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中国核聚变能源研究走到哪一步了?“五院院士”回应

2021-11-26 01:00 管理员 次阅读 条评论

  原标题:中国核聚变能源研究走到哪一步了?“五院院士”回应

  在我国自主研制的大型激光装置——神光二号升级激光装置上,2018年至今,张杰团队已经做了6轮验证实验,通过1万焦耳激光实验证实了该方案中分解物理过程的可行性。

  新京报记者 张璐 编辑 白爽 校对 李立军

  卸任行政职务后,张杰回归物理学家本色。目前,他正致力于激光核聚变快点火研究,希望为人类未来能源问题的解决做出贡献。

  “之前任上海交通大学校长和中科院副院长时,我也很快乐。在任何职位上,都要敬畏自己的职业,投入100%甚至200%的精力。”

  在刚刚闭幕的未来科学大奖周上,2021未来科学大奖物质科学奖获奖者张杰分享了他的乐观人生和科研进展。他表示,2018年至今,团队已经做了6轮验证实验,通过1万焦耳激光实验证实了激光核聚变快点火方案中分解物理过程的可行性。今年11月底,团队将开始进行第7轮实验。

  “磁约束聚变和激光聚变研究都已经走到了‘门槛儿’,即核聚变输出能量已经接近于输入能量。未来的共同目标是要达到聚变输出能量是输入能量的10倍、100倍,当输出能量是输入能量百倍时,就离建立核聚变电站很近了。”张杰说。

▲张杰在未来科学大奖周活动上接受采访。新京报记者 张璐 摄

  第一次物理实验和化学实验

  2021未来科学大奖9月12日公布获奖名单,主持人在新闻发布会现场连线张杰,宣布了这一喜讯。被问及最想和谁分享喜悦时,张杰说,“当然是我的父母,他们在极其艰难的情况下,培养了我对科学的热爱和对生活的乐观。”

  1958年1月,张杰生于山西省太原市。他8个月大时,父母前往内蒙古支边。

  张杰的父亲是个勤奋好学的人,他跟小张杰说,“咱们来一起帮你妈妈,改善一点儿家里的经济状况。”父亲的乐观让张杰的童年记忆并不全是生活的不易,还有探索知识的乐趣。

  当时,内蒙古有一种“懒”鸡,下的蛋个头大,但经常隔几天才下一个。父亲和小张杰商量,要改良鸡的品种。在父亲的引导下,张杰看了很多书,了解了保温、加热等知识后,决定先从改善孵化条件入手,尝试用家里的土炕孵鸡蛋。

  为了使保温箱保持恒温37.8℃,父子动手用双金属片做了一个恒温器,测试了双金属片的温度特性。一旦温度超过40℃,金属片就会弹开,并接通电扇将热空气排出。然而实验做了20多天,一只小鸡也没孵出来。

  父亲说,咱们得知道哪个环节出了问题,于是父子二人把鸡蛋一个个打开看。“实验虽然失败了,但我在过程中学到了很多。”后来张杰意识到,这是他人生中的第一个物理实验,他学会了如何设计实验、测试数据、分析数据,更关键的是如何对待失败。

  孵小鸡失败后,父亲又带着小张杰生产盐酸。家里没有实验器材,他们就将鱼缸放满水,将家里220V的交流电整流变压,转化成直流电电解水中的氯化钠,收集氯气和氢气,然后通过玻璃喷嘴混合燃烧后用水冷却。家里的橡皮气球、废旧日光灯管也成了二人的实验工具。

  这个实验仍然没有成功,实验的后果还有点严重——家里所有的铁器都被氯气腐蚀生锈。但这也成了张杰的科学启蒙,点燃了他对科学的热爱。

  用淘汰镀膜机做成真空靶室

  1989年1月,张杰在中科院物理所取得博士学位后前往欧洲进行X射线激光的研究。10年间,他先后在德国马普量子光学研究所和英国著名的卢瑟福实验室工作,科研成果丰硕,他所在的团队在X射线激光领域和快点火激光聚变领域的研究中走到了世界最前沿。

  激光是人类最伟大的发明之一,但由于激光波长在可见波段,其应用受到局限。多年来,科学家们有一个梦想,希望激光波长可以深入X射线波段。“如果在2.2纳米-4.4纳米(水窗波段)实现X射线激光,就有可能对生命过程做出深入解析,解开生命之谜。”

  1989年到1995年,张杰所在团队不断产生更短波长的X射线激光,1993年到1995年,团队保持着世界上最短波长的饱和X射线激光纪录——5.8纳米,做到了“水窗”的边缘。“后来我们意识到,当时的生命科学还没有达到运用‘水窗’X射线激光解开生命之谜的阶段,所以团队将研究方面转向快点火激光聚变领域。”张杰说。

  1998年,在时任国家自然科学基金委主任张存浩的感召下,张杰回到祖国,回到中科院物理研究所,组建起自己的研究团队。他回忆说,彼时,我国科研条件相对落后,科研经费申请的周期很长。求贤若渴的张存浩和几位副主任商议,动用了主任基金,为张杰凑了100万元科研启动经费。

  “当时为了节约研究经费,我们经常去物理所的废品仓库,找大家淘汰退库的仪器设备。”张杰说,当时他在库房中找到了一个镀膜机,并用它做成了真空靶室,用于实验。

  张杰没有辜负“伯乐”的期待,回国不久后,他的团队就研制出国内第一台太瓦级(万亿瓦级)飞秒激光装置——“极光一号”,此后的不少实验正是用这台激光器做出来的。

  物理学家与未来能源

  此次未来科学大奖的颁奖词中提到,物质科学奖奖励张杰通过调控强激光与物质相互作用,产生精确可控的超短脉冲快电子束,并将其应用于实现激光核聚变的快点火研究。“物理学家有责任解决人类社会面临的最具有挑战的问题。”张杰如此“解读”他的研究项目。

  随着全球变暖,找到可以替代化石能源的未来能源迫在眉睫。聚变能,就是未来的清洁、高效、安全的终极能源之一。聚变能是氢的两个同位素——氘和氚发生融合反应所释放出的巨大能量。海水中蕴藏着大约40万亿吨氘,一升水能够提炼0.03克的氘,其发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚变反应所释放出的能量,就相当于全球石油储量燃烧的能量。因此,聚变能原料几乎取之不尽,用之不竭。

  目前,对受控核聚变的研究主要分为两类,其中之一就是惯性约束核聚变(激光核聚变),其利用高能量、高强度的激光对聚变材料,如氘、氚进行加热,实现可控的核聚变用以获得巨大的能量。

  “激光核聚变快点火方案中有一个非常重要的物理过程,需要使用超短脉冲的高能电子束携带能量到高密度等离子体中实现点火。”早在1997年,张杰就提出了双锥对撞点火的新型激光聚变方案雏形。“快速点火方案将燃料点火与压缩分开,使这两个过程可以独立优化,同时避免不稳定性。从理论上说,这个方案有优越性,但真正通过实验证实这个方案是非常难的。”张杰说,过去20年间,他和团队为此做了很多预备性的实验和理论研究。

  真正的大能量验证实验始于2018年。在我国自主研制的大型激光装置——神光二号升级激光装置上,2018年至今,张杰团队已经做了6轮验证实验,通过1万焦耳激光实验证实了该方案中分解物理过程的可行性。“有些实验结果甚至比我们最开始的理论设想还要好。”张杰说。

  “杰哥”校长

  中国科学院院士、德国科学院院士、第三世界科学院院士、英国皇家工程院外籍院士、美国科学院外籍院士……除了“五院院士”头衔,张杰还有一个为学子津津乐道的身份——“杰哥”校长。

  2006年-2017年,张杰任上海交通大学校长。在开学典礼或毕业典礼上,他经常真情流露、妙语连珠,这些演讲视频在网上被称为“演讲教材”。

  张杰讲了这样一个小插曲,一位美国名校校长来上海交通大学访问,他本来觉得自己在本校人气很高,到了中国才发现,校园中每个学生都认识张杰,他们主动和校长打招呼,亲切称校长为“杰哥”。

  回国后,这位校长和美国其他校长们说,中国年轻的大学校长群体在崛起,他们的平均年龄比我们小10岁到15岁,离科研第一线非常近,所以在大学的科研发展方向上把握得很准。同时,这群大学校长风趣幽默,在中国的大学生中很有影响力。

  张杰任校长的10年间,上海交大建立了以制度激励为核心的现代大学治理体系,确立了“三位一体”的人才培养理念,构建了“基础学科拔尖人才”和“平台式宽口径教育”的创新人才培养体系。在最能体现学校创新能力的自然科学基金申请数和经费额度、SCI论文数等方面,均高居全国大学榜首。

  张杰清楚记得,刚到任时他率团出访一所世界一流大学遭受冷遇,2016年他再度率团访问这所学校时,校长清空所有日程,花了整个上午聆听上海交大十年来的发展经验。

  “尽管我是物理学家,但我在做大学校长期间,把自己的专业变成了高等教育,用100%甚至200%的精力去做强学校。”张杰认为,任校长期间还花很多时间做自己的科研是不对的。“我任校长期间也写论文,但主要都是高等教育的论文。”

  对话张杰

  核聚变作为人类社会的能源已经不远

  在接受新京报记者采访时,张杰表示,研究团队在2020年正要验证一个关键的物理过程时,碰上了新冠疫情。经过各方努力,在疫情得到初步控制时,团队完成了非常少有的、完全由团队老师完成的实验。目前,团队已经完成6轮验证实验, 2026年之前,团队将完成一共18轮验证实验。

  研究型思维会给生活带来无穷快乐

  新京报:你是如何对物理产生兴趣的?

  张杰:我小时候,父母经常带着我做各种各样的东西,我的好奇心很强,常问“为什么”。如果了解其背后物理原理,我会感到非常快乐。

  比如小时候看妈妈煮饺子,锅一旦开始沸腾,要点3-4次凉水,饺子才能煮成。为什么要点凉水?后来我意识到,煮饺子主要是要将饺子馅煮熟,水无论沸腾程度如何,其实温度都是100℃,对于饺子馅来说,温度的供给是一样的,但是水如果沸腾得太厉害,就会给饺子很大的动能,这样带着很大动能的饺子互相碰撞,饺子内部还有大量加热后产生的气体,在高压的状态下就很容易碰破。而加入些许凉水可以让水的沸腾程度降低,饺子的动能变小,饺子就可以很完整地被煮熟。

  后来我给学生讲课时也常说,研究型思维会给你的生活带来无穷的快乐。

  新京报:求学期间有什么难忘的故事?

  张杰:我上中学时,由于英语老师缺乏,无法开英语课。有一次母亲偶然发现有广播电台播放英语,我就把哥哥小时候做的收音机修好,听着广播学英语。

  英语广播早上6点开始,晚上11点还有一次。青少年时期的孩子总也睡不够,我经常听着听着就睡着了,这时母亲会把我摇醒,要求我继续学习。1978年初,我作为正式恢复高考后的第一届大学生走入大学校园,我忽然发现,在同班同学当中,我的英语是最好的,还在全校英语竞赛中拿了第一名。

  大学教育应是成年人教育,培养正确思维方式

  新京报:你任职上海交大校长时被学生称为“杰哥”。你如何看待教育工作者和学生的相处之道?

  张杰:我发自内心地喜欢和欣赏青年学生。我2006年开始在上海交大任校长,2007年4月的BBS晚会,我现场发表了即兴讲演。学生们很嗨,跟我握手,也正是从那时候起叫我“杰哥”。我认为这反映了学生们的期待,他们希望的校长不是一个高高在上训导式的父辈或领导,他们更需要的兄长和朋辈的平视与陪伴,以及对他们正确思维方式的培养。

  中国大学的老师喜欢把大学生当作自己的孩子,我说这其实是不对的。学生们在大学接受的教育应该是成年人的教育、全人教育,大学是他们进入社会前的最后一站。学生在学校里会经历很多不同的事情,其实应该鼓励他们去探索,即使在大学时代遇到一些挫折,也可能是他们一生的财富。

  我也经常主动去参加同学的活动,因为校园文化应该是学生和老师共同创造的文化。比如我做校长期间,将原来的学生运动会和教工运动会合并,做成类似于嘉年华的运动会,入场式可以展示科技成果、文化品牌等。

  我一直认为,研究型大学教育的本质并不在于要给学生教授多少知识,也不在于教学生去思考什么,最重要的是要培养学生正确的思维方式,让他们形成正确的三观,成为对社会建设发挥更重要作用的“全人”。

  新京报:除了科研工作,你平时有什么爱好?

  张杰:我喜欢体育运动,至今仍保持运动习惯。现在我每两天跑一次步,跑8公里。除此之外,我还做一些体能训练。

  我喜欢读书,除了科学类书籍,我还喜欢读文学和艺术类书籍。另外,我也喜欢古典音乐。

  全球激光聚变研究中,中国处于领先位置

  新京报:点火在核聚变中起到什么作用?我国的激光聚变研究在国际上处于什么位置?

  张杰:形象地说,核聚变就是要在地球上造一个“小太阳”。地球上几乎所有能源都来自太阳的能量,太阳中心发生着剧烈的核聚变反应,释放能量的效率非常高,核聚变的效率比化石能源的效率高了1000万倍。

  要想在地球上造一个“小太阳”,最重要的有两方面,一是极高的温度,以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大;二是极高的密度,以使聚变反应可以实现自持燃烧。目前利用激光内爆,已经可以产生极高的密度,但要把温度提到这么高非常难。过去十多年间,激光聚变的主要研究的重点就是在于提高高度压缩燃料的温度。

  快点火研究需要产生性能可控的超短脉冲高能电子束,使其定向沉积在高密度的氘、氚燃料中,迅速提高压缩燃料的温度,触发聚变反应。当聚变反应产生的能量大于输入能量的话,就叫做点火。

  全世界的激光聚变研究中,美国和中国是最领先的两个国家。今年8月,在美国的国家点火装置(NIF)上的实验中,核聚变反应输出能量已经达到了3/4的能量平衡点。

  新京报:之前有说法是“实现核聚变永远还有50年”。从目前的研究来看,未来人类需要多久能用上核聚变发电?

  张杰:现在可以负责任地说,不管是磁约束聚变还是激光核聚变研究,都已经走到门槛儿了。门槛儿的意思就是输出能量已经接近于输入能量,未来的共同目标是要达到输出能量为输入能量的10倍、100倍。

  如果达到100倍的话,离核聚变电站就很近了。我觉得在时间上可以用“十年”为单位来计数了,比如十年、二十年的时间,核聚变作为人类社会能源的明天即将到来。

  2026年前还将开展12轮点火验证实验

  新京报:你之前提到,去年的新冠疫情对快点火研究产生了影响,你们是如何克服的?

  张杰:我们的团队从2018年开始实验,2020年正要验证一个关键的物理过程时,碰上了新冠疫情。我们使用的神光二号升级激光装置是全国最大的激光装置之一,像足球场那么大,平常用户排得非常满,而我们的第四轮实验时间恰好遇到了新冠疫情。为了不浪费实验机会,在全国疫情得到初步控制的二月底,上海光机所经过层层报批,恢复了激光装置的运行,我们实验团队终于在3月初得以进场实验。

  但当时所有学生都不能到校,也不能到研究所,所以这是非常少有的、完全由团队老师完成的实验。由于实验规模非常大,需要几十台设备同时工作,我们人手不够还从光机所借了几位老师帮忙操作。大家都戴着口罩做实验,像医生一样。科学研究没有任何捷径,想取得任何突破,都需要付出真正的努力。

  目前,我们已经做了6轮验证实验,今年11月底,团队将开始进行第7轮实验。2026年之前,我们将完成一共18轮验证实验。

  新京报:你研究的超短脉冲快电子束还可应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像,能简单科普一下这项研究吗?

  张杰:物理学家的责任之一就是探索自然界中最不可思议的奥秘。除了用于激光核聚变研究以外,性能精确可控的高能电子束还可以作为探针,用于物质微观结构的探测。从2002年起,我们开始将精确可控的电子束应用于超高时空分辨的电子衍射的研究。这项研究是要回答物质微观结构中原子尺度的时间特性和空间特性是什么。

  我们希望用超短脉冲高能电子束探测物质微观结构上原子随时间的快速变化过程,这就需要我们具备观测原子尺度时空变化的能力,需要在空间做到10-10米(百亿分之一米)的空间分辨率,时间方面,要做到好于10-13秒(十万亿分之一秒)。

  经过十几年时间的努力,我们已经在空间分辨率上实现了希望达到的目标,在时间分辨能力方面,我们也已经达到了5×10-14秒,比世界纪录好了两倍。

  用这台世界上最先进的超高时空分辨的高能电子衍射和成像装置,可以观察到很多以前完全不可能进行研究的超快现象。

   

责任编辑:张迪

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