從22屆國際凝聚態核科學會議看冷聚變的發展

柳東杰 田曉丹 劉洋 盧歆

長春大學 吉林長春 130012

1 背景介紹

1989年，科學家Fleischmann和Pons宣稱在電解陰極鈀時發現異常放熱現象，他們稱其為“冷聚變”現象[1]。自從冷聚變現象被發現以來，國內外許多學者對其進行了探索，并于1990年首次舉辦的國際冷聚變會議[2](后改稱為國際凝聚態核科學會議，簡稱ICCF)進行討論，該會議至今已成功召開23屆，且成為全世界研究凝聚態核物理的學術交流會。三十多年來與會者提出了多種實現冷聚變的方法與冷聚變理論模型，如“Hydrono Hydrogen(分數氫)模型”[3]、李興中等提出的“選擇性共振隧穿”模型[4]、江興流等提出的“撓場”理論[5]。在實驗研究方向上，主要集中在以下幾個方面，充氫(氘)率和通氫(氘)率的探索、改變觸發手段，如利用溫度、壓力、激光、輝光放電等以及改變儲氫的基底材料種類。從這幾屆會議與會者提交的摘要內容來看，大部分實驗與理論文章的提交者都是在自己以往的研究中對實驗以及理論做進一步完善，鑒于此，筆者以2019年舉辦的ICCF-22為例，來談一下冷聚變近些年的發展。

2 相關實驗及理論的提出

在ICCF-22收錄了來自世界各地的學者提交的文章，公布了冷聚變現象的最新發現與實驗進展。在實驗方面，圍繞提升鈀(鎳)“充氫(氘)率”、觸發手段改進，以及尋找合適的儲氫材料，同時還有使用計算機進行模擬實驗內部反應等。理論方面則有學者提出了量子理論中的離散呼吸子(Discrete Breathers)的束縛態削弱原子核之間的庫侖勢壘，以及冷核聚變新的反應機制。然而研究并不局限于以上兩方面，在其他學者提交的文獻中涉及了重新定義實驗中的核過程、改進新的量熱方式以及對冷聚變實現后的技術應用。

2.1 更高的充氫(氘)率

ICCF-22中來自日本的學者[6]在文章中展示了他們所用的實驗方法，使用了二氧化鋯作為基底與鈀鎳(銅鎳)按照比例制成納米合金粉末進行焙燒，在焙燒過程中持續通入氘/氫氣。他們發現在焙燒溫度為300℃的情況下，鈀鎳與二氧化鋯形成的合金粉末通入氘氣會產生80～400W/kg的異常發熱，并持續了幾周，同時檢測到微弱的中子發射。銅鎳與二氧化鋯形成的合金粉末，在同樣的條件下通入氫氣，測到了30～140W/kg的異常放熱，并在實驗過程中發現了異常熱爆發現象(圖1)，從圖中可以看出緩慢上升的溫度出現了突然的波動，并在之后的幾天共測到了40W的過剩功率。這位日本學者[6]在他的文章結論中提出，反應室溫度要在300℃左右，內部壓力在0.1～0.4MPa內浮動，這種實驗方法會使異常放熱的重復性提高，且放熱的持續時間更長，其實質上是提升了吸氫材料的充氫(氘)率。

圖1 異常熱爆發現象

同樣ICCF-22中的日本學者[6]使用氬離子束濺射法在鎳基上制備了多層薄膜，來作為納米復合材料。把樣品放入反應室焙燒，在達到250℃后通入氫氣，內部氣壓達到230Pa后關閉閥門，保持反應室密閉。通過反應室壓力檢測表可以發現氣體壓力逐漸下降，可以由此判斷樣品正在吸收氫氣，在5000s后對反應室抽真空，此時將樣品加熱至500～900℃，而此過程中產生了異常放熱，即納米復合材料的溫度大于此時加熱設備的溫度，經測量最大釋放多余熱量達到1.1MJ，平均每次吸收全部氫氣釋放能量為16keV/H。

ICCF-22中有意大利學者[6]提到自己做的實驗，在鎳樣品上用電化學方法沉積一層鈀，把這個樣品放在密封容器中，并在里面充滿氫氣，在溫度保持為25℃的情況下，密閉容器中的壓力從初始的950mbar降到了870mbar，實驗材料顯示了出人意料的吸氫能力，并且在無任何外界輸入的情況下，材料自身的溫度從室溫上升到了130℃。

ICCF-22中來自美國的學者[6]與一位日本學者聯合提供的論文中，也用到了相似的方法。他們使用鍍鈀的鎳網來獲得異常放熱，如圖2所示，輸入50W的功率，獲得了300W的輸出功率(藍色線為輸入功率，紅色線為輸出功率)。ICCF-22中一位學者[6]在鈀箔上進行鍍鎳制成樣品，將樣品放置于氘氣中24小時后稱重，根據重量差來計算充氘比例，隨后將樣品放置到真空室中，通過施加電流進行激發，也觀測到了異常放熱現象。

圖2 鍍鈀鎳網異常放熱

2.2 觸發方式

ICCF-22中來自日本的一位學者[6]并沒有著眼于提升充氫(氘)率，而是對觸發方式進行更深入的研究與改進。他在文章中提出，“激活穩定且可重復的核聚變反應關鍵因素是觸發能量的強度和密度”。他采用D-Pd反應系統，其中安裝了多種激光器作為觸發條件輻照鈀樣品。在實驗中，他觀測到異常放熱現象，同時檢測到中子信號，并且觀察到有氣體突然從鈀中釋放。通過原位質譜法，發現有氦-4產生，并推測產生氦-3。他們的實驗結果表明實驗過程中可能存在某種反常的核相關反應。

ICCF-22中有學者[6]則是使用了脈沖重復放電(Pulsed Repetitive Electric Discharge)PRD作為觸發方式，在自己的實驗裝置上進行了脈沖放電的實驗。脈沖電源的脈沖重復頻率F<100KHz，脈沖時間/停頓時間之比Q=2÷10。工作狀態為脈沖重復放電模式和連續放電模式，實驗結果表明，在脈沖重復頻率F<10Hz和Q=2÷4的條件下，實現了實驗裝置的最佳工作狀態，并測量到穩定的氣流溫度。可以通過功率效率值COP(COP=Qt/Ne其中Qt放電加熱的輸出氣流的熱功率，Ne是輸入等離子體中平均功率)估算持續放電模式和脈沖放電模式下效率。結果表明，脈沖放電模式下的COP是連續放電模式下COP的2.5倍。因此，脈沖放電觸發具有更高的能源效率。非常值得注意的是，在電流脈沖的間隔時間，實驗裝置內出現了無脈沖電流輸入，但卻有溫度上升的現象，這位學者[6]認為這一放熱過程與氫離子與鎳原子相互作用有關。而純氮氣流動的附加實驗中未發現這種現象，可以看出脈沖觸發也是產生異常放熱的一種方式。

2.3 改變實驗材料

改變實驗材料也是一種很好的思路，ICCF-22中來自印度學者的團隊[6]進行了多次實驗，主要有以下這幾種常用組合：Ni+TiH2、Ni+Pd+D2、Ni+Pd+LaH、Ni+Li+LaH+ZrO2、Ni+LaH+ZrO2、Ni+LaH+TiO2、Pd+D2+H2、Pd+D2、Ni+H2等。結果卻沒有那么盡人意，他們在實驗中觀察到了一些有趣的現象(異常放熱)，但是再次重復時卻沒有觀察到相同的現象，因此他們在會議中呼吁應該設計與之前實驗不同的組合，即尋找不同的實驗材料。

在ICCF-22中有學者[6]的實驗中使用了康銅(Cu55Ni44Mn1)作為吸氫(氘)材料，文中提出康銅這種合金能有效地促進分子氘與氫解離為原子態，且有較好的吸氫(氘)性，并推斷這種良好的吸氫(氘)性與超過正常化學反應放熱幾個數量級的“異常放熱”現象有關，在實驗中也發現康銅比鈀有更好的機械性能。實驗結果表明，使用交流電場對已充氫的康銅進行激發，發現“異常放熱”現象次數增加，證明此種方法能有效提高異常放熱重復性。ICCF-22中有學者[6]使用了鋰合金作為吸氫(氘)材料。

2.4 新的實驗反應機制

多名學者提出了新的實驗反應機制，ICCF-22中有一位學者[6]提出了自己的觀點“聲子輔助核聚變模型”，其主要論點是聲子在晶格中提供了等離子體相(Pd-D或Ni-H體系)核相互作用中不存在的額外通道。使用該模型可以計算實驗材料的晶體尺寸、反應溫度和氫/氘所占比例以及聲子譜和反應放熱時間融合閾值，通過模擬計算得到的結果再去進行實驗。ICCF-22中有學者[6]在實驗中發現使用聲子激發靶材，觀察到14KeV伽馬射線的轉移，證明聲子是可以促進原子核之間能量的轉移。ICCF-22中有學者[6]提出對核內電磁能量和電磁力的研究能夠回答有關核行為的許多問題，通過將電磁原理納入核理論，能夠比當前任何公認的模型更好地預測結合能。

2.5 量熱法的改進及對未來的應用

新的量熱法使出的異常放熱測量值更加準確，通過更加準確的數據異常放熱進行測量。ICCF-22中有學者[6]提到相比常用的水冷式量熱法，氣流量熱法是一種測量冷聚變反應器釋放的熱量較簡單且精確的方法。該技術可應用于大型裝置，非常適合測量冷聚變裝置表面溫度高的情況，且比傳統的使用水冷元件的量熱計便宜。量熱計的設計是為了確保被測設備產生的所有熱量都轉移到已知的空氣質量流量。根據熱力學的第一原理，量熱計通過入口和出口之間的氣流溫度對比可以計算輸出熱量。此方法需要注意通入空氣的流速要有精確數值，并在校準過程中使用一些預防措施將誤差減到最少。而在ICCF-22中一位學者[6]的文章中說到量熱需要注意熱力分層現象，否則會造成誤差。

對“冷聚變”現象實現后的應用，ICCF-22中的一位學者[6]在會上提交的另一篇摘要對冷聚變的應用進行了設想，在實現技術后，化石燃料在一次能源中的應用占比將會下降至35%，僅限于應用在需要高溫燃燒的產業中，而冷聚變能源可根據溫度劃分應用于不同的行業，100℃可應用于區域供暖，200℃則應用于鍋爐、由蒸汽驅動的機器、造紙廠與食品加工廠等地，350℃可用于汽輪機和發電廠。根據他的計算，人類一年所消耗的一次能源量可以通過電解900噸水來獲得。當然已經有學者開始付諸實踐設計相關專利，此處不再贅述。

3 對冷聚變理論的探究

從研究充氫(氘)率的幾位學者提交的文章來看，他們所使用的是鈀與鎳這種吸氫(氘)性良好的材料，并通過鍍膜等方式改造吸氫(氘)材料的結構，從而提高了充氫(氘)后的氫(氘)與吸氫(氘)材料的原子數之比即充氫(氘)率。并且他們在實驗中采用了不同的觸發方式，如焙燒過程中，實質上也對充氫后的金屬進行了溫度觸發，通過升溫對充氫材料釋放了能量。而充氫完畢后，迅速抽真空，在短時間內造成的壓強差，這屬于通過壓強來進行觸發。對材料施加電流進行電流觸發的同時也會提高溫度，此時實際上是電流與溫度雙觸發。而本次會議中提出的激光觸發方式，也可以應用在提升充氫(氘)率的實驗中，或許會得到更高的重復次數。因此可以看出，提高充氫(氘)率的同時，觸發手段也是提高實驗重復性的重要方式。

對不同基底材料進行鍍膜或者是將不同基底的納米粉末作為充氫(氘)材料，在本次會議中也有學者提交文章進行理論上的解釋，ICCF-22中一些學者[6]提交的文章中提到了離散呼吸子(discrete breathers)DBs，提出了一種新的固體催化機制，該基于離散呼吸子引起的勢場的時間周期驅動。在高溫時，鈀或鎳氫化物中形成的DBs可能會有效降低反應勢壘，而在低溫時，在鈀或鎳氫化物中形成的離散呼吸子和鈀或鎳的團簇的相子翻轉可能會導致零點振蕩能量增加，從而增強了原子間勢壘的隧穿。實質上離散呼吸子的提出還是與量子力學中的“量子隧穿”原理密不可分，可以用小車過山坡的例子來解釋量子隧穿，一輛小車要過一個山坡，在經典力學中，如果沒有足夠的動能，那么小車是無論如何都不能翻越這座山坡。但是在量子力學中小車會有一定的概率通過一個特殊的通道直接翻越這座小山。

原子核之間的庫侖勢壘十分強大，兩個原子核很難發生碰撞，而“離散呼吸子”與“量子隧穿”理論可以作為一種合理的解釋冷聚變現象中異常放熱現象，上文中提到的聲子會提供離子核間原本不存在的通道，根據聲子曳引效應，即電子被聲子牽引著向前運動，則必然會導致電子往一邊集中得較多，結果產生出電動勢，而產生的電動勢很有可能是開辟這條“通道”的始作俑者，從而使其穿越庫侖勢壘，使原子核之間發生碰撞，產生高于輸入功率的熱量。

結語

從本次會議來看，在充氫(氘)率、釋放能量與實驗重復次數都有了很大的提升，但是能完全重現的實驗方法我們還未找到。1989年以來，我們對“冷聚變”現象的探索已有三十多年，但對于這種現象是否是核聚變至今沒有一個定性的結論。對“冷聚變”現象的研究，筆者認為不僅要追求異常放熱，還應該對“核”過程進行理解與探究。將復雜的實驗過程進行分解，利用數學建模進行數學描述，通過計算機重組模擬，實驗的數據則可以用來驗證。在理論方面冷核聚變應該形成自己的理論體系與判別依據，但是它這種輸出熱能遠大于其原材料化學反應放熱的特性卻很有探索意義，更重要的是原料氫的儲量巨大、無污染，是一種清潔的新能源，可以解決現有能源的多種不足以及減緩“溫室效應”，因此對于“冷聚變”現象我們仍要進一步探索。