高能量密度物理領(lǐng)域探索者

2017/1/18 13:56:08

近日，在美國西雅圖，中國科學(xué)院院士、激光等離子體物理學(xué)家、上海交通大學(xué)校長張杰走上國際慣性聚變科學(xué)與應(yīng)用大會(huì)的頒獎(jiǎng)臺，接過了美國核物理學(xué)會(huì)授予的2015年度愛德華˙泰勒獎(jiǎng)。這是我國科學(xué)家首次榮獲這一激光聚變領(lǐng)域的國際最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

愛德華˙泰勒獎(jiǎng)每兩年頒發(fā)一次，每次授予兩名杰出科學(xué)家，獎(jiǎng)勵(lì)他們在運(yùn)用激光和離子粒子束產(chǎn)生高溫高強(qiáng)物質(zhì)來進(jìn)行科學(xué)研究及可控?zé)崮芎司圩兩系那把匮芯亢皖I(lǐng)導(dǎo)力。張杰摘得這一榮譽(yù)，緣于他及他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在快點(diǎn)火激光聚變研究和在強(qiáng)激光實(shí)驗(yàn)室天體物理研究上的重要貢獻(xiàn)。

數(shù)十年來，全球科學(xué)家一直夢想著在地球?qū)嶒?yàn)室里實(shí)現(xiàn)太陽的聚變反應(yīng)，以獲得取之不盡的清潔能源。聚變?nèi)剂峡芍苯尤∽院Ｋ�中富含的氚和氘，如果每升海水中所蘊(yùn)含的氘和氚發(fā)生完全的聚變反應(yīng)，能產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油燃燒時(shí)釋放的能量。以此推算，根據(jù)目前世界能源消耗水平和海水存量，聚變能可供人類使用數(shù)億年，甚至數(shù)十億年，因此，聚變能被看作人類的終極能源。

然而，如何控制聚變反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的能量凈輸出，則是科學(xué)界一直聚焦的重大科學(xué)問題。激光聚變是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的一種途徑。為了實(shí)現(xiàn)核燃料的持續(xù)燃燒，人們先后提出了中心點(diǎn)火激光聚變和快點(diǎn)火激光聚變等物理方案。其中快點(diǎn)火方案有望大幅降低驅(qū)動(dòng)激光的能量和激光等離子體的不穩(wěn)定性，因此受到世界范圍的廣泛關(guān)注。如果用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理來比喻，中心點(diǎn)火方案相當(dāng)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在壓縮汽化燃料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)升溫至自燃；而快點(diǎn)火方案則與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)原理類似，將燃料壓縮到一定程度后，由火花塞點(diǎn)火。快點(diǎn)火方案中，超強(qiáng)加熱激光脈沖產(chǎn)生的大量高能超熱電子，給預(yù)先壓縮的氘氚燃料快速加熱到聚變溫度的過程，就相當(dāng)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的點(diǎn)火過程。所以，在快點(diǎn)火物理方案的研究中，超熱電子的定向產(chǎn)生和可控傳輸是快點(diǎn)火激光聚變成功的關(guān)鍵。張杰帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，對這個(gè)問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了超熱電子束流的定向產(chǎn)生和準(zhǔn)直傳輸，為深入理解和控制快點(diǎn)火激光核聚變過程作出了重要貢獻(xiàn)。

張杰的探索還不止于此，在小實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)“大宇宙”，也是他多年孜孜以求的方向。長期以來，天文學(xué)家對天體現(xiàn)象的主要研究方法是被動(dòng)的遠(yuǎn)距離觀測和理論模擬，高功率激光技術(shù)的快速發(fā)展給天體物理研究帶來了新的機(jī)遇。利用高功率激光裝置，人們能夠在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造與天體現(xiàn)象相似、前所未有的極端物理環(huán)境，對天體問題進(jìn)行主動(dòng)、近距、可控的研究。張杰領(lǐng)導(dǎo)的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域一路前行，在國內(nèi)開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)室天體物理研究的新領(lǐng)域，在對黑洞周圍的光電離、太陽表面的磁重聯(lián)和噴流等重要天體物理前沿問題的研究中，取得多項(xiàng)重要突破。。