可控核聚變科學，是人類在半個多世紀前開啟的宏大篇章。核聚變反應研究的對象既簡單又復雜，簡單之處在于它就是兩個原子核在融合過程中的反應以及釋放出巨大的能量。極端復雜則是因為真正用于能源的聚變反應，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，使其原子核密度達到太陽核心的密度，溫度甚至超過太陽核心溫度。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程，還需要一整套復雜的診斷體系，從時空、光譜、能量等多個維度去解析。

中國物理學會理事長、2021年未來科學大獎-物質(zhì)科學獎獲獎者張杰院士

2018年是全球激光聚變研究的“至暗時刻”。由于彼時美國核安全局對美國國家點火裝置進行的激光聚變研究做了評估，結(jié)論非常悲觀，認為激光聚變輸出能量大于輸入能量的點火目標近期不可能實現(xiàn)，甚至中期實現(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。

但作為一名長期從事激光聚變研究的科學家，我明白堅持進行激光聚變研究對于人類的極端重要性，而它也是我多年的夢想所在。因此，我和我的團隊正是在這樣的時刻下選擇堅持，大規(guī)模投入到激光聚變實驗與理論研究的進程中。

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

雙錐對撞點火方案的示意圖

雙錐對撞點火方案的物理本質(zhì)是將壓縮過程和加熱過程徹底分開，先進行等熵壓縮以達到高質(zhì)量壓縮，由錐口噴射出的高密度等離子體對撞后達到聚變密度，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現(xiàn)點火，再加上靶設計特別簡單便宜，因此更適合作為未來激光聚變電站的主方案。

從2018年的“至暗時刻”走來，在過去的六七年里，我們克服了重重困難，完成了11輪大型物理實驗，驗證了雙錐對撞點火方案的可行性以及它的主要優(yōu)點，同時也與全球激光聚變的研究者一起，見證了美國國家點火裝置的同行，在2022年年底實現(xiàn)激光聚變的“點火時刻”，激光聚變能的科學可行性，并標志著人類聚變能時代的開始。目前我們正在升級我們的激光裝置，希望能夠用美國國家點火裝置十分之一規(guī)模的激光能量實現(xiàn)點火，并快速向激光聚變能推進。

以前人們經(jīng)常開玩笑說“聚變研究目標的實現(xiàn)永遠有50年的距離”，現(xiàn)在這樣的困局早已打破。未來，聚變能對我們生活的改變將是巨大的。人類過去三次工業(yè)革命的底層邏輯都是能源技術(shù)的進步，但是那幾次能源技術(shù)的進步其實也就是幾倍而已，而這次聚變能時代的能量密度比過去三次工業(yè)革命使用的化石能源要高出幾百萬倍，因此，由它引發(fā)的新的一次工業(yè)革命，也必將比過去的三次工業(yè)革命的總和還要大。

聚變?nèi)剂现械碾畞碜院Ｋ杀緲O低。1升海水含約30毫克氘，其聚變釋放的能量相當于300升汽油，氚可以在聚變電站運行中產(chǎn)生，因此，一旦聚變能投入使用，能源成本將會很快趨近于零，這將徹底改寫商品社會的底層邏輯。樂觀一點兒估計20年內(nèi)激光聚變電站就會出現(xiàn)，在未來的20年到30年的時間里面，能夠進入到商業(yè)發(fā)電的狀態(tài)，讓其發(fā)出的電“點亮”千家萬戶，點亮未來。

“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。物理學家的終極職責就是為人類社會可持續(xù)發(fā)展解決難題，只有在解決難題的過程當中，才能體現(xiàn)出物理學家對于人類社會的特殊存在意義和價值，同時也是多少代物理學家共同追求的目標。

如今，中國在許多領域的基礎研究都取得了令世人矚目的成就。我們現(xiàn)在回過頭來看，20年前我們基礎研究存在的一些問題，現(xiàn)在大部分都已經(jīng)不存在了。這就是“發(fā)展中的問題要在進一步的發(fā)展中解決”的中國智慧。今天中國很多領域的基礎研究已經(jīng)走上了世界的舞臺，將來中國會有更多的一流科學家進入到世界舞臺的正中央。

聚變能時代的曙光已在地平線顯現(xiàn)，我和我的團隊也將繼續(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的那一天。

（文章系未來科學大獎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。來源：科普中國-科學報國正當時）