点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?
首页> 光明科普> 图文 > 正文

打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?

来源:光明网-科普中国2025-07-28 13:39

  可控核聚变科学,是人类在半个多世纪前开启的宏大篇章。核聚变反应研究的对象既简单又复杂,简单之处在于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。极端复杂则是因为真正用于能源的聚变反应,是许许多多原子核集体在极高密度和温度的极高能量状态下的极端物理过程,这几乎到了我们人类理解能力的极限。

  这样高的能量密度状态,需要使用世界上最大的激光装置来创造。将很多路携带巨大能量的激光光束聚焦后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核心的密度,温度甚至超过太阳核心温度。只有在这种极端高能量密度状态下,才能“驯服”氘和氚的原子核,使其融合并释放出巨大的聚变能量。而要理解这一刹那的物理过程,还需要一整套复杂的诊断体系,从时空、光谱、能量等多个维度去解析。

打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?

中国物理学会理事长、2021年未来科学大奖-物质科学奖获奖者张杰院士

  2018年是全球激光聚变研究的“至暗时刻”。由于彼时美国核安全局对美国国家点火装置进行的激光聚变研究做了评估,结论非常悲观,认为激光聚变输出能量大于输入能量的点火目标近期不可能实现,甚至中期实现的可能性也很小,所以全球很多激光聚变研究大多选择停滞或观望。

  但作为一名长期从事激光聚变研究的科学家,我明白坚持进行激光聚变研究对于人类的极端重要性,而它也是我多年的梦想所在。因此,我和我的团队正是在这样的时刻下选择坚持,大规模投入到激光聚变实验与理论研究的进程中。

  目前,世界上的激光聚变点火方案主要有两条路径。一条是以美国国家点火装置为代表的中心点火方案,核心是用激光能量直接或者间接地对氘氚燃料施加巨大压强,在对燃料进行压缩的同时也对燃料进行加热,最后汇聚到中心实现点火,但是压缩和加热这是一对相互纠缠又相互矛盾的过程,带来至今尚无法彻底解决的诸多问题。另外一条路径,是将激光聚变过程,彻底分解为压缩和加热两个物理过程,这条路线理论非常美妙,但是实验上实现的难度也很大。1997年,当我还在英国卢瑟福实验室工作的时候,就提出了用双锥对撞的方法将内爆压缩过程限制在两个金锥内,锥口喷出的等离子体射流对撞,形成低温高密的量子简并等离子体,然后再对其进行快速加热。2018年,基于这个想法并结合近年来世界激光聚变的研究进展,形成了完整的双锥对撞点火方案。

打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?

双锥对撞点火方案的示意图

  双锥对撞点火方案的物理本质是将压缩过程和加热过程彻底分开,先进行等熵压缩以达到高质量压缩,由锥口喷射出的高密度等离子体对撞后达到聚变密度,然后再用激光产生的高能电子再快速加温至聚变温度。这种方案效率高、稳定性好,可在更小的激光装置上研究并实现点火,再加上靶设计特别简单便宜,因此更适合作为未来激光聚变电站的主方案。

  从2018年的“至暗时刻”走来,在过去的六七年里,我们克服了重重困难,完成了11轮大型物理实验,验证了双锥对撞点火方案的可行性以及它的主要优点,同时也与全球激光聚变的研究者一起,见证了美国国家点火装置的同行,在2022年年底实现激光聚变的“点火时刻”,激光聚变能的科学可行性,并标志着人类聚变能时代的开始。目前我们正在升级我们的激光装置,希望能够用美国国家点火装置十分之一规模的激光能量实现点火,并快速向激光聚变能推进。

  以前人们经常开玩笑说“聚变研究目标的实现永远有50年的距离”,现在这样的困局早已打破。未来,聚变能对我们生活的改变将是巨大的。人类过去三次工业革命的底层逻辑都是能源技术的进步,但是那几次能源技术的进步其实也就是几倍而已,而这次聚变能时代的能量密度比过去三次工业革命使用的化石能源要高出几百万倍,因此,由它引发的新的一次工业革命,也必将比过去的三次工业革命的总和还要大。

  聚变燃料中的氘来自海水,成本极低。1升海水含约30毫克氘,其聚变释放的能量相当于300升汽油,氚可以在聚变电站运行中产生,因此,一旦聚变能投入使用,能源成本将会很快趋近于零,这将彻底改写商品社会的底层逻辑。乐观一点儿估计20年内激光聚变电站就会出现,在未来的20年到30年的时间里面,能够进入到商业发电的状态,让其发出的电“点亮”千家万户,点亮未来。

  “明知不可为而为之”,是我非常喜欢的一句话,也是我的人生哲学。物理学家的终极职责就是为人类社会可持续发展解决难题,只有在解决难题的过程当中,才能体现出物理学家对于人类社会的特殊存在意义和价值,同时也是多少代物理学家共同追求的目标。

  如今,中国在许多领域的基础研究都取得了令世人瞩目的成就。我们现在回过头来看,20年前我们基础研究存在的一些问题,现在大部分都已经不存在了。这就是“发展中的问题要在进一步的发展中解决”的中国智慧。今天中国很多领域的基础研究已经走上了世界的舞台,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。

  聚变能时代的曙光已在地平线显现,我和我的团队也将继续全力以赴,“明知不可为而为之”,迎接激光聚变照亮人类未来的那一天。

  (文章系未来科学大奖十周年庆典期间光明网采访张杰院士的内容,记者蔡琳、宋雅娟采访整理。来源:科普中国-科学报国正当时)

打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?

打破“永远50年”困境,激光聚变如何改变未来?

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 来中国科技馆,和科学家击掌!

  • 理响中国·幸福有“理”

独家策划

推荐阅读
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
加载更多