打破“永远50年”困境，激光聚变如何改变未来？
【导语】在习近平总书记“科学普及是实现创新发展的重要基础性工作”的指引下，中国科协科普部携手光明网推出“院士高端科普”栏目。本期栏目聚焦可控核聚变科学，邀请中国物理学会理事长、2021年未来科学大奖-物质科学奖获奖者张杰院士，深度解读这一领域的前沿研究与未来展望。张杰院士分享了激光聚变研究的挑战与突破，特别是其提出的双锥对撞点火方案，以及聚变能对人类社会可能带来的革命性变革。聚变能时代的曙光已现，张杰院士及其团队正全力以赴，迎接激光聚变照亮人类未来的崭新篇章。
编者按：习近平总书记指出，“科学普及是实现创新发展的重要基础性工作。”为助力高水平科技自立自强，中国科协科普部联合光明网推出“院士(shì)高(gāo)端(duān)科(kē)普(pǔ)”栏(lán)目(mù)，邀(yāo)请(qǐng)各(gè)领(lǐng)域院(yuàn)士(shì)就(jiù)我(wǒ)国(guó)当(dāng)下(xià)热(rè)点(diǎn)科(kē)技(jì)问(wèn)题(tí)给(gěi)予(yǔ)权(quán)威(wēi)解(jiě)答(dá)，服(fú)务(wu)引(yǐn)导(dǎo)更(gèng)多(duō)科(kē)技(jì)工(gōng)作(zuò)者(zhě)提(tí)升(shēng)科(kē)研(yán)科(kē)普(pǔ)能(néng)力(lì)，促(cù)进(jìn)全民(mín)科(kē)学(xué)素(sù)质(zhì)提(tí)升(shēng)，为(wèi)科技强国建设贡献科普力量。#千万IP创科普
可控核聚变科学，是人类在半个多世纪前开启的宏大篇章。核聚变反应研究的对象既简单又复杂，简单之处在于它就是两个原子核在融合过程中的反应以及释放出巨大的能量。极端复杂则是因为真正用于能源的聚变反应，是许许多多原子核集体在极高密度和温度的极高能量状态下的极端物理过程，这几乎到了我们人(rén)类(lèi)理(lǐ)解(jiě)能(néng)力(lì)的(de)极(jí)限(xiàn)。
这(zhè)样(yàng)高(gāo)的(de)能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)状(zhuàng)态(tài)，需(xū)要(yào)使(shǐ)用(yòng)世(shì)界(jiè)上(shàng)最(zuì)大(dà)的(de)激(jī)光(guāng)装(zhuāng)置(zhì)来(lái)创(chuàng)造(zào)。将(jiāng)很(hěn)多(duō)路携(xié)带(dài)巨(jù)大(dà)能(néng)量(liàng)的(de)激(jī)光(guāng)光(guāng)束(shù)聚(jù)焦(jiāo)后(hòu)完(wán)全球(qiú)对(duì)称(chēng)地辐照氘和氚的靶丸，使其(qí)原(yuán)子(zi)核(hé)密度达到太阳核心的(de)密(mì)度(dù)，温(wēn)度(dù)甚(shén)至(zhì)超(chāo)过(guò)太(tài)阳(yáng)核(hé)心(xīn)温(wēn)度(dù)。只(zhǐ)有(yǒu)在(zài)这(zhè)种(zhǒng)极(jí)端(duān)高(gāo)能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)状态下，才能“驯服”氘和氚的原子核，使其融合并释放出巨大的聚变能量。而要理解这一刹那的物理过程，还需要一整套复杂的诊断体系，从时空、光谱、能量等多个维度去解析。
中国物理学会理事长、2021年未来科学大奖-物质科学奖获奖者张杰院士
2018年是全球激光聚变研究的“至暗时刻”。由于彼时美国核安全局对美国国家点火装置进行的激光聚变研究做了评估，结论非常悲观，认为激光聚变输出能量大于输入能量的点火目标近期不(bù)可(kě)能(néng)实(shí)现(xiàn)，甚(shén)至(zhì)中(zhōng)期(qī)实(shí)现(xiàn)的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)也(yě)很(hěn)小(xiǎo)，所(suǒ)以(yǐ)全球(qiú)很(hěn)多(duō)激(jī)光(guāng)聚(jù)变(biàn)研(yán)究(jiū)大(dà)多(duō)选(xuǎn)择(zé)停(tíng)滞(zhì)或(huò)观(guān)望(wàng)。
但(dàn)作(zuò)为(wèi)一(yī)名长(zhǎng)期(qī)从(cóng)事(shì)激(jī)光(guāng)聚(jù)变(biàn)研(yán)究(jiū)的(de)科(kē)学家，我明白坚持进行激光聚变研究对于人类的极端重要性，而它也是我多年的梦想所在。因此，我和我的团队正是在这样的时刻下选择坚持，大规模投入到激光聚变实验与理论(lùn)研(yán)究(jiū)的(de)进(jìn)程(chéng)中(zhōng)。
目前，世界上的激光聚变点火方案主要有两条路径。一条是以美国国家点火装置为代表的中心点火方案，核心是用激光能量直接或者间接地对氘氚燃料施加巨大压强，在对燃料进行压缩的同时也对燃料进行加热，最后汇聚到中心实现点火，但是压缩和加热这是一对相互纠缠又相互矛盾的过程，带来至今尚无法彻底解决的诸多问题。另外一条路径，是将激光聚变过程，彻底分解为压缩和加热两个物理过程，这条路线理论非常美妙，但是实验上实现的难度也很大。1997年，当我还在英国卢瑟福实验室工作的时候，就提出了用双锥对撞的方法将内爆压缩过程限制在两个金锥内，锥口喷出的等离子体射流对撞，形成低温高密的量子简并等离子体，然后再对其进行快速加热。2018年，基于这个想法并结合近年来世界激光聚变的研究进展，形成了完整的双锥对撞点火方案。
双锥对撞点火方案的示意图
双锥对撞点火方案的物理本质是将压缩过程和加热过程彻底分开，先进行等熵压缩以达到高质量压缩，由锥口喷射出的高密度等离子体对撞后达到聚变密度，然后再用激光产生的高能电子再快速加温至聚变温度。这种方案效率高、稳定性好，可在更小的激光装置上研究并实现点火，再加上靶设计特别简单便宜，因此更适合作为未来激光聚变电站的主方案。
从2018年的“至暗时刻”走来，在过去的六七年里，我们克服了重重困难，完成了11轮大型物理实验，验证了双锥对撞点火方案的可行性以及它的主要优点，同时也与全球激光聚变的研究者一起，见证了美国国家点火装置的同行，在2022年年底实现激光聚变的“点火时刻”，激光聚变能的科学可行性，并标志着人类聚变能时代的开始。目前我们正在升级我们的激光装置，希望能够用美国国家点火装置十分之一规模的激光能量实现点火，并快速向激光聚变能推进。
以前人们经常开玩笑说(shuō)“聚(jù)变(biàn)研(yán)究(jiū)目(mù)标(biāo)的(de)实(shí)现(xiàn)永(yǒng)远(yuǎn)有(yǒu)50年(nián)的(de)距(jù)离(lí)”，现(xiàn)在(zài)这(zhè)样的困局早已打破。未来，聚变能对我们生活的改变将是巨大的。人类过去三次工业革命的底层逻辑都是能(néng)源(yuán)技(jì)术(shù)的(de)进(jìn)步(bù)，但(dàn)是(shì)那(nà)几(jǐ)次(cì)能(néng)源(yuán)技(jì)术(shù)的(de)进(jìn)步(bù)其(qí)实(shí)也(yě)就(jiù)是(shì)几(jǐ)倍(bèi)而(ér)已(yǐ)，而(ér)这(zhè)次(cì)聚(jù)变(biàn)能(néng)时(shí)代(dài)的(de)能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)比(bǐ)过(guò)去(qù)三(sān)次(cì)工(gōng)业(yè)革(gé)命(mìng)使(shǐ)用(yòng)的(de)化(huà)石(shí)能(néng)源(yuán)要(yào)高(gāo)出(chū)几(jǐ)百(bǎi)万(wàn)倍(bèi)，因(yīn)此(cǐ)，由(yóu)它(tā)引(yǐn)发(fā)的(de)新(xīn)的(de)一(yī)次(cì)工(gōng)业(yè)革(gé)命(mìng)，也(yě)必(bì)将(jiāng)比(bǐ)过(guò)去(qù)的(de)三(sān)次(cì)工(gōng)业(yè)革(gé)命(mìng)的(de)总(zǒng)和(hé)还(hái)要(yào)大(dà)。
聚(jù)变(biàn)燃(rán)料(liào)中(zhōng)的(de)氘(dāo)来(lái)自海水，成本极低。1升海水含约30毫克氘，其聚变释放的能量相当于300升汽油，氚可以在聚变电站运行中产生，因此，一旦聚变能投入使用，能源成本将会很快趋近于零，这将彻底改写商(shāng)品(pǐn)社(shè)会(huì)的(de)底(dǐ)层(céng)逻(luó)辑(ji)。乐(lè)观(guān)一(yī)点(diǎn)儿(ér)估(gū)计(jì)20年(nián)内(nèi)激(jī)光(guāng)聚(jù)变(biàn)电(diàn)站(zhàn)就(jiù)会(huì)出(chū)现(xiàn)，在(zài)未(wèi)来(lái)的(de)20年(nián)到(dào)30年(nián)的(de)时(shí)间(jiān)里(lǐ)面(miàn)，能(néng)够(gòu)进(jìn)入(rù)到(dào)商(shāng)业(yè)发(fā)电(diàn)的(de)状态，让其发出的电“点亮”千家万户，点亮未来。
“明知不可为而为之”，是我非常喜欢的一句话，也是我的人生哲学。物理学家的终极职责就是为人类社会可持续发展解决难题，只有在解决难题的过程当中，才能体现出物理学家对于人类社会的特殊存在(zài)意(yì)义(yì)和(hé)价值，同时也是多少代物理学家共同追求的目标。
如今，中国在许多领域的基础研究都取得了令世人瞩目的成就。我们现在回过头来看，20年前我们基础研究存在的一些问题，现在大部分都已经不存在了。这就是“发展中的问题要在进一步的发展中解决”的中国智慧。今天中国很多领域的基础研究已经走上了世界的舞台，将来中国会有更多的一流科学家进入到世界舞台的正中央。
聚变能时代的曙光已在地平线显现，我和我的团队也将继续全力以赴，“明知不可为而为之”，迎接激光聚变照亮人类未来的那一天。
（文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访张杰院士的内容，记者蔡琳、宋雅娟采访整理）
