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上海交大校長張杰丨獲激光核聚變領域國際最高獎

  2015924日,中國科學院院士、激光等離子體物理學家、上海交通大學校長張杰,在美國西雅圖被美國核物理學會授予2015年度愛德華·泰勒獎,以表彰他及他所帶領的團隊在快點火激光聚變研究和在強激光實驗室天體物理研究上的重要貢獻。

  這是我國科學家首次榮獲激光聚變領域的國際最高獎項,為我國的相關研究贏得了榮譽。

  頒獎禮上,張杰對他先后在牛津大學、中科院物理所和上海交通大學的三個研究團隊的同事致謝,并在最后感謝自己的父母。925日,張杰在大會上做泰勒獎特邀主題報告,和與會同仁分享了他所從事的激光等離子體研究。

  愛德華·泰勒獎是美國核物理學會設立的以“氫彈之父”愛德華·泰勒命名的核聚變能源領域最高獎項,每兩年在國際慣性聚變科學與應用大會上頒發,每次授予兩名杰出科學家,獎勵他們在運用激光和粒子束產生高溫高強物質來進行科學研究及可控熱核聚變上的前沿研究和領導力。

在地球上創造微型太陽

數十年來,全球科學家一直夢想著在地球實驗室里實現太陽的聚變反應,以獲得取之不盡的清潔能源。相比當前人類采用的裂變式的核能,聚變反應更加高效,而且幾乎不會帶來放射性污染等環境問題。聚變燃料可直接取自海水中富含的氚和氘,如果每升海水中所蘊含的氘和氚發生完全的聚變反應,能產生相當于300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算,根據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億年,甚至數十億年,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,實現持續的能量凈輸出,則是科學界一直聚焦的重大科學問題。激光聚變是實現受控核聚變的一種途徑。為了實現核燃料的持續燃燒,人們先后提出了中心點火激光聚變和快點火激光聚變等物理方案。其中快點火方案有望大幅降低驅動激光的能量和激光等離子體的不穩定性,因此受到了世界范圍的廣泛關注。如果用汽車發動機的工作原理來比喻,中心點火方案相當于柴油發動機,在壓縮汽化燃料的同時實現升溫至自燃;而快點火方案則與汽油發動機原理類似,將燃料壓縮到一定程度后,由火花塞點火。快點火方案中,超強加熱激光脈沖產生的大量高能超熱電子,給預先壓縮的氘氚燃料快速加熱到聚變溫度的過程,就相當于汽油發動機中的點火過程。所以,在快點火物理方案的研究中,超熱電子的定向產生和可控傳輸是快點火激光聚變成功的關鍵。

張杰帶領的研究團隊,對這個問題進行了深入系統的研究,實現了超熱電子束流的定向產生和準直傳輸,為深入理解和控制快點火激光核聚變過程作出了重要貢獻。

小實驗室里重現“大宇宙”

宇宙中各種天文現象、天體物理過程及其豐富,有些現象和人們的生活密切相關。以太陽耀斑為例,其對地球空間環境造成很大影響。太陽色球層中一聲爆炸,地球大氣層即刻出現繚繞余音。太陽耀斑爆發時,會嚴重危及宇宙飛行器內的宇航員和儀器的安全。無線電通信尤其是短波通信,以及電視臺、電臺廣播,會受到干擾甚至中斷。會干擾地球磁場而引起磁暴。此外,太陽耀斑爆發是對地球有非常嚴重的影響。正由于如此,長期以來,人們一直將揭開耀斑爆發的奧秘作為天體物理前沿研究的焦點。我們當然無法登上太陽去觀測研究這種現象,但是我們卻可以通過激光實驗在實驗室中重現這樣的現象,從而深入揭示這些宇宙奧秘。

  長期以來,天文學家對天體現象的主要研究方法是被動的遠距離觀測和理論模擬。高功率激光技術的快速發展給天體物理研究帶來了新的機遇。利用高功率激光裝置,人們能夠在實驗室中創造與天體現象相似、前所未有的極端物理環境,為科學家們在實驗室中對天體問題進行主動、近距、可控的研究提供了新思路和新方法。

  張杰領導的國際聯合研究團隊在國內開創了實驗室天體物理研究的新領域,在對黑洞周圍的光電離、太陽表面的磁重聯和噴流、超新星爆發導致的無碰撞沖擊波等重要天體物理前沿問題的研究中,取得了多項重要突破,受到國際同行的高度評價。

  鑒于他的學術成就,張杰于2003年當選為中國科學院院士、2007年當選為德國科學院院士、2008年當選為第三世界科學院院士、2011年當選皇家工程科學院外籍院士、2012年當選美國科學院外籍院士。