中國核聚變能源研究走到哪一步了?「五院院士」回應

在中國自主研製的大型激光裝置——神光二號升級激光裝置上,2018年至今,張傑團隊已經做了6輪驗證實驗,通過1萬焦耳激光實驗證實了該方案中分解物理過程的可行性。

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新京報記者 張璐 編輯 白爽 校對 李立軍

卸任行政職務後,張傑回歸物理學家本色。目前,他正致力於激光核聚變快點火研究,希望為人類未來能源問題的解決做出貢獻。

「之前任上海交通大學校長和中科院副院長時,我也很快樂。在任何職位上,都要敬畏自己的職業,投入100%甚至200%的精力。」

在剛剛閉幕的未來科學大獎周上,2021未來科學大獎物質科學獎獲獎者張傑分享了他的樂觀人生和科研進展。他表示,2018年至今,團隊已經做了6輪驗證實驗,通過1萬焦耳激光實驗證實了激光核聚變快點火方案中分解物理過程的可行性。今年11月底,團隊將開始進行第7輪實驗。

「磁約束聚變和激光聚變研究都已經走到了『門檻兒』,即核聚變輸出能量已經接近於輸入能量。未來的共同目標是要達到聚變輸出能量是輸入能量的10倍、100倍,當輸出能量是輸入能量百倍時,就離建立核聚變電站很近了。」張傑說。

▲張傑在未來科學大獎周活動上接受採訪。新京報記者 張璐 攝

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第一次物理實驗和化學實驗

2021未來科學大獎9月12日公佈獲獎名單,主持人在新聞發佈會現場連線張傑,宣布了這一喜訊。被問及最想和誰分享喜悅時,張傑說,「當然是我的父母,他們在極其艱難的情況下,培養了我對科學的熱愛和對生活的樂觀。」

1958年1月,張傑生於山西省太原市。他8個月大時,父母前往內蒙古支邊。

張傑的父親是個勤奮好學的人,他跟小張傑說,「咱們來一起幫你媽媽,改善一點兒家裡的經濟狀況。」父親的樂觀讓張傑的童年記憶並不全是生活的不易,還有探索知識的樂趣。

當時,內蒙古有一種「懶」雞,下的蛋個頭大,但經常隔幾天才下一個。父親和小張傑商量,要改良雞的品種。在父親的引導下,張傑看了很多書,了解了保溫、加熱等知識後,決定先從改善孵化條件入手,嘗試用家裡的土炕孵雞蛋。

為了使保溫箱保持恆溫37.8℃,父子動手用雙金屬片做了一個恆溫器,測試了雙金屬片的溫度特性。一旦溫度超過40℃,金屬片就會彈開,並接通電扇將熱空氣排出。然而實驗做了20多天,一隻小雞也沒孵出來。

父親說,咱們得知道哪個環節出了問題,於是父子二人把雞蛋一個個打開看。「實驗雖然失敗了,但我在過程中學到了很多。」後來張傑意識到,這是他人生中的第一個物理實驗,他學會了如何設計實驗、測試數據、分析數據,更關鍵的是如何對待失敗。

孵小雞失敗後,父親又帶著小張傑生產鹽酸。家裡沒有實驗器材,他們就將魚缸放滿水,將家裡220V的交流電整流變壓,轉化成直流電電解水中的氯化鈉,收集氯氣和氫氣,然後通過玻璃噴嘴混合燃燒後用水冷卻。家裡的橡皮氣球、廢舊日光燈管也成了二人的實驗工具。

這個實驗仍然沒有成功,實驗的後果還有點嚴重——家裡所有的鐵器都被氯氣腐蝕生鏽。但這也成了張傑的科學啟蒙,點燃了他對科學的熱愛。

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用淘汰鍍膜機做成真空靶室

1989年1月,張傑在中科院物理所取得博士學位後前往歐洲進行X射線激光的研究。10年間,他先後在德國馬普量子光學研究所和英國著名的盧瑟福實驗室工作,科研成果豐碩,他所在的團隊在X射線激光領域和快點火激光聚變領域的研究中走到了世界最前沿。

激光是人類最偉大的發明之一,但由於激光波長在可見波段,其應用受到局限。多年來,科學家們有一個夢想,希望激光波長可以深入X射線波段。「如果在2.2納米-4.4納米(水窗波段)實現X射線激光,就有可能對生命過程做出深入解析,解開生命之謎。」

1989年到1995年,張傑所在團隊不斷產生更短波長的X射線激光,1993年到1995年,團隊保持著世界上最短波長的飽和X射線激光紀錄——5.8納米,做到了「水窗」的邊緣。「後來我們意識到,當時的生命科學還沒有達到運用『水窗』X射線激光解開生命之謎的階段,所以團隊將研究方面轉向快點火激光聚變領域。」張傑說。

1998年,在時任國家自然科學基金委主任張存浩的感召下,張傑回到祖國,回到中科院物理研究所,組建起自己的研究團隊。他回憶說,彼時,中國科研條件相對落後,科研經費申請的周期很長。求賢若渴的張存浩和幾位副主任商議,動用了主任基金,為張傑湊了100萬元科研啟動經費。

「當時為了節約研究經費,我們經常去物理所的廢品倉庫,找大家淘汰退庫的儀器設備。」張傑說,當時他在庫房中找到了一個鍍膜機,並用它做成了真空靶室,用於實驗。

張傑沒有辜負「伯樂」的期待,回國不久後,他的團隊就研製出國內第一台太瓦級(萬億瓦級)飛秒激光裝置——「極光一號」,此後的不少實驗正是用這台激光器做出來的。

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物理學家與未來能源

此次未來科學大獎的頒獎詞中提到,物質科學獎獎勵張傑通過調控強激光與物質相互作用,產生精確可控的超短脈衝快電子束,並將其應用於實現激光核聚變的快點火研究。「物理學家有責任解決人類社會面臨的最具有挑戰的問題。」張傑如此「解讀」他的研究項目。

隨著全球變暖,找到可以替代化石能源的未來能源迫在眉睫。聚變能,就是未來的清潔、高效、安全的終極能源之一。聚變能是氫的兩個同位素——氘和氚發生融合反應所釋放出的巨大能量。海水中蘊藏著大約40萬億噸氘,一升水能夠提煉0.03克的氘,其發生聚變反應釋放的能量相當於燃燒300升汽油。1立方公裏海水中的氘氚聚變反應所釋放出的能量,就相當於全球石油儲量燃燒的能量。因此,聚變能原料幾乎取之不盡,用之不竭。

目前,對受控核聚變的研究主要分為兩類,其中之一就是慣性約束核聚變(激光核聚變),其利用高能量、高強度的激光對聚變材料,如氘、氚進行加熱,實現可控的核聚變用以獲得巨大的能量。

「激光核聚變快點火方案中有一個非常重要的物理過程,需要使用超短脈衝的高能電子束攜帶能量到高密度等離子體中實現點火。」早在1997年,張傑就提出了雙錐對撞點火的新型激光聚變方案雛形。「快速點火方案將燃料點火與壓縮分開,使這兩個過程可以獨立優化,同時避免不穩定性。從理論上說,這個方案有優越性,但真正通過實驗證實這個方案是非常難的。」張傑說,過去20年間,他和團隊為此做了很多預備性的實驗和理論研究。

真正的大能量驗證實驗始於2018年。在中國自主研製的大型激光裝置——神光二號升級激光裝置上,2018年至今,張傑團隊已經做了6輪驗證實驗,通過1萬焦耳激光實驗證實了該方案中分解物理過程的可行性。「有些實驗結果甚至比我們最開始的理論設想還要好。」張傑說。

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「傑哥」校長

中國科學院院士、德國科學院院士、第三世界科學院院士、英國皇家工程院外籍院士、美國科學院外籍院士……除了「五院院士」頭銜,張傑還有一個為學子津津樂道的身份——「傑哥」校長。

2006年-2017年,張傑任上海交通大學校長。在開學典禮或畢業典禮上,他經常真情流露、妙語連珠,這些演講影片在網上被稱為「演講教材」。

張傑講了這樣一個小插曲,一位美國名校校長來上海交通大學訪問,他本來覺得自己在本校人氣很高,到了中國才發現,校園中每個學生都認識張傑,他們主動和校長打招呼,親切稱校長為「傑哥」。

回國後,這位校長和美國其他校長們說,中國年輕的大學校長群體在崛起,他們的平均年齡比我們小10歲到15歲,離科研第一線非常近,所以在大學的科研發展方向上把握得很准。同時,這群大學校長風趣幽默,在中國的大學生中很有影響力。

張傑任校長的10年間,上海交大建立了以制度激勵為核心的現代大學治理體系,確立了「三位一體」的人才培養理念,構建了「基礎學科拔尖人才」和「平台式寬口徑教育」的創新人才培養體系。在最能體現學校創新能力的自然科學基金申請數和經費額度、SCI論文數等方面,均高居全國大學榜首。

張傑清楚記得,剛到任時他率團出訪一所世界一流大學遭受冷遇,2016年他再度率團訪問這所學校時,校長清空所有日程,花了整個上午聆聽上海交大十 年來的發展經驗。

「儘管我是物理學家,但我在做大學校長期間,把自己的專業變成了高等教育,用100%甚至200%的精力去做強學校。」張傑認為,任校長期間還花很多時間做自己的科研是不對的。「我任校長期間也寫論文,但主要都是高等教育的論文。」

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對話張傑

核聚變作為人類社會的能源已經不遠

在接受新京報記者採訪時,張傑表示,研究團隊在2020年正要驗證一個關鍵的物理過程時,碰上了新冠疫情。經過各方努力,在疫情得到初步控制時,團隊完成了非常少有的、完全由團隊老師完成的實驗。目前,團隊已經完成6輪驗證實驗, 2026年之前,團隊將完成一共18輪驗證實驗。

研究型思維會給生活帶來無窮快樂

新京報:你是如何對物理產生興趣的?

張傑:我小時候,父母經常帶著我做各種各樣的東西,我的好奇心很強,常問「為什麼」。如果了解其背後物理原理,我會感到非常快樂。

比如小時候看媽媽煮餃子,鍋一旦開始沸騰,要點3-4次涼水,餃子才能煮成。為什麼要點涼水?後來我意識到,煮餃子主要是要將餃子餡煮熟,水無論沸騰程度如何,其實溫度都是100℃,對於餃子餡來說,溫度的供給是一樣的,但是水如果沸騰得太厲害,就會給餃子很大的動能,這樣帶著很大動能的餃子互相碰撞,餃子內部還有大量加熱後產生的氣體,在高壓的狀態下就很容易碰破。而加入些許涼水可以讓水的沸騰程度降低,餃子的動能變小,餃子就可以很完整地被煮熟。

後來我給學生講課時也常說,研究型思維會給你的生活帶來無窮的快樂。

新京報:求學期間有什麼難忘的故事?

張傑:我上中學時,由於英語老師缺乏,無法開英語課。有一次母親偶然發現有廣播電台播放英語,我就把哥哥小時候做的收音機修好,聽著廣播學英語。

英語廣播早上6點開始,晚上11點還有一次。青少年時期的孩子總也睡不夠,我經常聽著聽著就睡著了,這時母親會把我搖醒,要求我繼續學習。1978年初,我作為正式恢復高考後的第一屆大學生走入大學校園,我忽然發現,在同班同學當中,我的英語是最好的,還在全校英語競賽中拿了第一名。

大學教育應是成年人教育,培養正確思維方式

新京報:你任職上海交大校長時被學生稱為「傑哥」。你如何看待教育工作者和學生的相處之道?

張傑:我發自內心地喜歡和欣賞青年學生。我2006年開始在上海交大任校長,2007年4月的BBS晚會,我現場發表了即興講演。學生們很嗨,跟我握手,也正是從那時候起叫我「傑哥」。我認為這反映了學生們的期待,他們希望的校長不是一個高高在上訓導式的父輩或領導,他們更需要的兄長和朋輩的平視與陪伴,以及對他們正確思維方式的培養。

中國大學的老師喜歡把大學生當作自己的孩子,我說這其實是不對的。學生們在大學接受的教育應該是成年人的教育、全人教育,大學是他們進入社會前的最後一站。學生在學校里會經歷很多不同的事情,其實應該鼓勵他們去探索,即使在大學時代遇到一些挫折,也可能是他們一生的財富。

我也經常主動去參加同學的活動,因為校園文化應該是學生和老師共同創造的文化。比如我做校長期間,將原來的學生運動會和教工運動會合並,做成類似於嘉年華的運動會,入場式可以展示科技成果、文化品牌等。

我一直認為,研究型大學教育的本質並不在於要給學生教授多少知識,也不在於教學生去思考什麼,最重要的是要培養學生正確的思維方式,讓他們形成正確的三觀,成為對社會建設發揮更重要作用的「全人」。

新京報:除了科研工作,你平時有什麼愛好?

張傑:我喜歡體育運動,至今仍保持運動習慣。現在我每兩天跑一次步,跑8公里。除此之外,我還做一些體能訓練。

我喜歡讀書,除了科學類書籍,我還喜歡讀文學和藝術類書籍。另外,我也喜歡古典音樂。

全球激光聚變研究中,中國處於領先位置

新京報:點火在核聚變中起到什麼作用?中國的激光聚變研究在國際上處於什麼位置?

張傑:形象地說,核聚變就是要在地球上造一個「小太陽」。地球上幾乎所有能源都來自太陽的能量,太陽中心發生著劇烈的核聚變反應,釋放能量的效率非常高,核聚變的效率比化石能源的效率高了1000萬倍。

要想在地球上造一個「小太陽」,最重要的有兩方面,一是極高的溫度,以使氘氚原子核發生量子隧穿的機率變大;二是極高的密度,以使聚變反應可以實現自持燃燒。目前利用激光內爆,已經可以產生極高的密度,但要把溫度提到這麼高非常難。過去十多年間,激光聚變的主要研究的重點就是在於提高高度壓縮燃料的溫度。

快點火研究需要產生性能可控的超短脈衝高能電子束,使其定向沉積在高密度的氘、氚燃料中,迅速提高壓縮燃料的溫度,觸發聚變反應。當聚變反應產生的能量大於輸入能量的話,就叫做點火。

全世界的激光聚變研究中,美國和中國是最領先的兩個國家。今年8月,在美國的國家點火裝置(NIF)上的實驗中,核聚變反應輸出能量已經達到了3/4的能量平衡點。

新京報:之前有說法是「實現核聚變永遠還有50年」。從目前的研究來看,未來人類需要多久能用上核聚變發電?

張傑:現在可以負責任地說,不管是磁約束聚變還是激光核聚變研究,都已經走到門檻兒了。門檻兒的意思就是輸出能量已經接近於輸入能量,未來的共同目標是要達到輸出能量為輸入能量的10倍、100倍。

如果達到100倍的話,離核聚變電站就很近了。我覺得在時間上可以用「十 年」為單位來計數了,比如十 年、二十 年的時間,核聚變作為人類社會能源的明天即將到來。

2026年前還將開展12輪點火驗證實驗

新京報:你之前提到,去年的新冠疫情對快點火研究產生了影響,你們是如何克服的?

張傑:我們的團隊從2018年開始實驗,2020年正要驗證一個關鍵的物理過程時,碰上了新冠疫情。我們使用的神光二號升級激光裝置是全國最大的激光裝置之一,像足球場那麼大,平常用戶排得非常滿,而我們的第四輪實驗時間恰好遇到了新冠疫情。為了不浪費實驗機會,在全國疫情得到初步控制的二月底,上海光機所經過層層報批,恢復了激光裝置的運行,我們實驗團隊終於在3月初得以進場實驗。

但當時所有學生都不能到校,也不能到研究所,所以這是非常少有的、完全由團隊老師完成的實驗。由於實驗規模非常大,需要幾十台設備同時工作,我們人手不夠還從光機所借了幾位老師幫忙操作。大家都戴著口罩做實驗,像醫生一樣。科學研究沒有任何捷徑,想取得任何突破,都需要付出真正的努力。

目前,我們已經做了6輪驗證實驗,今年11月底,團隊將開始進行第7輪實驗。2026年之前,我們將完成一共18輪驗證實驗。

新京報:你研究的超短脈衝快電子束還可應用於實現超高時空分辨高能電子衍射成像,能簡單科普一下這項研究嗎?

張傑:物理學家的責任之一就是探索自然界中最不可思議的奧秘。除了用於激光核聚變研究以外,性能精確可控的高能電子束還可以作為探針,用於物質微觀結構的探測。從2002年起,我們開始將精確可控的電子束應用於超高時空分辨的電子衍射的研究。這項研究是要回答物質微觀結構中原子尺度的時間特性和空間特性是什麼。

我們希望用超短脈衝高能電子束探測物質微觀結構上原子隨時間的快速變化過程,這就需要我們具備觀測原子尺度時空變化的能力,需要在空間做到10-10米(百億分之一米)的空間解析度,時間方面,要做到好於10-13秒(十萬億分之一秒)。

經過十幾年時間的努力,我們已經在空間解析度上實現了希望達到的目標,在時間分辨能力方面,我們也已經達到了5×10-14秒,比世界紀錄好了兩倍。

用這台世界上最先進的超高時空分辨的高能電子衍射和成像裝置,可以觀察到很多以前完全不可能進行研究的超快現象。

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