可控核聚變科學(xué)，是人類在半個(gè)多世紀(jì)前開(kāi)啟的宏大篇章。核聚變反應(yīng)研究的對(duì)象既簡(jiǎn)單又復(fù)雜，簡(jiǎn)單之處在于它就是兩個(gè)原子核在融合過(guò)程中的反應(yīng)以及釋放出巨大的能量。極端復(fù)雜則是因?yàn)檎嬲糜谀茉吹木圩兎磻?yīng)，是許許多多原子核集體在極高密度和溫度的極高能量狀態(tài)下的極端物理過(guò)程，這幾乎到了我們?nèi)祟惱斫饽芰Φ臉O限。

這樣高的能量密度狀態(tài)，需要使用世界上最大的激光裝置來(lái)創(chuàng)造。將很多路攜帶巨大能量的激光光束聚焦后完全球?qū)ΨQ地輻照氘和氚的靶丸，使其原子核密度達(dá)到太陽(yáng)核心的密度，溫度甚至超過(guò)太陽(yáng)核心溫度。只有在這種極端高能量密度狀態(tài)下，才能“馴服”氘和氚的原子核，使其融合并釋放出巨大的聚變能量。而要理解這一剎那的物理過(guò)程，還需要一整套復(fù)雜的診斷體系，從時(shí)空、光譜、能量等多個(gè)維度去解析。

中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、2021年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)-物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邚埥茉菏?/p>

2018年是全球激光聚變研究的“至暗時(shí)刻”。由于彼時(shí)美國(guó)核安全局對(duì)美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置進(jìn)行的激光聚變研究做了評(píng)估，結(jié)論非常悲觀，認(rèn)為激光聚變輸出能量大于輸入能量的點(diǎn)火目標(biāo)近期不可能實(shí)現(xiàn)，甚至中期實(shí)現(xiàn)的可能性也很小，所以全球很多激光聚變研究大多選擇停滯或觀望。

但作為一名長(zhǎng)期從事激光聚變研究的科學(xué)家，我明白堅(jiān)持進(jìn)行激光聚變研究對(duì)于人類的極端重要性，而它也是我多年的夢(mèng)想所在。因此，我和我的團(tuán)隊(duì)正是在這樣的時(shí)刻下選擇堅(jiān)持，大規(guī)模投入到激光聚變實(shí)驗(yàn)與理論研究的進(jìn)程中。

目前，世界上的激光聚變點(diǎn)火方案主要有兩條路徑。一條是以美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置為代表的中心點(diǎn)火方案，核心是用激光能量直接或者間接地對(duì)氘氚燃料施加巨大壓強(qiáng)，在對(duì)燃料進(jìn)行壓縮的同時(shí)也對(duì)燃料進(jìn)行加熱，最后匯聚到中心實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，但是壓縮和加熱這是一對(duì)相互糾纏又相互矛盾的過(guò)程，帶來(lái)至今尚無(wú)法徹底解決的諸多問(wèn)題。另外一條路徑，是將激光聚變過(guò)程，徹底分解為壓縮和加熱兩個(gè)物理過(guò)程，這條路線理論非常美妙，但是實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的難度也很大。1997年，當(dāng)我還在英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室工作的時(shí)候，就提出了用雙錐對(duì)撞的方法將內(nèi)爆壓縮過(guò)程限制在兩個(gè)金錐內(nèi)，錐口噴出的等離子體射流對(duì)撞，形成低溫高密的量子簡(jiǎn)并等離子體，然后再對(duì)其進(jìn)行快速加熱。2018年，基于這個(gè)想法并結(jié)合近年來(lái)世界激光聚變的研究進(jìn)展，形成了完整的雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案。

雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案的示意圖

雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案的物理本質(zhì)是將壓縮過(guò)程和加熱過(guò)程徹底分開(kāi)，先進(jìn)行等熵壓縮以達(dá)到高質(zhì)量壓縮，由錐口噴射出的高密度等離子體對(duì)撞后達(dá)到聚變密度，然后再用激光產(chǎn)生的高能電子再快速加溫至聚變溫度。這種方案效率高、穩(wěn)定性好，可在更小的激光裝置上研究并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，再加上靶設(shè)計(jì)特別簡(jiǎn)單便宜，因此更適合作為未來(lái)激光聚變電站的主方案。

從2018年的“至暗時(shí)刻”走來(lái)，在過(guò)去的六七年里，我們克服了重重困難，完成了11輪大型物理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案的可行性以及它的主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也與全球激光聚變的研究者一起，見(jiàn)證了美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的同行，在2022年年底實(shí)現(xiàn)激光聚變的“點(diǎn)火時(shí)刻”，激光聚變能的科學(xué)可行性，并標(biāo)志著人類聚變能時(shí)代的開(kāi)始。目前我們正在升級(jí)我們的激光裝置，希望能夠用美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置十分之一規(guī)模的激光能量實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，并快速向激光聚變能推進(jìn)。

以前人們經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)“聚變研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)永遠(yuǎn)有50年的距離”，現(xiàn)在這樣的困局早已打破。未來(lái)，聚變能對(duì)我們生活的改變將是巨大的。人類過(guò)去三次工業(yè)革命的底層邏輯都是能源技術(shù)的進(jìn)步，但是那幾次能源技術(shù)的進(jìn)步其實(shí)也就是幾倍而已，而這次聚變能時(shí)代的能量密度比過(guò)去三次工業(yè)革命使用的化石能源要高出幾百萬(wàn)倍，因此，由它引發(fā)的新的一次工業(yè)革命，也必將比過(guò)去的三次工業(yè)革命的總和還要大。

聚變?nèi)剂现械碾畞?lái)自海水，成本極低。1升海水含約30毫克氘，其聚變釋放的能量相當(dāng)于300升汽油，氚可以在聚變電站運(yùn)行中產(chǎn)生，因此，一旦聚變能投入使用，能源成本將會(huì)很快趨近于零，這將徹底改寫商品社會(huì)的底層邏輯。樂(lè)觀一點(diǎn)兒估計(jì)20年內(nèi)激光聚變電站就會(huì)出現(xiàn)，在未來(lái)的20年到30年的時(shí)間里面，能夠進(jìn)入到商業(yè)發(fā)電的狀態(tài)，讓其發(fā)出的電“點(diǎn)亮”千家萬(wàn)戶，點(diǎn)亮未來(lái)。

“明知不可為而為之”，是我非常喜歡的一句話，也是我的人生哲學(xué)。物理學(xué)家的終極職責(zé)就是為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展解決難題，只有在解決難題的過(guò)程當(dāng)中，才能體現(xiàn)出物理學(xué)家對(duì)于人類社會(huì)的特殊存在意義和價(jià)值，同時(shí)也是多少代物理學(xué)家共同追求的目標(biāo)。

如今，中國(guó)在許多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究都取得了令世人矚目的成就。我們現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，20年前我們基礎(chǔ)研究存在的一些問(wèn)題，現(xiàn)在大部分都已經(jīng)不存在了。這就是“發(fā)展中的問(wèn)題要在進(jìn)一步的發(fā)展中解決”的中國(guó)智慧。今天中國(guó)很多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已經(jīng)走上了世界的舞臺(tái)，將來(lái)中國(guó)會(huì)有更多的一流科學(xué)家進(jìn)入到世界舞臺(tái)的正中央。

聚變能時(shí)代的曙光已在地平線顯現(xiàn)，我和我的團(tuán)隊(duì)也將繼續(xù)全力以赴，“明知不可為而為之”，迎接激光聚變照亮人類未來(lái)的那一天。

（文章系未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)十周年慶典期間光明網(wǎng)采訪張杰院士的內(nèi)容，記者蔡琳、宋雅娟采訪整理。來(lái)源：科普中國(guó)-科學(xué)報(bào)國(guó)正當(dāng)時(shí)）