未来，核聚变能源将真正走进千家万户 | 张杰院士专访

张杰院士是物理大家，他在高能量密度物理和激光核聚变前沿研究领域做出重要贡献，并于2003年当选中国科学院院士、2007年当选德国国家科学院院士、2008年当选发展中国家科学院院士、2011年当选英国皇家工程院外籍院士、2012年当选美国国家科学院外籍院士，2015年荣获在激光核聚变与高能量密度物理领域最重要的国际奖项ー爱德华•泰勒奖章，2021年获得未来科学大奖-物质科学奖;直到今日，他还亲自带领着一支大型联合研究团队奋战在实验现场，为实现人类终极能源的梦想而努力拼搏。

张杰院士也是教育大家，他多年从事人才培养且成效显著，从2009年创立上海交大“致远学院”并亲任院长，提出并实践了“致远模式”，到 2018 年回归三尺讲台，集半生经验与智慧继续践行创新人才培养之道，并于2014年获得国家教学成果一等奖，2023年获得第四届全国杰出教学奖。

张杰院士还是管理大家，他在2003年到2006年间，担任中美高能物理合作中方代表团团长，创造性地解决了许多中美合作交流中体制机制性的问题，得到中美双方高度认可，并被李政道先生称作“忘年至交”;他在2006年到2017年间担任上海交通大学校长，提出并实施了以制度激励为核心的现代大学治理体系的建设，在创新人才培养、科学技术创新、文化传承创新和社会服务创新方面推进了系统的综合改革，使上海交通大学成功跻身世界一流大学行列。

英文全文已公开发表于High Power Laser Science and Engineering 2024年第3期，欢迎查看：Guoqing Chang, "An interview with Dr. Jie Zhang," High Power Laser Sci. Eng. 12, 03000e35 (2024)

常国庆：您是如何进入高能量密度物理这一研究领域的?

张杰：我最早开始研究紫外波长激光，之后研究X射线激光，再往后研究激光核聚变和高能量密度物理，这是一个不断深入的演化过程。我最初研究高能量密度物理是出于对高温高压下物质的状态与运动规律的好奇心，后来研究激光核聚变反应的驱动力则主要来自对人类终极能源的追求。

我自1982年在中国科学院物理研究所的博士阶段以及之后在英国牛津大学与卢瑟福实验室的研究目标都是将激光的工作波长推向更短。在X射线波段的受激辐射，必须要在高阶离化的离子能级间形成粒子数反转，这种高阶离化的等离子体状态只能在高能量密度状态下产生。我的研究团队经过多年的共同努力，将X射线激光饱和输出的波长推进到了“水窗”(2.2-4.3 nm)附近。自1995年开始，我们团队开始研究快点火激光核聚变过程和超高时空分辨下的物理过程。

常国庆：高能量密度物理为什么重要?

张杰：今天的宇宙起源于138亿年前的一次极高能量密度的大爆炸，之后的宇宙演化也都与高能量密度物理过程密切相关。在可观测的宇宙中，有95%以上的物质都是以高能量密度的极端物态形式存在的，我们地球上以固体、液体和气体组成的物态反而是宇宙中极其偶然和罕见的存在。我们在地球上研究激光核聚变过程，需要将氘氚燃料在极短的时间内压缩到极高的温度和密度，诱发氘氚原子核的核聚变反应。核聚变反应所需的能量密度大于3500亿个大气压，是极端高能量密度状态。核聚变反应发生后的能量密度还会进一步提高，进而可以研究宇宙中更加极端的未知物态。因此，高能量密度物理研究是非常重要的科技前沿，能够满足人类探索更高能量密度宇宙奥秘的需求。

常国庆：您提出了“双锥对撞点火”的激光受控核聚变方案，这种方案有什么优势?

图1 双锥对撞点火方案

张杰：氘氚核聚变燃料来源几乎无穷，核聚变反应物没有长期放射性，单位质量核聚变能源的效率要比化石能源高一千万倍以上。因此，人类要想最终解决碳基能源带给我们的可持续发展问题，必然会选择更安全、高效和清洁的核聚变能源。无论从人类可持续发展对终极能源需求的角度，还是从国家战略安全的角度，实现可控核聚变反应都至关重要。当然，实现可控核聚变反应的难度极大，人类为了实现这个目标，已经努力了50年。好消息是，在过去的几年里，激光核聚变研究和磁约束聚变研究都取得了关键性进展。

1997年，当我还在英国卢瑟福实验室工作的时候，为了解决当时激光核聚变快点火过程中的物理困难，就提出了用双锥对撞的方法制备快点火过程需要的等容分布等离子体的想法。2018年，基于这个想法并结合近年来激光聚变过程的研究进展，我们提出了完整的双锥对撞点火方案。该方案采用双锥对撞点火过程，将激光聚变的压缩过程与加热过程完全分离开来，以便在降低最终阶段的流体力学不稳定性的同时，提高加热效率。具体包含，1)锥内等熵压缩、2)向心内爆加速、3)对撞预加热以及4)磁场引导下的快电子加热等四个紧密相联的分解物理过程。相比于间接驱动的中心点火方案，该方案具有激光聚变的加热效率高、流体不稳定性低等优势，从而可以大幅度提高激光聚变反应的增益和可控性。

常国庆：双锥对撞点火实验目前进展如何?

张杰：自从提出双锥对撞点火想法以来，我们陆续在不同的小规模激光装置上完成了多次实验，不断完善这个想法。与此同时，世界上多个团队也在此领域努力探索。从2018 年开始，我组建了一支大型的联合研究队伍，研究人员主要来自于6个中国科学院研究所和10所大学。截至2023年12月，我们依托上海光机所的神光Ⅱ升级激光装置，已经完成了8轮大型物理实验，并成功地验证了锥内等熵压缩、向心内爆加速、对撞预热和磁场引导下快电子加热过程的可行性，到2026年我们还要做10轮实验。我相信在不远的将来，核聚变能源将真正走进千家万户。

常国庆：2006-2017年期间，您任上海交通大学校长时期，如何处理科研和管理之间的关系?

张杰：大学的使命是培养人才，需要校长花费大量时间学习、研究高等教育理论，还有大量对内和对外的校务工作需要处理。此外，还需要拿出很多时间和老师们交流，参加学生们的大量课外活动。出于对大学校长职业的尊重与敬畏，我在担任上海交通大学校长期间，将自己进行高能量密度物理研究时间压缩到了最低程度，每年我最多只带一个博士研究生，会全程参与他的科学研究，保持自己对创新的敏感，不脱离最新的科研实践前沿。与此同时，我花了大量时间研究在快速转型的中国国情下，如何通过建立高效的治理体系，实现中国大学发展质量的快速提升，并发表了相关的高等教育学术论文。在那十年多的时间里，我与同事们一起，提出并实施了以制度激励为核心的现代大学治理体系的建设，在创新人才培养、科学技术创新、文化传承创新和社会服务创新方面推进了系统的综合改革，使上海交通大学成功跻身世界一流大学行列。

图2 致远学院“致汇营”，张杰院士以“致远智慧创新”为主题作演讲(图片源自网络)

常国庆：从2021 年起，您担任位于上海张江科学城的李政道研究所的第二任所长。可以请您介绍一下李政道研究所的现有工作吗?

张杰：李政道研究所于2016年正式成立，其科学使命是发挥大科学研究范式的优势和高度国际化的优势，从被动、主动、演生三个方向，在极端物态下物质的起源、演化和结构形成的研究上实现根本性突破，成为世界一流基础研究机构。李政道研究所在上海张江本部有两个实验平台和一个大型超级计算平台，这三个研究平台为探索极端物态提供最极端的探索能力，也为类似格点量子色动力学等研究提供高规格的计算资源。

除此之外，我们还正在利用我国不同地理位置独特的自然条件，建设具有极限探测能力的三个前进观测基地。第一个是已经建成的PandaX液氙探测器，位于四川锦屏山埋深2400米的深地实验室，主要用于暗物质粒子直接探测研究，在未来的五年内，探测器将从目前的4吨体量升级到30吨体量。第二个是位于青海冷湖海拔4500米的赛什腾山上JUST光谱巡天望远镜，主要用于黑暗宇宙的探测。第三个是建在海南南海海底3500米深处的TRIDENT中微子望远镜，用来研究早期宇宙中极端高能的中微子来源。理论、实验再加上观测，通过充分发挥大科学研究范式的优势，希望能够给李政道研究所的科学家们提供最好的研究条件，深入探索宇宙中最根本、最基础的科学问题，探索自然的极限和拓展人类知识的边界。

常国庆：请您评价一下李政道先生对中国科学技术发展的贡献。

张杰：李政道先生一直高度关注与重视中国科技和高等教育事业的发展。李政道先生曾多次提出非常重要的方向性建议，从最早在中国科学技术大学设立少年班到全面恢复高考，有力促进了中国科教事业的全面复苏。李政道先生还亲自推动中美物理研究生联合培养考试(CUSPEA)的人才培养机制，建议成立国家自然科学基金委员会和博士后制度，甚至亲手设计了国家自然科学基金委和中国博士后流动站最初的会标。更为重要的是，在改革开放之初，李政道先生利用邓小平先生1979年第一次访美的机会，推动了中美两国政府正式签署了高能物理合作协议，建立了中美科技合作的机制，这一机制对中国的改革开放和高科技发展都发挥了非常重要的作用，而且也是中美两国交流与合作的桥梁，我本人有幸在2003年到2006年期间，担任中美高能物理合作机制的中方代表团团长，直接在李政道先生的指导下工作，得到他的高度认可，并荣幸地被李先生称为“忘年至交”。

常国庆：您在科学研究中有没有遭遇过艰难时刻?您是如何克服的?

张杰：作为物理学家，我每天都会面临新的挑战，遇到的失败远远多于成功。不过我是乐观主义者，喜欢接受困难的挑战。克服困难重在坚持、不放弃，科学研究本就不会一帆风顺，乐观的心态与永不言弃的精神在科研过程中必不可少。比如，研制原子尺度超快时间分辨的电子衍射装置需要更多的经费支持。从2011年起，我们开始申请国家自然科学基金委员会的仪器设备重大创新项目，尽管团队全力以赴，还是遭遇了两次申请失败。我们并没有放弃，直到2013年6月，终于申请到了这个项目，又经过五年多的努力，在2018年我们成功地研制出世界上为数不多的兆电子伏能量的超快电子衍射和成像实验装置，实现了亚毫埃级的结构变化解析能力，并将超快电子衍射的时间分辨率提高到优于50 飞秒，打破了世界纪录。后来，我们与合作者成功地实现了用光场来控制量子材料的维度，并观察到瞬时的光致新奇物态。我们还将这些新技术应用到了小型化的高能粒子加速器、相变以及单分子成像等重要物理与化学的瞬态过程的观察。

图3 2021年超快电子衍射与成像团队合影(图片源自网络)