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每天，太阳从东方升起，给予人类光明和温暖。地球上的一切能源归根到底都来自于太阳，然而人类对传统能源的过度开采及其带来的环境问题已让地球不堪重负。为了争夺和控制能源资源，各国之间的战争和冲突不断。既然太阳的能量来自于聚变，那么能不能在地球上实现可控的聚变，从而满足人类的能源需求，还世界一份祥和呢？带着这样的问题，记者走访了清华大学工物系教授高喆。
高喆，清华大学教授、博士生导师，1993年考入清华大学，2002年获博士学位后留校任教至今，期间曾多次赴美日欧担任访问学者或客座研究员。其一直从事聚变和等离子体物理研究，在等离子体湍流输运、射频波物理及球形托卡马克物理等领域开展了多项创新性研究。曾获全国百篇博士学位论文奖、蔡诗东等离子体物理奖、霍英东青年教师奖等，入选教育部新世纪人才、北京市科技新星和清华大学基础研究青年人才等支持计划。
聚变——几近完美的未来能源
“核聚变是几近完美的未来能源，因为它丰富、清洁、安全”，高喆教授这样开始介绍聚变能。
首先，地球上广泛存在的水和锂为聚变提供了丰富的燃料储备。其次，聚变不排放温室气体，也不产生高活化的放射性废物。聚变能还具有固定的安全性，这是因为燃料必须在充分的加热和约束下才能发生聚变反应，因此，聚变的燃料储存区和反应区是分开的，实际发生反应的燃料量非常少；同时，一旦约束被破坏，聚变反应条件迅速丧失，也就完全没有爆炸的危险。
“事实上，聚变的安全性和其实现的艰巨性是相互联系的，这也是经过六十多年的努力，聚变仍然被称为未来能源的原因”，高喆教授说道。探索聚变能是至今科学家们所遇到的最困难的挑战之一。目前，磁约束聚变的科学可行性已经得到充分验证，国际上正在合作建设以燃烧等离子体物理研究和聚变工程可行性验证为目标的国际热核实验堆ITER。预计下一代的惯性约束也会达到接近的水平。但将目前的科研和技术发展用于建设经济上可行的聚变电站，仍然有相当长的路要走。
“在认识到聚变道路还很漫长的同时，必须看到聚变研究取得的巨大成就。”高喆教授特别提到，欧洲开展的一项对比研究发现，无论是从等离子体参数还是从聚变功率来说，聚变研究进展都丝毫不逊色于计算机芯片技术的发展和粒子加速器的发展。“人们之所以容易忽视聚变研究的成绩，原因在于其缺乏中间阶段的应用”。高喆教授举了个例子，那就是在到达峰顶的山路上，没有岔路可以到达其他观景台，但是你不能因此否认最后登顶才能欣赏的美景。
聚变等离子体物理面临巨大挑战
“尽管聚变研究进入ITER时代，但仍然面临巨大挑战。除了工程和材料上聚变堆需求与现状的巨大差距外，我们对于高温等离子体物理的理解也还很不充分，因此对ITER中的燃烧等离子体行为缺乏可靠的预测。大体来说，几个关键方向的物理需要被特别关注，包含等离子体输运、磁流体不稳定性、射频波和高能量粒子物理、边界等离子体物理及等离子体壁相互作用。”
看着记者有点发懵，高喆教授给记者科普了一把。“输运关注的主要是粒子和热量从等离子体芯部向外部的损失。因为聚变需要保持高温高密度状态，因此人们希望这个输运损失比较小。但不幸的是，实验观测到的输运水平远远大于由于碰撞而导致的经典输运。这种反常大的输运基本被证实是微观不稳定性发展形成的湍流所导致。另外，湍流还会演化形成一些自组织结构，而这些结构反过来又会影响到输运。湍流输运非常复杂，人们为此进行了大量的工作，尤其是近年来在非线性湍流模拟上取得很大成绩。但同时我们也发现，即使在一些非常基本的问题上也仍然缺乏足够的认识。”记者了解到，高喆教授在这方面开展了一系列基础研究，他发现了一类新的微观不稳定性—短波长温度梯度模，为解释电子反常输运提供一种新的可能；发展了测地声模的本征模理论，预测了其频率、阻尼率、传播特征及等离子体形状的影响，被评价为“可与实验比较的新理论”，并为国际上一些湍流模拟程序提供了校验依据等。“我们的工作只是湍流输运研究中非常微小的一部分，”高喆教授谦虚地说，“但是我们希望这些工作能扎扎实实地为等离子体物理的发展做出一点贡献。”
波加热和电流驱动对于等离子体高参数稳态运行至关重要，因此需要对波物理进行深入的研究。“这些研究一定要严谨可靠，因为它直接和我们的探索方向相关。”高喆教授举了一个例子，一种被称作螺旋度注入非共振电流驱动的手段之前被长期广泛地认为能提高波的电流驱动效率，但实验中却很难发现该效应。高喆教授通过对有质动力的认真分析，指出波施加的平行非共振力会被非线性应力的变化精确抵消，从而从根本上否定了这种方法。这个结论被国际同行评价为“在非共振电流驱动问题上澄清了一些长期存在的混乱”。高喆教授总结道，“由此可见，等离子体物理还是一个非常需要深入研究的领域，还有大量的基础研究问题尚未解决，这也是聚变研究艰巨性的一部分”。
传统托卡马克之外的磁约束聚变研究非常必要
在高喆教授的实验室，我们还看到了一个被称作SUNIST的装置。据介绍，SUNIST是我国唯一一个球形托卡马克装置。球形托卡马克目前在国际上规模仅次于托卡马克和仿星器的一种磁约束方式。和传统托卡马克相比，球形托卡马克更紧凑、比压更高、磁流体稳定性也更好。不过，由于中心柱处空间受限，使得中心螺管的设计变得更困难，因此人们正努力采用非感应的方法启动和维持等离子体电流。由于球形托卡马克更加紧凑，因此可以在较低的聚变功率下获得较高的中子通量密度，从而实现对未来聚变堆中面对等离子体部件的测试。另外，球形托卡马克物理对托卡马克有非常强的借鉴意义。比如阿尔芬类型的高能量粒子模更容易在低磁场的球形托卡马克中出现，而这正是ITER中燃烧等离子体中需要关注的问题。清华的SUNIST实验室正在电流的非感应启动和维持以及阿尔芬波与等离子体的相互作用上开展研究，这些工作受到国际上的极大关注，连续三届获得球形环国际会议的邀请报告。
“在聚变研究的路线图上，托卡马克以外的其它磁约束形式的研究也非常必要。从基础研究来说，这增加了我们对于高温等离子体物理的认识；从聚变探索来说，则为磁约束聚变提供了其他可能的途径；同时不同磁约束方式间相互参考，共同推进了磁约束聚变研究的发展”，高喆教授说，“这对于我们这样一个大国更应该是这样”。
人才的培养刻不容缓
“聚变是个长期的艰巨任务，因此人才培养非常重要”，高喆教授语重心长地说，“我国承担ITER10%的建造和运行费用，但目前能够派出的专业人员只占5%。高水平的人才储备是我国未来能否真正享有100%的ITER知识产权的关键，在这方面高校责无旁贷”。
近几年，清华大学逐渐建设起了较完备的聚变等离子体教学体系，尤其是通过对SUNIST实验平台的建设，将聚变实验纳入了本科专业实验体系中。高喆教授尤为高兴的两件事是：一、聚变已经成为清华大学工物系本科分流方向之一；二、近几年清华聚变学科的学生先后获得蔡诗东等离子体物理奖、校优秀博士论文等各种奖励，有十余名毕业生赴聚变研究院所工作，并已成为各自单位的青年骨干。
“即使最乐观的估计，从现在到真正利用聚变能还需要50年”，高喆教授说，“只有不断培养高水平的聚变和等离子体人才，才能真正使得我们在通往聚变能应用的道路上能后继有人。”
“路”是高喆教授在访谈中经常提到的一个词。在访谈最后，记者提到了这一点。高喆教授笑了，“这不是很贴切吗？路是靠人一步一步走出来的，聚变正是这样，必须扎实地在等离子体物理和聚变工程技术上不断积累。‘路漫漫其修远兮，吾将上下而求索’，正是聚变人应该有的信念。”我们相信，正是有了高喆教授这样的求索者，聚变的道路尽管曲折遥远，但终点一定有光明的太阳。
高喆，清华大学教授、博士生导师，1993年考入清华大学，2002年获博士学位后留校任教至今，期间曾多次赴美日欧担任访问学者或客座研究员。其一直从事聚变和等离子体物理研究，在等离子体湍流输运、射频波物理及球形托卡马克物理等领域开展了多项创新性研究。曾获全国百篇博士学位论文奖、蔡诗东等离子体物理奖、霍英东青年教师奖等，入选教育部新世纪人才、北京市科技新星和清华大学基础研究青年人才等支持计划。
聚变——几近完美的未来能源
“核聚变是几近完美的未来能源，因为它丰富、清洁、安全”，高喆教授这样开始介绍聚变能。
首先，地球上广泛存在的水和锂为聚变提供了丰富的燃料储备。其次，聚变不排放温室气体，也不产生高活化的放射性废物。聚变能还具有固定的安全性，这是因为燃料必须在充分的加热和约束下才能发生聚变反应，因此，聚变的燃料储存区和反应区是分开的，实际发生反应的燃料量非常少；同时，一旦约束被破坏，聚变反应条件迅速丧失，也就完全没有爆炸的危险。
“事实上，聚变的安全性和其实现的艰巨性是相互联系的，这也是经过六十多年的努力，聚变仍然被称为未来能源的原因”，高喆教授说道。探索聚变能是至今科学家们所遇到的最困难的挑战之一。目前，磁约束聚变的科学可行性已经得到充分验证，国际上正在合作建设以燃烧等离子体物理研究和聚变工程可行性验证为目标的国际热核实验堆ITER。预计下一代的惯性约束也会达到接近的水平。但将目前的科研和技术发展用于建设经济上可行的聚变电站，仍然有相当长的路要走。
“在认识到聚变道路还很漫长的同时，必须看到聚变研究取得的巨大成就。”高喆教授特别提到，欧洲开展的一项对比研究发现，无论是从等离子体参数还是从聚变功率来说，聚变研究进展都丝毫不逊色于计算机芯片技术的发展和粒子加速器的发展。“人们之所以容易忽视聚变研究的成绩，原因在于其缺乏中间阶段的应用”。高喆教授举了个例子，那就是在到达峰顶的山路上，没有岔路可以到达其他观景台，但是你不能因此否认最后登顶才能欣赏的美景。
聚变等离子体物理面临巨大挑战
“尽管聚变研究进入ITER时代，但仍然面临巨大挑战。除了工程和材料上聚变堆需求与现状的巨大差距外，我们对于高温等离子体物理的理解也还很不充分，因此对ITER中的燃烧等离子体行为缺乏可靠的预测。大体来说，几个关键方向的物理需要被特别关注，包含等离子体输运、磁流体不稳定性、射频波和高能量粒子物理、边界等离子体物理及等离子体壁相互作用。”
看着记者有点发懵，高喆教授给记者科普了一把。“输运关注的主要是粒子和热量从等离子体芯部向外部的损失。因为聚变需要保持高温高密度状态，因此人们希望这个输运损失比较小。但不幸的是，实验观测到的输运水平远远大于由于碰撞而导致的经典输运。这种反常大的输运基本被证实是微观不稳定性发展形成的湍流所导致。另外，湍流还会演化形成一些自组织结构，而这些结构反过来又会影响到输运。湍流输运非常复杂，人们为此进行了大量的工作，尤其是近年来在非线性湍流模拟上取得很大成绩。但同时我们也发现，即使在一些非常基本的问题上也仍然缺乏足够的认识。”记者了解到，高喆教授在这方面开展了一系列基础研究，他发现了一类新的微观不稳定性—短波长温度梯度模，为解释电子反常输运提供一种新的可能；发展了测地声模的本征模理论，预测了其频率、阻尼率、传播特征及等离子体形状的影响，被评价为“可与实验比较的新理论”，并为国际上一些湍流模拟程序提供了校验依据等。“我们的工作只是湍流输运研究中非常微小的一部分，”高喆教授谦虚地说，“但是我们希望这些工作能扎扎实实地为等离子体物理的发展做出一点贡献。”
波加热和电流驱动对于等离子体高参数稳态运行至关重要，因此需要对波物理进行深入的研究。“这些研究一定要严谨可靠，因为它直接和我们的探索方向相关。”高喆教授举了一个例子，一种被称作螺旋度注入非共振电流驱动的手段之前被长期广泛地认为能提高波的电流驱动效率，但实验中却很难发现该效应。高喆教授通过对有质动力的认真分析，指出波施加的平行非共振力会被非线性应力的变化精确抵消，从而从根本上否定了这种方法。这个结论被国际同行评价为“在非共振电流驱动问题上澄清了一些长期存在的混乱”。高喆教授总结道，“由此可见，等离子体物理还是一个非常需要深入研究的领域，还有大量的基础研究问题尚未解决，这也是聚变研究艰巨性的一部分”。
传统托卡马克之外的磁约束聚变研究非常必要
在高喆教授的实验室，我们还看到了一个被称作SUNIST的装置。据介绍，SUNIST是我国唯一一个球形托卡马克装置。球形托卡马克目前在国际上规模仅次于托卡马克和仿星器的一种磁约束方式。和传统托卡马克相比，球形托卡马克更紧凑、比压更高、磁流体稳定性也更好。不过，由于中心柱处空间受限，使得中心螺管的设计变得更困难，因此人们正努力采用非感应的方法启动和维持等离子体电流。由于球形托卡马克更加紧凑，因此可以在较低的聚变功率下获得较高的中子通量密度，从而实现对未来聚变堆中面对等离子体部件的测试。另外，球形托卡马克物理对托卡马克有非常强的借鉴意义。比如阿尔芬类型的高能量粒子模更容易在低磁场的球形托卡马克中出现，而这正是ITER中燃烧等离子体中需要关注的问题。清华的SUNIST实验室正在电流的非感应启动和维持以及阿尔芬波与等离子体的相互作用上开展研究，这些工作受到国际上的极大关注，连续三届获得球形环国际会议的邀请报告。
“在聚变研究的路线图上，托卡马克以外的其它磁约束形式的研究也非常必要。从基础研究来说，这增加了我们对于高温等离子体物理的认识；从聚变探索来说，则为磁约束聚变提供了其他可能的途径；同时不同磁约束方式间相互参考，共同推进了磁约束聚变研究的发展”，高喆教授说，“这对于我们这样一个大国更应该是这样”。
人才的培养刻不容缓
“聚变是个长期的艰巨任务，因此人才培养非常重要”，高喆教授语重心长地说，“我国承担ITER10%的建造和运行费用，但目前能够派出的专业人员只占5%。高水平的人才储备是我国未来能否真正享有100%的ITER知识产权的关键，在这方面高校责无旁贷”。
近几年，清华大学逐渐建设起了较完备的聚变等离子体教学体系，尤其是通过对SUNIST实验平台的建设，将聚变实验纳入了本科专业实验体系中。高喆教授尤为高兴的两件事是：一、聚变已经成为清华大学工物系本科分流方向之一；二、近几年清华聚变学科的学生先后获得蔡诗东等离子体物理奖、校优秀博士论文等各种奖励，有十余名毕业生赴聚变研究院所工作，并已成为各自单位的青年骨干。
“即使最乐观的估计，从现在到真正利用聚变能还需要50年”，高喆教授说，“只有不断培养高水平的聚变和等离子体人才，才能真正使得我们在通往聚变能应用的道路上能后继有人。”
“路”是高喆教授在访谈中经常提到的一个词。在访谈最后，记者提到了这一点。高喆教授笑了，“这不是很贴切吗？路是靠人一步一步走出来的，聚变正是这样，必须扎实地在等离子体物理和聚变工程技术上不断积累。‘路漫漫其修远兮，吾将上下而求索’，正是聚变人应该有的信念。”我们相信，正是有了高喆教授这样的求索者，聚变的道路尽管曲折遥远，但终点一定有光明的太阳。