对话张杰院士：聚变能源一旦实现，人类能源的成本将会大幅度降低

多年后，作为激光聚变和高能量密度领域知名物理学家的张杰已经成为了中国科学院院士，美国科学院外籍院士等“五国院士”。

回首自己的科研生涯，张杰最引以为豪的，莫过于在激光聚变领域带领其研究团队的逆势而上。2018年，全球激光聚变研究正处于一个“至暗时刻”。当时美国核安全局评估认为，激光聚变点火近期难以实现，这一悲观结论导致全球许多激光聚变研究项目停滞。然而，凭着对激光聚变重要性的深刻认知和对梦想的执着，张杰组建了一个大型联合研究团队，在这个关键时刻开启了激光聚变的研究，并与全世界激光聚变研究界一起，从“至暗时刻”走出来，迎来了激光聚变的“高光时刻”。

2022年12月5日，美国国家点火装置实现了激光聚变能量输出大于输入的里程碑式突破。张杰团队也取得了长足进展，他提出的双锥对撞激光聚变点火新方案，通过11轮大型物理实验，验证了该方案的可行性、高效性及稳定性。目前，他们正全速向他们的点火目标奋进。

核聚变被视为解决能源危机和气候变化问题的“终极能源”，一旦实现可控核聚变，人类将彻底挣脱能源束缚。聚变燃料氘，可以从海水中提取，储量可支撑人类五十亿年的能源需求。而且氘的提取方法简便，成本较低，核聚变堆的运行也是十分安全的。

张杰提出的以“压缩过程与加热过程分离”为核心的双锥对撞点火方案，相比美国国家点火装置的传统路线更高效、更稳定、更适合未来商业化。同时张杰认为，目前中国很多领域的基础研究都已经走到了世界的舞台中央。

谈及物理学家的使命，张杰表示：“物理学家的使命就是为了解决问题，要么去解决自然界最难以理解的问题，要么去解决人类社会发展面临的瓶颈问题。”

以下为对话实录（经整理编辑）：

媒体：能请您为大家介绍一下您所从事的专业领域是一个怎样的学科吗？

张杰：在人类知道了太阳的能量来自核聚变反应之后，人类就开始做可控核聚变科学的研究。核聚变反应研究的对象既简单又复杂。简单是因为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。但这个过程又极端复杂，因为我们平常研究的聚变反应是很多原子核在极高的密度和温度的高能量密度状态下极端物理过程，其复杂程度几乎到了我们人类理解能力的极限。

媒体：像这样一个处于非常极端的环境下才能进行研究的研究对象，像您这样的物理学家是如何进行日常研究的？

张杰：激光束聚焦后产生的“激光火箭”效应是人类目前掌握的能够产生最大能量密度的方法。激光聚变过程，需要用现在世界上最大的激光装置，将激光光束完全球对称地辐照氘和氚的靶丸，使其原子核密度达到太阳的密度，温度甚至超过太阳核心温度。在这种条件下，氘和氚原子核才可能发生融合，产生聚变。当然，诊断过程是另一套非常复杂的体系，我们需要对其中发生的时空、光谱、能量等进行深入了解，才能掌握激光聚变反应发生那一刹那间的物理过程。

媒体：在您的学术过程当中，比较自豪的一些研究成果是什么？

张杰：我和我的团队在过去六七年里，进入了一个非常艰难但发展迅速的领域。我们团队是2018年开始全阵容进入激光聚变实验，当时全球激光聚变研究正处于“至暗时刻”。因为美国核安全局对国家点火装置的激光聚变研究做了评估，结论非常悲观，认为点火近期不可能实现。正因如此，全球很多激光聚变研究纷纷停止或观望。

作为长期从事激光聚变研究的科学家，我深感其重要性，它也是我的梦想所在。所以，我组建了一个由来自6个中科院单位与10所大学的三四百名同事组成的大型联合研究团队，启动了我们的激光聚变实验探索。之后，我们经历了激光聚变研究的快速发展。直到2022年12月5日，美国国家点火装置实现了聚变产生的能量大于输入的能量，迎来了它的高光时刻。

在此过程中，我和团队的研究也取得了长足进展。我们现在正在做的研究，实际上是我1997年在英国工作时提出的激光聚变点火新方案。原则上讲，新方案会更加节省能量，加热效率更高，而且更加稳定。这些都需要实验证实。所以在过去的六七年里，我们已经做了11轮大型物理实验，验证了双锥对撞点火方案的可行性及其主要优点。我们现在正全速朝着我们的点火目标努力奋进。

媒体： 您提出的跟美国的激光点火装置有所区别的方案，它相对来说有哪些优劣？

张杰： 双锥对撞点火方案的主要特点是把相互矛盾的压缩过程与加热过程分离开来，先压缩再加热，是的密度、温度与压强三个参数都可控，因此可控性更好，效率更高。这使得我们可以在较小的激光装置上进行激光聚变研究并实现点火，有利于我们未来建设激光聚变电站。这些特点都已在理论和过去十一轮实验中得到证明。我们正在升级激光装置，希望能够用目前美国国家点火装置十分之一规模的激光能量，实现点火，并进一步向激光聚变能源推进。

媒体：核聚变方案除了激光聚变，还有其他的聚变路线吗？

张杰：太阳和恒星上，由于有巨大的质量和引力，核聚变过程是自然发生的。地球上的核聚变方式大致分为两条路线：磁约束聚变和激光聚变。磁约束聚变由于工作介质密度相对较低，因此需要特别长的约束时间和极高的温度才能达到劳森判据要求的温度、密度、约束时间三乘积。激光聚变的氘氚密度比磁约束聚变高11个数量级以上，因此，只需要在惯性约束的时间尺度内，达到极高的温度和密度，就可以达到劳森判据。

激光聚变目前研究最多的方案主要有四种。美国国家点火装置采用的中心点火方案，其核心是利用激光火箭效应对氘氚靶丸施加巨大压强，在压缩靶丸的同时也对靶丸进行了加热，最终实现点火。然而，压缩与加热这两个过程相互矛盾，带来了很多问题。而我提出的双锥对撞方案，则将压缩和加热这两个过程分开。这样，在压缩过程中可以实现高质量的压缩，当达到聚变密度时，再突然升温，使其快速达到聚变温度。

媒体： 您提出的新方案目前面临着哪些问题和挑战？

张杰： 应该说，过去六年多的时间里，我们经历了诸多挑战。有些是物理方面的，有些是技术方面的。比如，在双锥对撞的压缩过程中，虽然没有了流体力学的瑞利-泰勒不稳定性，但会出现一些额外的不稳定。这些是我们特有的，我们需要克服它们。后来我们找到了非常巧妙的办法，通过镀膜就可以简单地抑制金锥界面带来的不稳定性。

媒体：未来您觉得像激光聚变或磁约束聚变方案，还需要多长时间的发展和多大的投入？

张杰：现在的聚变，不管是磁约束聚变还是激光聚变都到了快速发展的时期。目前逐渐开始转到克服工程的一些挑战，比如说从经济上怎么样才能让它更便宜，更方便。估计20年内激光聚变能够做成电站，在未来的20年到30年的时间里面，应该说是进入到商业发电的状态。

媒体：在商业化的阶段，它将如何改变我们这样的日常的生活？

张杰：由于聚变能的原材料特别便宜。一升的海水里面有30毫克的氘，30毫克的氘聚变释放出的能量相当于300升的汽油，它是一个非常高效而且便宜的能源。我们现在社会的商品，底层逻辑其实是由能源价格决定的，以后聚变能源来了以后，甚至会改写我们社会的基本运行规则。

媒体：了解到您其实化学跟中文成绩都很好，但最后选了物理作为终身的事业，您觉得物理研究它的乐趣在哪？物理学家有什么样的职责？

张杰：物理学能够给人充分的想象空间，以及证明这些想象现实与否的可能性。我们的竞争对手是全世界最有想象力的一群人，在竞争过程当中，假如说在某一方面我们走到了前面，我们会有非常强的荣誉感。

对于科学家来讲，其实追求的更多是精神层面的东西，我们回答的是自然界里最难的一些问题，其实这也是物理学家的定义。物理学家本身就是为了解决问题，要么去解决理解自然过程中遇到的问题，要么解决我们人类社会发展面临的瓶颈问题。

媒体：对于未来想要进入物理研究的青年人，您有什么寄语？

张杰：我想说的第一句话是要学会面对失败。一个人成长过程中会经历很多困难，我们人生就是为了要学会怎么洒脱地解决这些困难和烦恼。

某种意义上，失败越多，反而学到的越多，离成功就会更近。成功只是短暂的一个瞬间，而失败的过程是漫长的、深刻的。

对青年人我想说，如果你是为了学习而做实验，那就要尽可能去享受失败。因为正是在这个过程中，你才能真正学会面对世界的方式。我觉得我之所以变得比较乐观和坚强，可能跟这一段经历有关系。

媒体：您怎么评价我国基础研究的整体水平？物理方面和国外存在差距吗？

张杰：中国的基础研究经历了一个非常快速发展的历史时期。其实我们现在回过头来想，10年前我们觉得基础研究存在的一些问题，现在大部分都已经不存在了。今天中国的很多的领域的基础研究已经走到了世界的舞台中央，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。

媒体：强激光和高能量密度物理的研究被认为是一种烧钱的科学，您怎么看待科学研究和实际应用之间的平衡？

张杰：其实对于整个基础研究就两种观点，一种观点是比如美国人做好了基础研究，我们就直接把基础研究成果用于应用的，我们就省钱了，但这是一个非常短视的想法。

我们不能光是等着别人做基础研究，因为我们的很多需求来源于我们国家独特的背景等。另一方面，中国发展得非常快，我们前面已经没有人替我们去做基础研究了，到有需要的时候我们再开始去做基础研究可能就太晚了。