從22屆國(guó)際凝聚態(tài)核科學(xué)會(huì)議看冷聚變的發(fā)展

柳東杰 田曉丹 劉洋 盧歆

長(zhǎng)春大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130012

1 背景介紹

1989年，科學(xué)家Fleischmann和Pons宣稱在電解陰極鈀時(shí)發(fā)現(xiàn)異常放熱現(xiàn)象，他們稱其為“冷聚變”現(xiàn)象[1]。自從冷聚變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了探索，并于1990年首次舉辦的國(guó)際冷聚變會(huì)議[2](后改稱為國(guó)際凝聚態(tài)核科學(xué)會(huì)議，簡(jiǎn)稱ICCF)進(jìn)行討論，該會(huì)議至今已成功召開23屆，且成為全世界研究凝聚態(tài)核物理的學(xué)術(shù)交流會(huì)。三十多年來與會(huì)者提出了多種實(shí)現(xiàn)冷聚變的方法與冷聚變理論模型，如“Hydrono Hydrogen(分?jǐn)?shù)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(chǎng)”理論[5]。在實(shí)驗(yàn)研究方向上，主要集中在以下幾個(gè)方面，充氫(氘)率和通氫(氘)率的探索、改變觸發(fā)手段，如利用溫度、壓力、激光、輝光放電等以及改變儲(chǔ)氫的基底材料種類。從這幾屆會(huì)議與會(huì)者提交的摘要內(nèi)容來看，大部分實(shí)驗(yàn)與理論文章的提交者都是在自己以往的研究中對(duì)實(shí)驗(yàn)以及理論做進(jìn)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(fā)展。

2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論的提出

在ICCF-22收錄了來自世界各地的學(xué)者提交的文章，公布了冷聚變現(xiàn)象的最新發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)方面，圍繞提升鈀(鎳)“充氫(氘)率”、觸發(fā)手段改進(jìn)，以及尋找合適的儲(chǔ)氫材料，同時(shí)還有使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)部反應(yīng)等。理論方面則有學(xué)者提出了量子理論中的離散呼吸子(Discrete Breathers)的束縛態(tài)削弱原子核之間的庫(kù)侖勢(shì)壘，以及冷核聚變新的反應(yīng)機(jī)制。然而研究并不局限于以上兩方面，在其他學(xué)者提交的文獻(xiàn)中涉及了重新定義實(shí)驗(yàn)中的核過程、改進(jìn)新的量熱方式以及對(duì)冷聚變實(shí)現(xiàn)后的技術(shù)應(yīng)用。

2.1 更高的充氫(氘)率

ICCF-22中來自日本的學(xué)者[6]在文章中展示了他們所用的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行焙燒，在焙燒過程中持續(xù)通入氘/氫氣。他們發(fā)現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生80～400W/kg的異常發(fā)熱，并持續(xù)了幾周，同時(shí)檢測(cè)到微弱的中子發(fā)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(cè)到了30～140W/kg的異常放熱，并在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了異常熱爆發(fā)現(xiàn)象(圖1)，從圖中可以看出緩慢上升的溫度出現(xiàn)了突然的波動(dòng)，并在之后的幾天共測(cè)到了40W的過剩功率。這位日本學(xué)者[6]在他的文章結(jié)論中提出，反應(yīng)室溫度要在300℃左右，內(nèi)部壓力在0.1～0.4MPa內(nèi)浮動(dòng)，這種實(shí)驗(yàn)方法會(huì)使異常放熱的重復(fù)性提高，且放熱的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，其實(shí)質(zhì)上是提升了吸氫材料的充氫(氘)率。

圖1 異常熱爆發(fā)現(xiàn)象

同樣ICCF-22中的日本學(xué)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(fù)合材料。把樣品放入反應(yīng)室焙燒，在達(dá)到250℃后通入氫氣，內(nèi)部氣壓達(dá)到230Pa后關(guān)閉閥門，保持反應(yīng)室密閉。通過反應(yīng)室壓力檢測(cè)表可以發(fā)現(xiàn)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(duì)反應(yīng)室抽真空，此時(shí)將樣品加熱至500～900℃，而此過程中產(chǎn)生了異常放熱，即納米復(fù)合材料的溫度大于此時(shí)加熱設(shè)備的溫度，經(jīng)測(cè)量最大釋放多余熱量達(dá)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(xué)者[6]提到自己做的實(shí)驗(yàn)，在鎳樣品上用電化學(xué)方法沉積一層鈀，把這個(gè)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(shí)驗(yàn)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(guó)的學(xué)者[6]與一位日本學(xué)者聯(lián)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(wǎng)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(lán)色線為輸入功率，紅色線為輸出功率)。ICCF-22中一位學(xué)者[6]在鈀箔上進(jìn)行鍍鎳制成樣品，將樣品放置于氘氣中24小時(shí)后稱重，根據(jù)重量差來計(jì)算充氘比例，隨后將樣品放置到真空室中，通過施加電流進(jìn)行激發(fā)，也觀測(cè)到了異常放熱現(xiàn)象。

圖2 鍍鈀鎳網(wǎng)異常放熱

2.2 觸發(fā)方式

ICCF-22中來自日本的一位學(xué)者[6]并沒有著眼于提升充氫(氘)率，而是對(duì)觸發(fā)方式進(jìn)行更深入的研究與改進(jìn)。他在文章中提出，“激活穩(wěn)定且可重復(fù)的核聚變反應(yīng)關(guān)鍵因素是觸發(fā)能量的強(qiáng)度和密度”。他采用D-Pd反應(yīng)系統(tǒng)，其中安裝了多種激光器作為觸發(fā)條件輻照鈀樣品。在實(shí)驗(yàn)中，他觀測(cè)到異常放熱現(xiàn)象，同時(shí)檢測(cè)到中子信號(hào)，并且觀察到有氣體突然從鈀中釋放。通過原位質(zhì)譜法，發(fā)現(xiàn)有氦-4產(chǎn)生，并推測(cè)產(chǎn)生氦-3。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)過程中可能存在某種反常的核相關(guān)反應(yīng)。

ICCF-22中有學(xué)者[6]則是使用了脈沖重復(fù)放電(Pulsed Repetitive Electric Discharge)PRD作為觸發(fā)方式，在自己的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了脈沖放電的實(shí)驗(yàn)。脈沖電源的脈沖重復(fù)頻率F<100KHz，脈沖時(shí)間/停頓時(shí)間之比Q=2÷10。工作狀態(tài)為脈沖重復(fù)放電模式和連續(xù)放電模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在脈沖重復(fù)頻率F<10Hz和Q=2÷4的條件下，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的最佳工作狀態(tài)，并測(cè)量到穩(wěn)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(xù)放電模式和脈沖放電模式下效率。結(jié)果表明，脈沖放電模式下的COP是連續(xù)放電模式下COP的2.5倍。因此，脈沖放電觸發(fā)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(shí)間，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)出現(xiàn)了無脈沖電流輸入，但卻有溫度上升的現(xiàn)象，這位學(xué)者[6]認(rèn)為這一放熱過程與氫離子與鎳原子相互作用有關(guān)。而純氮?dú)饬鲃?dòng)的附加實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，可以看出脈沖觸發(fā)也是產(chǎn)生異常放熱的一種方式。

2.3 改變實(shí)驗(yàn)材料

改變實(shí)驗(yàn)材料也是一種很好的思路，ICCF-22中來自印度學(xué)者的團(tuán)隊(duì)[6]進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，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(jié)果卻沒有那么盡人意，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到了一些有趣的現(xiàn)象(異常放熱)，但是再次重復(fù)時(shí)卻沒有觀察到相同的現(xiàn)象，因此他們?cè)跁?huì)議中呼吁應(yīng)該設(shè)計(jì)與之前實(shí)驗(yàn)不同的組合，即尋找不同的實(shí)驗(yàn)材料。

在ICCF-22中有學(xué)者[6]的實(shí)驗(yàn)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(jìn)分子氘與氫解離為原子態(tài)，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(xué)反應(yīng)放熱幾個(gè)數(shù)量級(jí)的“異常放熱”現(xiàn)象有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)康銅比鈀有更好的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用交流電場(chǎng)對(duì)已充氫的康銅進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)“異常放熱”現(xiàn)象次數(shù)增加，證明此種方法能有效提高異常放熱重復(fù)性。ICCF-22中有學(xué)者[6]使用了鋰合金作為吸氫(氘)材料。

2.4 新的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)制

多名學(xué)者提出了新的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)制，ICCF-22中有一位學(xué)者[6]提出了自己的觀點(diǎn)“聲子輔助核聚變模型”，其主要論點(diǎn)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(jì)算實(shí)驗(yàn)材料的晶體尺寸、反應(yīng)溫度和氫/氘所占比例以及聲子譜和反應(yīng)放熱時(shí)間融合閾值，通過模擬計(jì)算得到的結(jié)果再去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。ICCF-22中有學(xué)者[6]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)使用聲子激發(fā)靶材，觀察到14KeV伽馬射線的轉(zhuǎn)移，證明聲子是可以促進(jìn)原子核之間能量的轉(zhuǎn)移。ICCF-22中有學(xué)者[6]提出對(duì)核內(nèi)電磁能量和電磁力的研究能夠回答有關(guān)核行為的許多問題，通過將電磁原理納入核理論，能夠比當(dāng)前任何公認(rèn)的模型更好地預(yù)測(cè)結(jié)合能。

2.5 量熱法的改進(jìn)及對(duì)未來的應(yīng)用

新的量熱法使出的異常放熱測(cè)量值更加準(zhǔn)確，通過更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)異常放熱進(jìn)行測(cè)量。ICCF-22中有學(xué)者[6]提到相比常用的水冷式量熱法，氣流量熱法是一種測(cè)量冷聚變反應(yīng)器釋放的熱量較簡(jiǎn)單且精確的方法。該技術(shù)可應(yīng)用于大型裝置，非常適合測(cè)量冷聚變裝置表面溫度高的情況，且比傳統(tǒng)的使用水冷元件的量熱計(jì)便宜。量熱計(jì)的設(shè)計(jì)是為了確保被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的所有熱量都轉(zhuǎn)移到已知的空氣質(zhì)量流量。根據(jù)熱力學(xué)的第一原理，量熱計(jì)通過入口和出口之間的氣流溫度對(duì)比可以計(jì)算輸出熱量。此方法需要注意通入空氣的流速要有精確數(shù)值，并在校準(zhǔn)過程中使用一些預(yù)防措施將誤差減到最少。而在ICCF-22中一位學(xué)者[6]的文章中說到量熱需要注意熱力分層現(xiàn)象，否則會(huì)造成誤差。

對(duì)“冷聚變”現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)后的應(yīng)用，ICCF-22中的一位學(xué)者[6]在會(huì)上提交的另一篇摘要對(duì)冷聚變的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)想，在實(shí)現(xiàn)技術(shù)后，化石燃料在一次能源中的應(yīng)用占比將會(huì)下降至35%，僅限于應(yīng)用在需要高溫燃燒的產(chǎn)業(yè)中，而冷聚變能源可根據(jù)溫度劃分應(yīng)用于不同的行業(yè)，100℃可應(yīng)用于區(qū)域供暖，200℃則應(yīng)用于鍋爐、由蒸汽驅(qū)動(dòng)的機(jī)器、造紙廠與食品加工廠等地，350℃可用于汽輪機(jī)和發(fā)電廠。根據(jù)他的計(jì)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(dāng)然已經(jīng)有學(xué)者開始付諸實(shí)踐設(shè)計(jì)相關(guān)專利，此處不再贅述。

3 對(duì)冷聚變理論的探究

從研究充氫(氘)率的幾位學(xué)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(jié)構(gòu)，從而提高了充氫(氘)后的氫(氘)與吸氫(氘)材料的原子數(shù)之比即充氫(氘)率。并且他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用了不同的觸發(fā)方式，如焙燒過程中，實(shí)質(zhì)上也對(duì)充氫后的金屬進(jìn)行了溫度觸發(fā)，通過升溫對(duì)充氫材料釋放了能量。而充氫完畢后，迅速抽真空，在短時(shí)間內(nèi)造成的壓強(qiáng)差，這屬于通過壓強(qiáng)來進(jìn)行觸發(fā)。對(duì)材料施加電流進(jìn)行電流觸發(fā)的同時(shí)也會(huì)提高溫度，此時(shí)實(shí)際上是電流與溫度雙觸發(fā)。而本次會(huì)議中提出的激光觸發(fā)方式，也可以應(yīng)用在提升充氫(氘)率的實(shí)驗(yàn)中，或許會(huì)得到更高的重復(fù)次數(shù)。因此可以看出，提高充氫(氘)率的同時(shí)，觸發(fā)手段也是提高實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的重要方式。

對(duì)不同基底材料進(jìn)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(huì)議中也有學(xué)者提交文章進(jìn)行理論上的解釋，ICCF-22中一些學(xué)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(jī)制，該基于離散呼吸子引起的勢(shì)場(chǎng)的時(shí)間周期驅(qū)動(dòng)。在高溫時(shí)，鈀或鎳氫化物中形成的DBs可能會(huì)有效降低反應(yīng)勢(shì)壘，而在低溫時(shí)，在鈀或鎳氫化物中形成的離散呼吸子和鈀或鎳的團(tuán)簇的相子翻轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)振蕩能量增加，從而增強(qiáng)了原子間勢(shì)壘的隧穿。實(shí)質(zhì)上離散呼吸子的提出還是與量子力學(xué)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(gè)山坡，在經(jīng)典力學(xué)中，如果沒有足夠的動(dòng)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(xué)中小車會(huì)有一定的概率通過一個(gè)特殊的通道直接翻越這座小山。

原子核之間的庫(kù)侖勢(shì)壘十分強(qiáng)大，兩個(gè)原子核很難發(fā)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(xiàn)象中異常放熱現(xiàn)象，上文中提到的聲子會(huì)提供離子核間原本不存在的通道，根據(jù)聲子曳引效應(yīng)，即電子被聲子牽引著向前運(yùn)動(dòng)，則必然會(huì)導(dǎo)致電子往一邊集中得較多，結(jié)果產(chǎn)生出電動(dòng)勢(shì)，而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很有可能是開辟這條“通道”的始作俑者，從而使其穿越庫(kù)侖勢(shì)壘，使原子核之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生高于輸入功率的熱量。

結(jié)語

從本次會(huì)議來看，在充氫(氘)率、釋放能量與實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)都有了很大的提升，但是能完全重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方法我們還未找到。1989年以來，我們對(duì)“冷聚變”現(xiàn)象的探索已有三十多年，但對(duì)于這種現(xiàn)象是否是核聚變至今沒有一個(gè)定性的結(jié)論。對(duì)“冷聚變”現(xiàn)象的研究，筆者認(rèn)為不僅要追求異常放熱，還應(yīng)該對(duì)“核”過程進(jìn)行理解與探究。將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分解，利用數(shù)學(xué)建模進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通過計(jì)算機(jī)重組模擬，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)則可以用來驗(yàn)證。在理論方面冷核聚變應(yīng)該形成自己的理論體系與判別依據(jù)，但是它這種輸出熱能遠(yuǎn)大于其原材料化學(xué)反應(yīng)放熱的特性卻很有探索意義，更重要的是原料氫的儲(chǔ)量巨大、無污染，是一種清潔的新能源，可以解決現(xiàn)有能源的多種不足以及減緩“溫室效應(yīng)”，因此對(duì)于“冷聚變”現(xiàn)象我們?nèi)砸M(jìn)一步探索。