从22届国际凝聚态核科学会议看冷聚变的发展

柳东杰 田晓丹 刘洋 卢歆

长春大学 吉林长春 130012

1 背景介绍

1989年，科学家Fleischmann和Pons宣称在电解阴极钯时发现异常放热现象，他们称其为“冷聚变”现象[1]。自从冷聚变现象被发现以来，国内外许多学者对其进行了探索，并于1990年首次举办的国际冷聚变会议[2](后改称为国际凝聚态核科学会议，简称ICCF)进行讨论，该会议至今已成功召开23届，且成为全世界研究凝聚态核物理的学术交流会。三十多年来与会者提出了多种实现冷聚变的方法与冷聚变理论模型，如“Hydrono Hydrogen(分数氢)模型”[3]、李兴中等提出的“选择性共振隧穿”模型[4]、江兴流等提出的“挠场”理论[5]。在实验研究方向上，主要集中在以下几个方面，充氢(氘)率和通氢(氘)率的探索、改变触发手段，如利用温度、压力、激光、辉光放电等以及改变储氢的基底材料种类。从这几届会议与会者提交的摘要内容来看，大部分实验与理论文章的提交者都是在自己以往的研究中对实验以及理论做进一步完善，鉴于此，笔者以2019年举办的ICCF-22为例，来谈一下冷聚变近些年的发展。

2 相关实验及理论的提出

在ICCF-22收录了来自世界各地的学者提交的文章，公布了冷聚变现象的最新发现与实验进展。在实验方面，围绕提升钯(镍)“充氢(氘)率”、触发手段改进，以及寻找合适的储氢材料，同时还有使用计算机进行模拟实验内部反应等。理论方面则有学者提出了量子理论中的离散呼吸子(Discrete Breathers)的束缚态削弱原子核之间的库仑势垒，以及冷核聚变新的反应机制。然而研究并不局限于以上两方面，在其他学者提交的文献中涉及了重新定义实验中的核过程、改进新的量热方式以及对冷聚变实现后的技术应用。

2.1 更高的充氢(氘)率

ICCF-22中来自日本的学者[6]在文章中展示了他们所用的实验方法，使用了二氧化锆作为基底与钯镍(铜镍)按照比例制成纳米合金粉末进行焙烧，在焙烧过程中持续通入氘/氢气。他们发现在焙烧温度为300℃的情况下，钯镍与二氧化锆形成的合金粉末通入氘气会产生80～400W/kg的异常发热，并持续了几周，同时检测到微弱的中子发射。铜镍与二氧化锆形成的合金粉末，在同样的条件下通入氢气，测到了30～140W/kg的异常放热，并在实验过程中发现了异常热爆发现象(图1)，从图中可以看出缓慢上升的温度出现了突然的波动，并在之后的几天共测到了40W的过剩功率。这位日本学者[6]在他的文章结论中提出，反应室温度要在300℃左右，内部压力在0.1～0.4MPa内浮动，这种实验方法会使异常放热的重复性提高，且放热的持续时间更长，其实质上是提升了吸氢材料的充氢(氘)率。

图1 异常热爆发现象

同样ICCF-22中的日本学者[6]使用氩离子束溅射法在镍基上制备了多层薄膜，来作为纳米复合材料。把样品放入反应室焙烧，在达到250℃后通入氢气，内部气压达到230Pa后关闭阀门，保持反应室密闭。通过反应室压力检测表可以发现气体压力逐渐下降，可以由此判断样品正在吸收氢气，在5000s后对反应室抽真空，此时将样品加热至500～900℃，而此过程中产生了异常放热，即纳米复合材料的温度大于此时加热设备的温度，经测量最大释放多余热量达到1.1MJ，平均每次吸收全部氢气释放能量为16keV/H。

ICCF-22中有意大利学者[6]提到自己做的实验，在镍样品上用电化学方法沉积一层钯，把这个样品放在密封容器中，并在里面充满氢气，在温度保持为25℃的情况下，密闭容器中的压力从初始的950mbar降到了870mbar，实验材料显示了出人意料的吸氢能力，并且在无任何外界输入的情况下，材料自身的温度从室温上升到了130℃。

ICCF-22中来自美国的学者[6]与一位日本学者联合提供的论文中，也用到了相似的方法。他们使用镀钯的镍网来获得异常放热，如图2所示，输入50W的功率，获得了300W的输出功率(蓝色线为输入功率，红色线为输出功率)。ICCF-22中一位学者[6]在钯箔上进行镀镍制成样品，将样品放置于氘气中24小时后称重，根据重量差来计算充氘比例，随后将样品放置到真空室中，通过施加电流进行激发，也观测到了异常放热现象。

图2 镀钯镍网异常放热

2.2 触发方式

ICCF-22中来自日本的一位学者[6]并没有着眼于提升充氢(氘)率，而是对触发方式进行更深入的研究与改进。他在文章中提出，“激活稳定且可重复的核聚变反应关键因素是触发能量的强度和密度”。他采用D-Pd反应系统，其中安装了多种激光器作为触发条件辐照钯样品。在实验中，他观测到异常放热现象，同时检测到中子信号，并且观察到有气体突然从钯中释放。通过原位质谱法，发现有氦-4产生，并推测产生氦-3。他们的实验结果表明实验过程中可能存在某种反常的核相关反应。

ICCF-22中有学者[6]则是使用了脉冲重复放电(Pulsed Repetitive Electric Discharge)PRD作为触发方式，在自己的实验装置上进行了脉冲放电的实验。脉冲电源的脉冲重复频率F<100KHz，脉冲时间/停顿时间之比Q=2÷10。工作状态为脉冲重复放电模式和连续放电模式，实验结果表明，在脉冲重复频率F<10Hz和Q=2÷4的条件下，实现了实验装置的最佳工作状态，并测量到稳定的气流温度。可以通过功率效率值COP(COP=Qt/Ne其中Qt放电加热的输出气流的热功率，Ne是输入等离子体中平均功率)估算持续放电模式和脉冲放电模式下效率。结果表明，脉冲放电模式下的COP是连续放电模式下COP的2.5倍。因此，脉冲放电触发具有更高的能源效率。非常值得注意的是，在电流脉冲的间隔时间，实验装置内出现了无脉冲电流输入，但却有温度上升的现象，这位学者[6]认为这一放热过程与氢离子与镍原子相互作用有关。而纯氮气流动的附加实验中未发现这种现象，可以看出脉冲触发也是产生异常放热的一种方式。

2.3 改变实验材料

改变实验材料也是一种很好的思路，ICCF-22中来自印度学者的团队[6]进行了多次实验，主要有以下这几种常用组合：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。结果却没有那么尽人意，他们在实验中观察到了一些有趣的现象(异常放热)，但是再次重复时却没有观察到相同的现象，因此他们在会议中呼吁应该设计与之前实验不同的组合，即寻找不同的实验材料。

在ICCF-22中有学者[6]的实验中使用了康铜(Cu55Ni44Mn1)作为吸氢(氘)材料，文中提出康铜这种合金能有效地促进分子氘与氢解离为原子态，且有较好的吸氢(氘)性，并推断这种良好的吸氢(氘)性与超过正常化学反应放热几个数量级的“异常放热”现象有关，在实验中也发现康铜比钯有更好的机械性能。实验结果表明，使用交流电场对已充氢的康铜进行激发，发现“异常放热”现象次数增加，证明此种方法能有效提高异常放热重复性。ICCF-22中有学者[6]使用了锂合金作为吸氢(氘)材料。

2.4 新的实验反应机制

多名学者提出了新的实验反应机制，ICCF-22中有一位学者[6]提出了自己的观点“声子辅助核聚变模型”，其主要论点是声子在晶格中提供了等离子体相(Pd-D或Ni-H体系)核相互作用中不存在的额外通道。使用该模型可以计算实验材料的晶体尺寸、反应温度和氢/氘所占比例以及声子谱和反应放热时间融合阈值，通过模拟计算得到的结果再去进行实验。ICCF-22中有学者[6]在实验中发现使用声子激发靶材，观察到14KeV伽马射线的转移，证明声子是可以促进原子核之间能量的转移。ICCF-22中有学者[6]提出对核内电磁能量和电磁力的研究能够回答有关核行为的许多问题，通过将电磁原理纳入核理论，能够比当前任何公认的模型更好地预测结合能。

2.5 量热法的改进及对未来的应用

新的量热法使出的异常放热测量值更加准确，通过更加准确的数据异常放热进行测量。ICCF-22中有学者[6]提到相比常用的水冷式量热法，气流量热法是一种测量冷聚变反应器释放的热量较简单且精确的方法。该技术可应用于大型装置，非常适合测量冷聚变装置表面温度高的情况，且比传统的使用水冷元件的量热计便宜。量热计的设计是为了确保被测设备产生的所有热量都转移到已知的空气质量流量。根据热力学的第一原理，量热计通过入口和出口之间的气流温度对比可以计算输出热量。此方法需要注意通入空气的流速要有精确数值，并在校准过程中使用一些预防措施将误差减到最少。而在ICCF-22中一位学者[6]的文章中说到量热需要注意热力分层现象，否则会造成误差。

对“冷聚变”现象实现后的应用，ICCF-22中的一位学者[6]在会上提交的另一篇摘要对冷聚变的应用进行了设想，在实现技术后，化石燃料在一次能源中的应用占比将会下降至35%，仅限于应用在需要高温燃烧的产业中，而冷聚变能源可根据温度划分应用于不同的行业，100℃可应用于区域供暖，200℃则应用于锅炉、由蒸汽驱动的机器、造纸厂与食品加工厂等地，350℃可用于汽轮机和发电厂。根据他的计算，人类一年所消耗的一次能源量可以通过电解900吨水来获得。当然已经有学者开始付诸实践设计相关专利，此处不再赘述。

3 对冷聚变理论的探究

从研究充氢(氘)率的几位学者提交的文章来看，他们所使用的是钯与镍这种吸氢(氘)性良好的材料，并通过镀膜等方式改造吸氢(氘)材料的结构，从而提高了充氢(氘)后的氢(氘)与吸氢(氘)材料的原子数之比即充氢(氘)率。并且他们在实验中采用了不同的触发方式，如焙烧过程中，实质上也对充氢后的金属进行了温度触发，通过升温对充氢材料释放了能量。而充氢完毕后，迅速抽真空，在短时间内造成的压强差，这属于通过压强来进行触发。对材料施加电流进行电流触发的同时也会提高温度，此时实际上是电流与温度双触发。而本次会议中提出的激光触发方式，也可以应用在提升充氢(氘)率的实验中，或许会得到更高的重复次数。因此可以看出，提高充氢(氘)率的同时，触发手段也是提高实验重复性的重要方式。

对不同基底材料进行镀膜或者是将不同基底的纳米粉末作为充氢(氘)材料，在本次会议中也有学者提交文章进行理论上的解释，ICCF-22中一些学者[6]提交的文章中提到了离散呼吸子(discrete breathers)DBs，提出了一种新的固体催化机制，该基于离散呼吸子引起的势场的时间周期驱动。在高温时，钯或镍氢化物中形成的DBs可能会有效降低反应势垒，而在低温时，在钯或镍氢化物中形成的离散呼吸子和钯或镍的团簇的相子翻转可能会导致零点振荡能量增加，从而增强了原子间势垒的隧穿。实质上离散呼吸子的提出还是与量子力学中的“量子隧穿”原理密不可分，可以用小车过山坡的例子来解释量子隧穿，一辆小车要过一个山坡，在经典力学中，如果没有足够的动能，那么小车是无论如何都不能翻越这座山坡。但是在量子力学中小车会有一定的概率通过一个特殊的通道直接翻越这座小山。

原子核之间的库仑势垒十分强大，两个原子核很难发生碰撞，而“离散呼吸子”与“量子隧穿”理论可以作为一种合理的解释冷聚变现象中异常放热现象，上文中提到的声子会提供离子核间原本不存在的通道，根据声子曳引效应，即电子被声子牵引着向前运动，则必然会导致电子往一边集中得较多，结果产生出电动势，而产生的电动势很有可能是开辟这条“通道”的始作俑者，从而使其穿越库仑势垒，使原子核之间发生碰撞，产生高于输入功率的热量。

结语

从本次会议来看，在充氢(氘)率、释放能量与实验重复次数都有了很大的提升，但是能完全重现的实验方法我们还未找到。1989年以来，我们对“冷聚变”现象的探索已有三十多年，但对于这种现象是否是核聚变至今没有一个定性的结论。对“冷聚变”现象的研究，笔者认为不仅要追求异常放热，还应该对“核”过程进行理解与探究。将复杂的实验过程进行分解，利用数学建模进行数学描述，通过计算机重组模拟，实验的数据则可以用来验证。在理论方面冷核聚变应该形成自己的理论体系与判别依据，但是它这种输出热能远大于其原材料化学反应放热的特性却很有探索意义，更重要的是原料氢的储量巨大、无污染，是一种清洁的新能源，可以解决现有能源的多种不足以及减缓“温室效应”，因此对于“冷聚变”现象我们仍要进一步探索。