要優(yōu)點。我們現(xiàn)在正全速朝著我們的點火目標(biāo)努力奮進(jìn)。

媒體： 您提出的跟美國的激光點火裝置有所區(qū)別的方案，它相對來說有哪些優(yōu)劣？

張杰：雙錐對撞點火方案的主要特點是把相互矛盾的壓縮過程與加熱過程分離開來，先壓縮再加熱，是的密度、溫度與壓強三個參數(shù)都可控，因此可控性更好，效率更高。這使得我們可以在較小的激光裝置上進(jìn)行激光聚變研究并實現(xiàn)點火，有利于我們未來建設(shè)激光聚變電站。這些特點都已在理論和過去十一輪實驗中得到證明。我們正在升級激光裝置，希望能夠用目前美國國家點火裝置十分之一規(guī)模的激光能量，實現(xiàn)點火，并進(jìn)一步向激光聚變能源推進(jìn)。

媒體：核聚變方案除了激光聚變，還有其他的聚變路線嗎？

張杰：太陽和恒星上，由于有巨大的質(zhì)量和引力，核聚變過程是自然發(fā)生的。地球上的核聚變方式大致分為兩條路線：磁約束聚變和激光聚變。磁約束聚變由于工作介質(zhì)密度相對較低，因此需要特別長的約束時間和極高的溫度才能達(dá)到勞森判據(jù)要求的溫度、密度、約束時間三乘積。激光聚變的氘氚密度比磁約束聚變高11個數(shù)量級以上，因此，只需要在慣性約束的時間尺度內(nèi)，達(dá)到極高的溫度和密度，就可以達(dá)到勞森判據(jù)。

激光聚變目前研究最多的方案主要有四種。美國國家點火裝置采用的中心點火方案，其核心是利用激光火箭效應(yīng)對氘氚靶丸施加巨大壓強，在壓縮靶丸的同時也對靶丸進(jìn)行了加熱，最終實現(xiàn)點火。然而，壓縮與加熱這兩個過程相互矛盾，帶來了很多問題。而我提出的雙錐對撞方案，則將壓縮和加熱這兩個過程分開。這樣，在壓縮過程中可以實現(xiàn)高質(zhì)量的壓縮，當(dāng)達(dá)到聚變密度時，再突然升溫，使其快速達(dá)到聚變溫度。

媒體： 您提出的新方案目前面臨著哪些問題和挑戰(zhàn)？

張杰：應(yīng)該說，過去六年多的時間里，我們經(jīng)歷了諸多挑戰(zhàn)。有些是物理方面的，有些是技術(shù)方面的。比如，在雙錐對撞的壓縮過程中，雖然沒有了流體力學(xué)的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，但會出現(xiàn)一些額外的不穩(wěn)定。這些是我們特有的，我們需要克服它們。后來我們找到了非常巧妙的辦法，通過鍍膜就可以簡單地抑制金錐界面帶來的不穩(wěn)定性。

媒體：未來您覺得像激光聚變或磁約束聚變方案，還需要多長時間的發(fā)展和多大的投入？

張杰：現(xiàn)在的聚變，不管是磁約束聚變還是激光聚變都到了快速發(fā)展的時期。目前逐漸開始轉(zhuǎn)到克服工程的一些挑戰(zhàn)，比如說從經(jīng)濟(jì)上怎么樣才能讓它更便宜，更方便。估計20年內(nèi)激光聚變能夠做成電站，在未來的20年到30年的時間里面，應(yīng)該說是進(jìn)入到商業(yè)發(fā)電的狀態(tài)。

媒體：在商業(yè)化的階段，它將如何改變我們這樣的日常的生活？

張杰：由于聚變能的原材料特別便宜。一升的海水里面有30毫克的氘，30毫克的氘聚變釋放出的能量相當(dāng)于300升的汽油，它是一個非常高效而且便宜的能源。我們現(xiàn)在社會的商品，底層邏輯其實是由能源價格決定的，以后聚變能源來了以后，甚至?xí)膶懳覀兩鐣幕具\行規(guī)則。

媒體：了解到您其實化學(xué)跟中文成績都很好，但最后選了物理作為終身的事業(yè)，您覺得物理研究它的樂趣在哪？物理學(xué)家有什么樣的職責(zé)？

張杰：物理學(xué)能夠給人充分的想象空間，以及證明這些想象現(xiàn)實與否的可能性。我們的競爭對手是全世界最有想象力的一群人，在競爭過程當(dāng)中，假如說在某一方面我們走到了前面，我們會有非常強的榮譽感。

對于科學(xué)家來講，其實追求的更多是精神層面的東西，我們回答的是自然界里最難的一些問題，其實這也是物理學(xué)家的定義。物理學(xué)家本身就是為了解決問題，要么去解決理解自然過程中遇到的問題，要么解決我們?nèi)祟惿鐣l(fā)展面臨的瓶頸問題。

媒體：對于未來想要進(jìn)入物理研究的青年人，您有什么寄語？

張杰：我想說的第一句話是要學(xué)會面對失敗。一個人成長過程中會經(jīng)歷很多困難，我們?nèi)松褪菫榱艘獙W(xué)會怎么灑脫地解決這些困難和煩惱。

某種意義上，失敗越多，反而學(xué)到的越多，離成功就會更近。成功只是短暫的一個瞬間，而失敗的過程是漫長的、深刻的。

對青年人我想說，如果你是為了學(xué)習(xí)而做實驗，那就要盡可能去享受失敗。因為正是在這個過程中，你才能真正學(xué)會面對世界的方式。我覺得我之所以變得比較樂觀和堅強，可能跟這一段經(jīng)歷有關(guān)系。

媒體：您怎么評價我國基礎(chǔ)研究的整體水平？物理方面和國外存在差距嗎？

張杰：中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)歷了一個非常快速發(fā)展的歷史時期。其實我們現(xiàn)在回過頭來想，10年前我們覺得基礎(chǔ)研究存在的一些問題，現(xiàn)在大部分都已經(jīng)不存在了。今天中國的很多的領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已經(jīng)走到了世界的舞臺中央，將來中國會有更多的一流科學(xué)家進(jìn)入到世界舞臺的正中央。

媒體：強激光和高能量密度物理的研究被認(rèn)為是一種燒錢的科學(xué)，您怎么看待科學(xué)研究和實際應(yīng)用之間的平衡？

張杰：其實對于整個基礎(chǔ)研究就兩種觀點，一種觀點是比如美國人做好了基礎(chǔ)研究，我們就直接把基礎(chǔ)研究成果用于應(yīng)用的，我們就省錢了，但這是一個非常短視的想法。

我們不能光是等著別人做基礎(chǔ)研究，因為我們的很多需求來源于我們國家獨特的背景等。另一方面，中國發(fā)展得非常快，我們前面已經(jīng)沒有人替我們?nèi)プ龌A(chǔ)研究了，到有需要的時候我們再開始去做基礎(chǔ)研究可能就太晚了。

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