以夢為馬探核路 飛燕凌云逐金烏

馬夢珂

自愛因斯坦提出質(zhì)能關(guān)系E=mc2以來，人類已通過氫彈的成功證實(shí)了人工核聚變的可行性。以此為開端，聚變能憑借其規(guī)模化、持久性、經(jīng)濟(jì)性和清潔性的特點(diǎn)，對其可控化利用成為各國科學(xué)家爭相關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在此過程中，激光驅(qū)動核聚變成為實(shí)現(xiàn)可控核聚變的重要途徑。

“以實(shí)現(xiàn)激光核聚變?yōu)槟繕?biāo)，從基本原理出發(fā)，對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題展開探索性研究，既著眼理論突破，又重視計(jì)算軟件的開發(fā)，同時驗(yàn)證工程上的可行性，為真正清潔可持續(xù)的核能利用打下基礎(chǔ)，并以自身學(xué)識培養(yǎng)年青一代?！边@是國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院教授馬燕云一直在做的事。

逐夢科大造“太陽”

大抵每個熱愛物理的孩子都有一個科學(xué)夢，馬燕云也不例外。1993年，懷揣夢想并矢志報(bào)國的他順利進(jìn)入國防科技大學(xué)應(yīng)用物理系?；谧陨砼d趣與學(xué)校的專業(yè)設(shè)置，年輕的馬燕云將研究方向瞄準(zhǔn)激光核聚變方向，從此與核聚變結(jié)下不解之緣。

據(jù)馬燕云介紹，地球上的能源幾乎都直接或間接地來源于太陽，而太陽的能量來源于其內(nèi)部所發(fā)生的核聚變反應(yīng)，目前人類已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。除了重要的國防用途，核聚變更為重要的作用，在于為人類真正解決能源危機(jī)提供可能。數(shù)十年來，全球科學(xué)家一直夢想著在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)太陽的聚變反應(yīng)，以期獲得取之不盡的清潔能源，而科學(xué)家實(shí)現(xiàn)聚變目標(biāo)的裝置也被稱為“人造太陽”。由于核聚變?nèi)剂峡芍苯尤∽院Ｋ懈缓碾?，如果每升海水中所蘊(yùn)含的氘發(fā)生完全的聚變反應(yīng)，就能產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油燃燒時釋放的能量。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100億年?！耙阎厍虻膲勖蠹s是50億年，從這個角度來說的話，這種資源可以說是取之不盡、用之不竭的?！瘪R燕云解釋道。

隨之而來的問題便是，如何實(shí)現(xiàn)可控的核聚變，使之成為穩(wěn)定的能源提供方式？關(guān)于可控核聚變的實(shí)現(xiàn)，蘇聯(lián)科學(xué)家N.巴索夫和中國科學(xué)家王淦昌先后獨(dú)立提出了用激光照射在聚變?nèi)剂习猩蠈?shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的構(gòu)想，并開辟了實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的新途徑——激光核聚變。

所謂激光核聚變，就是使用高功率激光作為驅(qū)動器去照射一個直徑為毫米量級的聚變?nèi)剂闲∏颍窗型瑁?，在十幾納秒的時間里把聚變?nèi)剂霞訜岬缴蟽|攝氏度的高溫，達(dá)到聚變點(diǎn)火條件并在燃料飛散之前依靠燃料的慣性使它們能夠在高溫高密的狀態(tài)維持一段時間，使得聚變?nèi)剂习l(fā)生充分的核反應(yīng)，從而釋放聚變能量的一種聚變方式。在激光核聚變中，激光首先照射靶丸表面并使其迅速電離形成等離子體，激光的能量從等離子體臨界密度層通過電子熱傳導(dǎo)向燒蝕層內(nèi)傳遞并使燒蝕層不斷產(chǎn)生等離子體，這些等離子體向外高速飛散并產(chǎn)生反作用力壓縮靶丸，使靶丸內(nèi)氘、氚燃料的密度和溫度迅速增加并最終達(dá)到點(diǎn)火條件實(shí)現(xiàn)核聚變。馬燕云的博士論文主要研究當(dāng)時激光核聚變過程中的一種新的點(diǎn)火方案——“快點(diǎn)火”方案，這也是國內(nèi)第一篇系統(tǒng)研究“快點(diǎn)火”方案可行性的博士學(xué)位論文。鑒于等離子體的復(fù)雜性，馬燕云意識到，想要揭開等離子體的“神秘面紗”，得力的研究工具必不可少。就在此時，馬燕云的導(dǎo)師常文蔚教授，引入了當(dāng)時國際上流行的粒子模擬研究方法，并成為國內(nèi)最早開展粒子模擬工作的研究人員之一。有了先進(jìn)的研究方法，擺在馬燕云面前的任務(wù)仍不輕松，“那時候，粒子模擬程序大多是保密的，想要做這個研究，我們必須研制自己的工具，自己編寫粒子模擬程序”。

幸運(yùn)的是，團(tuán)隊(duì)的先發(fā)優(yōu)勢讓馬燕云的研究有了一定的基礎(chǔ)：在激光等離子體相互作用的數(shù)值模擬研究中，一維、二維的模擬程序團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)完畢。然而在馬燕云看來，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于低維模型不夠準(zhǔn)確，有時甚至?xí)贸鲥e誤結(jié)論，模型的局限性是十分明顯的。為了建立更加準(zhǔn)確全面的模擬模型，馬燕云定下了“兩步走”的計(jì)劃——第一步，先研制二維半粒子模擬程序;第二步，研制三維粒子模擬程序。按照計(jì)劃，馬燕云首先研制了二維半粒子程序，該程序又稱為“2?維粒子模擬程序”。這一程序同時考慮了電場和磁場在3個空間維度的總共6個電磁場分量，補(bǔ)全了不同維度的物理信息，其與真正的三維程序唯一的差別，就是未對第三維度的位移進(jìn)行描述。馬燕云從碩士入學(xué)不久就開始著手研究該程序，課余時間幾乎全花在程序研制上。功夫不負(fù)苦心人，在碩士開題時他就已經(jīng)提前完成該程序研制，由于進(jìn)展太快以至于有的老師笑問：“你這是開題還是答辯？”這無疑是對馬燕云研究成果的極大肯定。在此基礎(chǔ)上，馬燕云繼續(xù)對三維程序進(jìn)行沖擊。“先前做2?維方案時，整個物理方案就是按照三維的標(biāo)準(zhǔn)做的。所以三維程序要編出來，其實(shí)難度并不大。真正的困難在于三維程序陡增的計(jì)算量如何解決?！瘪R燕云說，“正好當(dāng)時我校（國防科技大學(xué)）擁有自行研制的巨型計(jì)算機(jī)，其強(qiáng)大的計(jì)算力可以幫我解決這個難題?！币?yàn)??維程序的計(jì)算量不大，程序是串行的，而三維程序要在并行機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，就必須編成并行程序，并行程序的查錯和調(diào)試難度比二維程序大得多，這是馬燕云始料不及的。經(jīng)過無數(shù)個不眠之夜的艱苦攻關(guān)、查錯和調(diào)試，最終，這一集合了自身經(jīng)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢、“國內(nèi)沒有，國外也不多見”的國內(nèi)首個三維并行粒子模擬程序PLASIM3D終于在馬燕云博士論文開題兩年后研制成功。這意味著，我國能夠憑借自有程序得到激光等離子體相互作用的三維模擬結(jié)果，包含了準(zhǔn)確三維模擬結(jié)果的博士學(xué)位論文《慣性約束聚變快點(diǎn)火方案中若干重要問題的粒子模擬研究》也為馬燕云贏得了湖南省優(yōu)秀博士論文的榮譽(yù)。在粒子模擬算法方面，馬燕云提出新型粒子模型，打破了該方法只能模擬粒子間集體相互作用的固有認(rèn)知，粒子間的碰撞效應(yīng)得以借此展現(xiàn)。通過對“快點(diǎn)火”方案的研究，馬燕云對其可行性作出判斷，并對與“快點(diǎn)火”相關(guān)的超強(qiáng)激光在等離子體中的傳輸和吸收、基于激光等離子體的粒子加速和輻射產(chǎn)生等許多問題進(jìn)行大量研究。最終，這一成果被評價為“國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)”，獲得業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可。

功不唐捐。馬燕云在粒子模擬程序方面的成績，也引起了中國科學(xué)院物理研究所張杰院士的注意。彼時，基于激光核聚變苛刻的實(shí)現(xiàn)條件，“快點(diǎn)火”技術(shù)方案逐步在國際上風(fēng)靡起來。該方案有別于傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火方式，是以一束超短脈沖強(qiáng)激光聚焦在靶丸表面并在其等離子體過臨界密度區(qū)域“打洞”。在此過程中，激光將臨界密度面向靶芯的高密度等離子體里推進(jìn)，同時使溫度迅速提升，最終實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火。憑借扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，馬燕云與張杰院士團(tuán)隊(duì)展開合作，為張杰院士團(tuán)隊(duì)發(fā)展粒子模擬程序并為將粒子模擬結(jié)果用于解釋“快點(diǎn)火”實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出了重要貢獻(xiàn)。與此同時，他還和中國工程物理研究院谷渝秋團(tuán)隊(duì)合作，幫助該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與該團(tuán)隊(duì)一起實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首例GeV激光尾波場電子加速，并獲省部級一等獎。

讓“核專業(yè)”重回榮光

正當(dāng)馬燕云埋首激光核聚變與激光粒子加速研究，為提升我國在該領(lǐng)域的影響力而努力時，國防科技大學(xué)將一項(xiàng)艱巨的任務(wù)交給了他。

國防科技大學(xué)的前身，是1953年創(chuàng)建于哈爾濱的中國人民解放軍軍事工程學(xué)院，即著名的“哈軍工”。這所素有“軍中清華”之稱的名校，其實(shí)力不容小覷。作為服務(wù)于“兩彈”人才培育的重要院系，當(dāng)時原子工程系的“核專業(yè)”更是人才輩出。然而時過境遷，由于調(diào)整轉(zhuǎn)變不及時，昔日風(fēng)光無二的“核專業(yè)”在20世紀(jì)80年代后逐步萎縮，1986年“核專業(yè)”作為一個獨(dú)立本科專業(yè)停止招生，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用物理專業(yè)下的一個方向;2007年，該專業(yè)在最后一批碩士生畢業(yè)后停止招生，“核專業(yè)”就此成為歷史。

2008年，張育林回到母校任校長一職，這位昔日的國防科技大學(xué)學(xué)子走馬上任后，發(fā)出的第一個問題就是，“我們的核專業(yè)去哪兒了？”在他看來，就其對國防的重要性和學(xué)校的定位與職責(zé)而言，“核專業(yè)”都是不可或缺的，重建“核專業(yè)”勢在必行。而多年研究核聚變、與專業(yè)相關(guān)度最高且科研成績斐然的馬燕云，正是帶領(lǐng)這番“重啟”的不二人選。

接手已經(jīng)“解散”3年之久的“核專業(yè)”，馬燕云并非全無擔(dān)憂。在他看來，過去“核專業(yè)”沒有發(fā)展起來，主要癥結(jié)在于學(xué)科規(guī)劃和建設(shè)不足導(dǎo)致缺乏博士點(diǎn)和有前途的科研方向。缺乏博士點(diǎn)，使得學(xué)生發(fā)展受限，也就無法吸引優(yōu)秀學(xué)生;而碩士畢業(yè)生的學(xué)歷和能力不足導(dǎo)致他們無法順利留校，不能給團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充新鮮血液，使得團(tuán)隊(duì)逐漸萎縮、科研實(shí)力下降，而這進(jìn)一步降低了對學(xué)生的吸引力，最終形成惡性循環(huán)。如今想在一片空白的基礎(chǔ)上恢復(fù)“核專業(yè)”，可謂是難如登天。再加上馬燕云沒有“帶隊(duì)伍”的經(jīng)驗(yàn)，“核專業(yè)”的重建之路任重道遠(yuǎn)。正當(dāng)他憂慮之際，校領(lǐng)導(dǎo)的一句話深深鼓舞了他：“正因?yàn)檫@是一張白紙，才有無限可能。”抱著對專業(yè)的熱愛、對母校的深情、對責(zé)任的赤誠，最終馬燕云決定“奉命于危難之間”，明知不可為而為之，力求帶“核專業(yè)”闖出一條生路。

萬事開頭難。剛剛接下“軍令狀”的馬燕云，是實(shí)打?qū)嵉摹肮鈼U司令”。沒有本科專業(yè)、沒有研究生、沒有科研項(xiàng)目、沒有團(tuán)隊(duì)人員，更沒有學(xué)科發(fā)展的方向，甚至沒有專屬的辦公室，一切都是未知數(shù)。為了打破這一困境，馬燕云一邊組建團(tuán)隊(duì)，一邊尋求“外援”。在他的不斷努力下，“哈軍工”校友、中國工程物理研究院彭先覺院士受邀成為國防科技大學(xué)核學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人，加入到“核專業(yè)”的重建過程中。

“彭院士是軍用核技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威，是我校‘核專業(yè)’的領(lǐng)路人，更是專業(yè)發(fā)展的助推器?！瘪R燕云說，“彭院士對母校懷有深厚的感情，我們自主開發(fā)的粒子模擬程序和輻射流體程序，也與彭院士正在進(jìn)行的聚變項(xiàng)目十分契合。在合作過程中，彭院士帶領(lǐng)我們這個團(tuán)隊(duì)走進(jìn)慣性約束核聚變最為核心的地帶，我們也在這個過程中，逐漸形成了自己的學(xué)科優(yōu)勢。目前在慣性約束核聚變領(lǐng)域，我們已經(jīng)成長為國內(nèi)一支有重要影響力的研究隊(duì)伍。通過不懈的努力，我們終于為重生的‘核專業(yè)’闖出了一條極有發(fā)展前途的新路徑。”

從“勸說”出走其他專業(yè)的師兄弟回歸本專業(yè)，再到對外精準(zhǔn)招聘，在馬燕云的奔走下，屬于“核專業(yè)”的十幾人的教學(xué)科研隊(duì)伍逐步建立起來。經(jīng)過他們的共同努力，2012年，暌違26年的核學(xué)科本科專業(yè)正式回歸國防科技大學(xué)。在短短幾年時間里，馬燕云在隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、課程建設(shè)、本科專業(yè)等方面作出了重要貢獻(xiàn)，為學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，為國防科技大學(xué)核學(xué)科的建設(shè)與軍隊(duì)核技術(shù)人才培養(yǎng)作出了重要貢獻(xiàn)。馬燕云說：“這在普通學(xué)?？赡懿凰汶y事，但是對于隸屬于部隊(duì)的院校來說，這番‘廢而復(fù)建’，其難度比申請幾千萬科研經(jīng)費(fèi)的難度要大得多。能夠在這么短的時間內(nèi)完成這項(xiàng)任務(wù)，得益于各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持。”

馬燕云并未止步于此。在2012年這批本科生入學(xué)之時，他想到的是“人最不能缺少的就是希望”。作為核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的建設(shè)負(fù)責(zé)人，馬燕云認(rèn)為，要讓學(xué)生心有希望，就不能讓他們?yōu)閷I(yè)后續(xù)的發(fā)展而擔(dān)心疑慮，更不該讓學(xué)生的發(fā)展止步于本科。為此，他與2012級核專業(yè)的新生做出約定：“大家放心，當(dāng)你們畢業(yè)的時候，我們的碩士點(diǎn)也將獲批，你們將可以繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位?！边@是馬燕云給學(xué)生的承諾，更是他給自己的鞭策。功夫不負(fù)苦心人，2015年，核技術(shù)及應(yīng)用碩士點(diǎn)順利恢復(fù)，那批2012年入學(xué)的本科生，正好趕上了2016年的碩士考試，其中的佼佼者也如愿繼續(xù)留在國防科技大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。就這樣，馬燕云在讓“核專業(yè)”重回榮光的征途上，留下了濃墨重彩的腳印。

敢教日月?lián)Q新天

無論是彭先覺院士的踏實(shí)務(wù)實(shí)，還是張杰院士的開闊思維、高效管理，都為馬燕云團(tuán)隊(duì)的成長提供了豐富的養(yǎng)分。在深入研究激光核聚變的基礎(chǔ)上，馬燕云想做的，不只是完成激光核聚變的“點(diǎn)火”，更是要真正利用核聚變來解決能源短缺的終極問題。

所謂“點(diǎn)火”，就是能量得失相當(dāng)，要讓核反應(yīng)放出的能量大于等于系統(tǒng)輸入的能量。要實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，首先要解決傳統(tǒng)激光聚變研究中的瓶頸問題。由張杰院士原創(chuàng)的雙錐對撞點(diǎn)火方案較國際上現(xiàn)有的直接驅(qū)動、間接驅(qū)動方案在激光-靶丸耦合效率、靶丸輻照均勻性、激光-等離子體相互作用不穩(wěn)定性、瑞利-泰勒不穩(wěn)定性和綜合靶場設(shè)置等方面都具有一定優(yōu)勢，為我國乃至國際慣性約束聚變研究注入了新的活力，將大幅度提升我國在激光聚變研究領(lǐng)域的國際地位。在這一項(xiàng)目的實(shí)施過程中，馬燕云主持了一個重要的理論項(xiàng)目，為“點(diǎn)火”提供物理方案和理論支持?！澳銈儓F(tuán)隊(duì)從立項(xiàng)階段就參與進(jìn)來，在基礎(chǔ)薄弱、人員短缺的巨大壓力下，你們最終和我們一起把項(xiàng)目論證這塊‘硬骨頭’啃下來了，在這個過程中，你們作出了不可替代的重要貢獻(xiàn)?！睆埥茉菏繉︸R燕云團(tuán)隊(duì)如此評價道。

馬燕云始終認(rèn)為，受控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)，將會真正解決人類的文明迭代問題，極大地推動人類社會的發(fā)展，這一輩子能投身到這樣一項(xiàng)偉大的事業(yè)中，他覺得十分光榮。“要實(shí)現(xiàn)受控核聚變需要成千上萬人不懈的努力，我期待我的綿薄之力，能和世界上所有做聚變的科學(xué)家的力量一起匯聚成一股洪荒之力，推動受控核聚變早日實(shí)現(xiàn)，希望能在有生之年看到人類用上清潔的取之不盡的聚變能源。那時，地球處處藍(lán)天白云，鳥語花香，四季如春;世界不再有能源短缺、不再有因爭奪石油引起的戰(zhàn)爭;海水變淡水，沙漠變桑田，人們豐衣足食，再無饑餓;人們也終于可以走出人類的搖籃，開啟新的文明……”

專家簡介

馬燕云，漢族，1974年5月生，新疆庫爾勒人?，F(xiàn)任國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。擔(dān)任中國核學(xué)會輻射物理分會常務(wù)理事、湖南省核學(xué)會常務(wù)理事兼副秘書長、國家自然科學(xué)基金評審專家、湖南省第一批科學(xué)傳播團(tuán)隊(duì)首席專家。主持和完成國家重大專項(xiàng)、挑戰(zhàn)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)、國家自然科學(xué)基金、原“973”計(jì)劃、原“863”計(jì)劃等項(xiàng)目30余項(xiàng)。獨(dú)立完成了國內(nèi)首個2D3V粒子模擬程序PLASIM、國內(nèi)首個三維并行粒子模擬程序PLASIM3D的研制，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立起激光核聚變的三維并行全過程數(shù)值模擬能力，在激光核聚變、激光粒子加速等方面均作出重要成果。合作出版專著1部，申請專利10項(xiàng)，在PNAS、PRL、PRE、POP等國內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文140余篇，其中SCI100余篇、EI30余篇。論文總SCI被引次數(shù)1400余次。3篇文章進(jìn)入ESI排名前10%。獲省部級一等獎1項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)。