张杰证实激光核聚变快点火方案中分解物理过程的可行性

在我国自主研制的大型激光装置——神光二号的升级激光装置中，张杰团队自2018年以来已经进行了6轮验证实验。万焦激光实验证实了该方案中的物理过程。可行性。

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新京报记者张璐，编辑白爽，校对李丽君

辞去行政职务后，张杰重回物理学家质量。目前正在从事激光聚变快点火研究，希望为未来解决人类能源问题做出贡献。

“当我担任上海交通大学原校长、中科院副院长的时候，我也很开心。在任何一个职位上，你都应该敬畏你的事业，100%甚至200%的付出你的能量。”

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在刚刚结束的未来科学奖周上，2021年未来科学奖材料科学奖获得者张杰分享了他乐观的人生和科研进展。他说，自2018年以来，该团队已经进行了6轮验证实验，通过10000焦耳激光实验证实了激光聚变快点火方案中分解物理过程的可行性。今年11月底，团队将开始第七轮实验。

“磁约束聚变和激光聚变研究已经达到‘门槛’，即核聚变的输出能量接近输入能量，未来的共同目标是实现10%的聚变输出能量“当输出能量是输入能量的100倍时，就非常接近建立核聚变电站了。”张杰说。

▲张杰在未来科学奖周接受采访。新京报记者张璐 摄

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第一次物理实验和化学实验

2021年未来科学奖将于9月12日公布获奖名单，主持人在发布会上连线张杰，宣布喜讯。当被问到最想和谁分享快乐时，张杰说：“当然是我的父母。他们培养了我对科学的热爱和在极其困难的情况下对生活的乐观态度。”

1958年1月，张杰出生于山西省太原市。在他8个月大的时候，他的父母去了内蒙古分公司。<​​/p>

张杰的父亲是个勤奋好学的人。他对张杰说：“我们一起帮助你妈妈，改善家里的经济状况。”父亲的乐观，让张杰的童年回忆，不全是生活的不易，更是探索知识的快乐。

当时，内蒙古有一种“懒惰”的鸡，它下的蛋很大，但往往每隔几天才下一个。父亲和小张杰商量着改进鸡的品种。在父亲的指导下，张杰读了很多书，学习了保温取暖。他决定从改善孵化条件入手，尝试用家里的土炕孵蛋。

为了让培养箱保持恒温37.8℃，父子俩用双金属制作了恒温器，测试了双金属的温度特性。一旦温度超过40°C，金属片就会弹开，打开风扇将热空气排出。然而，实验进行了20多天，没有一只小鸡孵化出来。

父亲说，我们要知道哪个环节错了，于是父子俩一一打开彩蛋看看。 “虽然实验失败了，但在这个过程中我学到了很多。”张杰后来意识到，这是他人生中的第一次物理实验。他学会了如何设计实验、测试数据、分析数据，更重要的是学会了如何对待失败。

在孵化失败后，父亲带着小张杰生产盐酸。家里没有实验设备，他们把鱼缸装满水，把家里的220V交流电整流变压成直流电，电解水中的氯化钠，收集氯气和氢气，然后混合燃烧通过玻璃喷嘴并用水冷却。家里的橡皮气球和旧日光灯管也成了两人的实验工具。

这个实验还是没有成功，实验的后果还是有点严重——屋子里的铁都被氯气腐蚀生锈了。但这也成为张杰的科学启蒙，点燃了他对科学的热爱。

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用过时的镀膜机制作真空靶室

1989年1月，张杰在欧洲获得博士学位后赴中国科学院物理研究所进行X射线激光器的研究。近10年来，先后在德国马克斯普朗克量子光学研究所和英国著名的卢瑟福实验室工作，取得了丰硕的科研成果。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，其应用受到限制。多年来，科学家们一直梦想着激光波长可以深入到 X 射线波段。 “如果在2.2nm-4.4nm（水窗波段）实现X射线激光器，就有可能对生命过程进行深入分析，解开生命之谜。”

从 1989 年到 1995 年，张杰的团队不断产生波长较短的 X 射线激光器。 1993年至1995年，团队保持着世界上最短波长饱和X射线激光记录——5.8nm，实现“水窗”边缘。 “后来我们意识到，当时的生命科学还没有到利用‘水窗’X射线激光器解开生命之谜的阶段，所以团队将研究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员会主任张存浩的启发下，张杰回到祖国，回到中国科学院物理研究所，组建了自己的研究团队。他回忆说，当时我国的科研条件比较落后，科研经费申请周期很长。渴求人才的张存浩与几位副主任商议，用主任基金为张杰的科研启动资金筹集了100万元。

“当时为了节省研究经费，我们经常去物理所的废品仓库，让大家把退回的仪器设备清理掉。”张杰说，当时他在仓库里找到了一台镀膜机，并用它把它做成了真空靶室进行实验。

张杰不负“伯乐”的期待。回国后不久，他的团队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”，并以此激光器进行了多次实验。

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物理学家与未来能源

未来科学奖颁奖词中提到，材料科学奖奖励张杰通过控制强激光与物质的相互作用，产生精确可控的超短脉冲快电子束，并将其应用于激光核聚变快速点火的研究。 “物理学家有责任解决人类社会面临的最具挑战性的问题。”张杰“解读”他的研究项目。

随着全球变暖，寻找可以替代化石能源的未来能源迫在眉睫。聚变能源是未来清洁、高效、安全的终极能源之一。聚变能是氢、氘和氚的两种同位素聚变释放的巨大能量。海水中含有约 40 万亿吨氘。一升水可以提取0.03克氘。聚变反应释放的能量相当于燃烧 300 升汽油。 1立方千米海水中的氘氚聚变反应释放的能量相当于燃烧全球石油储备的能量。因此，聚变能源原料几乎取之不尽。

目前对可控核聚变的研究主要分为两类，其中一类是惯性约束核聚变（激光聚变），它利用高能、高强度的激光将氘、氚等材料聚变。加热实现可控核聚变，获得巨大能量。

“激光聚变快速点火方案中有一个非常重要的物理过程，需要利用超短脉冲高能电子束将能量携带到高密度等离子体中来实现点火。”早在1997年，张杰就提出了双锥碰撞点火的新型激光聚变方案原型。 “快速点火方案将燃料点火与压缩分开，让两个过程在避免不稳定的同时独立优化。理论上，这种方案有优势，但很难真正通过实验证明。”张杰说，在过去的20年里，他和他的团队做了很多初步的实验和理论研究。

真正的大能量验证实验始于2018年，在我国自主研发的大型激光装置——神光二号升级激光装置上，自2018年以来，张杰团队进行了6轮验证实验，并且通过10000焦耳激光实验证实了方案中物理过程分解的可行性。 “一些实验结果甚至比我们最初的理论假设还要好，”张杰说。

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“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”的称号，张杰还有一个学生们津津乐道的身份——“杰哥”的院长。

2006年至2017年，张杰担任上海交通大学校长。在开学典礼或毕业典礼上，他经常流露出真诚和诙谐的话，这些演讲视频在网上被称为“演讲教材”。

张杰讲过这样一个插曲。一位美国名校校长来上海交通大学访问。他以为自己在学校里很受欢迎，但到了中国，他发现校园里的每个学生都认识张杰。他们主动和校长打招呼，亲切地称呼校长为“杰哥”。

回国后，美国总统和其他总统表示，中国年轻的大学校长群体正在崛起。他们的平均年龄比我们小10到15岁，非常接近科研一线。因此核能源，把握大学科研发展方向是非常准确的。同时，这些大学校长幽默风趣，在中国大学生中很有影响力。

在张杰担任校长的10年里，上海交通大学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，打造了“一流基础学科人才”和“平台”。以宽口径教育为基础的创新人才培养体系”。在自然科学基金申请数量和资助额度方面，最能体现学校创新能力的SCI论文数量在全国高校中排名第一。

张杰清楚地记得，他刚上任时，曾率团参观一所世界一流大学，受到冷漠的欢迎。 2016年再次率团访问这所学校时，校长抽空整个上午，聆听上海交通大学十年发展经验。

“虽然我是一名物理学家，但当我担任大学校长时，我将专业转向了高等教育，并将我 100% 甚至 200% 的精力用于建设一所强大的学校。”张杰认为，当总统的时候花很多时间做自己的研究是错误的。 “我在担任总统期间也写过论文，但大多是高等教育论文。”

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与张杰的对话

核聚变的作用 人类社会的能源并不遥远

张杰在接受新京报记者采访时表示，研究团队在2020年即将验证一个关键物理过程时遇到了新冠疫情。经过各方努力，当疫情在初步控制，小队完成了一个非常难得的实验，完全由小队老师完成。目前，团队已完成6轮验证实验，2026年之前，团队将完成18轮验证实验。

研究思维会给生活带来无限的快乐

新京报：您是如何对物理学产生兴趣的？

张杰：小时候，父母经常带我做各种事情。我很好奇，经常问“为什么”。如果我了解它背后的物理原理，我会非常高兴。

例如，当我还是个孩子的时候，我看着妈妈煮饺子。一旦锅开始沸腾，在饺子煮熟之前订购冷水3-4次。为什么要订购冷水？后来才知道，煮饺子的主要目的就是煮饺子馅。不管水多沸腾，温度实际上是100℃。对于饺子馅来说，温度供给是一样的，但是如果水沸腾太多，会给饺子带来很大的动能，所以动能很大的饺子相互碰撞，就会产生很大的热量。加热后的饺子内有气体，在高压下容易破裂。加入少许冷水可以降低水的沸度，饺子的动能降低，饺子可以完全煮熟。

我经常在给学生讲课时说，研究思维会给你的生活带来无限的乐趣。

新京报：学习期间有哪些难忘的故事？

张杰：我上中学的时候，因为缺少英语老师，所以不能教英语课。有一次妈妈偶然发现了一个播放英语的电台，我就修好了我弟弟小时候做的收音机，然后听着收音机学英语。

英语广播从早上 6:00 开始，然后在晚上 11:00 再次播放。十几岁的孩子睡眠不足。我经常边听边睡，妈妈把我叫醒，让我继续学习。 1978年初，我作为正式恢复高考后的第一个大学生进入大学校园。我突然发现，在我的同学中，我的英语是最好的，并且在全校英语比赛中获得了第一名。

大学教育应该是成人教育，培养正确的思维方式

新京报：你在担任上海交通大学校长时，被学生们称为“杰哥”。您如何看待教育工作者和学生的相处方式？

张杰：我打心底里喜欢和欣赏年轻学生。 2006年开始担任上海交通大学校长。2007年4月的BBS晚会上，我当场即兴演讲。同学们都很搞笑，还跟我握手，从此他们就叫我“杰哥”。我想这反映了学生们的期望。他们希望的校长不是高级家长或领导者。他们需要更多来自哥哥和同龄人的同等关注和陪伴，以及正确思维方式的培养。

中国的大学老师喜欢把大学生当成自己的孩子，我说这其实是错误的。学生在大学接受的教育应该是成人教育和全人教育，大学是他们进入社会前的最后一站。学生在学校经历了很多不同的事情，实际上应该鼓励他们去探索，即使是大学时期的一些挫折也可以成为一生的财富。

我也经常主动参加同学们的活动，因为校园文化应该是学生和老师共同创造的文化。比如我当校长的时候，把原来的学生运动会和教职工运动会合并，做成了一场类似嘉年华的运动会。入驻仪式可展示科技成果、文化品牌等。

我一直认为，研究型大学教育的本质不是教给学生多少知识，也不是教给学生思考什么，最重要的是培养学生正确的思维方式，使他们形成纠正三观，做一个在社会建设中发挥更重要作用的“完整的人”。

新京报：除了科研，你平时还有什么爱好？

张杰：我喜欢运动，现在还保持着锻炼的习惯。现在我每两天跑8公里。除此之外，我还做一些体能训练。

我喜欢看书，除了科普书，我还喜欢看文艺书。另外，我喜欢古典音乐。

中国在全球激光聚变研究方面处于领先地位

新京报：点火在核聚变中起什么作用？我国激光聚变研究的国际地位如何？

张杰：形象地说，核聚变就是在地球上制造一个“小太阳”。地球上几乎所有的能量都来自太阳的能量。剧烈的核聚变反应发生在太阳的中心。释放能量的效率非常高。核聚变的效率是化石能源的1000万倍。

要在地球上建造一个“小太阳”，最重要的有两个方面：一是极高的温度，使氘氚原子核发生量子隧穿的概率增加；另一个是极高的温度。高密度使聚变反应可以实现自持燃烧。目前使用激光内爆可以产生极高的密度，但要将温度提高到这么高是非常困难的。十多年来，激光聚变研究的主要焦点一直是提高高度压缩燃料的温度。

快点火研究需要产生特性可控的超短脉冲高能电子束，可以定向沉积在高密度氘氚燃料中，快速提高压缩燃料的温度，引发聚变反应当聚变反应产生的能量大于输入能量时，称为点火。

美国和中国是世界上激光聚变研究的两个领先国家。今年8月，在美国国家点火装置（NIF）的实验中，核聚变反应的输出能量达到了3/4的能量平衡点。

新京报：之前有句话叫“核聚变永远是50年后”。从目前的研究来看，未来人类利用核聚变发电需要多长时间？

张杰：现在可以负责任的说，无论是磁约束聚变还是激光聚变研究都达到了门槛。阈值意味着输出能量接近输入能量，未来的共同目标是输出能量达到输入能量的10倍或100倍。

如果达到100倍，就离核聚变电站很近了。我觉得可以用“十年”来计算时间。例如核能源，十年或二十年后，核聚变作为人类社会能源的未来即将到来。

到2026年将进行12轮点火验证实验

新京报：你刚才提到，去年的新冠疫情对快点火研究产生了影响。你是怎么克服的？的？

张杰：我们团队从2018年开始做实验。2020年，在我们即将验证一个关键物理过程的时候，遇到了新冠疫情。我们使用的神光二号升级后的激光装置是国内最大的激光装置之一。它有一个足球场那么大。平时用户都很满，而我们的第四轮实验正好遇到了新冠疫情。为了不浪费实验机会，2月底，在全国疫情初步得到控制的情况下，上海光机所经过层层审批，恢复了激光装置的运行，我司实验团队在终于可以在三月初进入现场进行实验了。

但当时所有的学生都不能去学校和研究所，所以这是一个非常罕见的完全由团队老师完成的实验。由于实验规模很大，需要几十台设备同时工作，而且人手不足，所以请光机所的几位老师帮忙操作。每个人都戴着口罩做实验，就像医生一样。科研没有捷径，任何突破都需要真正的努力。

目前我们已经做了6轮验证实验。今年11月底，团队将启动第7轮实验。 2026年之前，我们将完成18轮验证实验。

新京报：你研究的超短脉冲快电子束也可用于实现超高时空分辨率高能电子衍射成像。能否简单介绍一下这项研究？

张杰：物理学家的职责之一就是探索自然界最不可思议的奥秘。除了用于激光聚变研究外，性质精确可控的高能电子束还可以作为探测物质微观结构的探针。自2002年以来，我们一直将精确可控的电子束应用于具有超高时空分辨率的电子衍射研究。本研究旨在回答物质微观结构中原子尺度的时空特性是什么。

我们希望利用超短脉冲高能电子束来探测物质微观结构中原子随时间的快速变化，这就需要我们具备在原子尺度上观察时空变化的能力，我们需要在太空中达到10-10。米（十亿分之一米）的空间分辨率，在时间上应该优于10-13秒（万亿分之一秒）。

经过十多年的努力，我们在空间分辨率方面已经达到了预期的目标。在时间分辨率上，我们也达到了 5×10-14 秒，比世界纪录还要快。两倍好。

使用世界上最先进的高能电子衍射成像装置，具有超高时空分辨率，可以观察到许多以前完全无法研究的超快现象。

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