目前科學界對冷核聚變的看法是什麼?這種現象有可能成立嗎?

哈維·穆德學院物理學助理教授彼得·N·賽塔回應道

八年前,當時都在猶他大學的馬丁·弗萊ischmann和斯坦利·龐斯兩位研究人員聲稱,他們在室溫下執行的簡單臺式裝置中實現了核聚變,這一宣告震驚了世界。然而,其他實驗者未能重複他們的工作,大多數科學界人士不再認為冷核聚變是一種真實現象。儘管如此,研究仍在繼續,一小部分但非常直言不諱的少數人仍然相信冷核聚變。

邁克爾·J·沙弗是美國一家主要核聚變研究實驗室(其僱主要求不透露身份)的高階科學家,他提供了這份歷史概述,以及對冷核聚變當前狀況的相當溫和的評估


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“由於冷核聚變仍然是一個未解決且有爭議的主題,會在科學家之間引發強烈的意見和激烈的辯論,因此我首先宣告我是一名研究核聚變能的主流等離子體物理學家。我也閱讀了許多關於冷核聚變的已發表論文。我參加了最近三屆國際冷核聚變會議,我自己也進行了兩組冷核聚變實驗,但都沒有明顯的超額功率釋放證據。總的來說,我認為自己是一個相當中立的觀察者。”

“為了理解這場爭議,瞭解一些關於核聚變的基本事實會有所幫助。核聚變是一種核反應,其中兩個較小的原子核結合(聚變)形成一個新的、更大的原子核。當這個大原子核不穩定時,它會迅速分裂並釋放能量。最大的困難在於,由於最初的原子核都帶正電,當它們相互接近時會受到強烈的排斥。因此,只有具有高動能的原子核才能足夠接近以發生聚變。高速原子核可以在地球上透過粒子加速器或極高的溫度(大約 5000 萬攝氏度或更高)產生。在受控的“磁約束”核聚變能量實驗中,例如託卡馬克等,磁約束等離子體透過電磁波或中性粒子束加熱。在“慣性約束”核聚變能量實驗中,微小的顆粒被強大的脈衝雷射或離子束壓縮和加熱。”

“冷核聚變聲稱,當氘溶解在固體(通常是鈀金屬)中時,可以在室溫或接近室溫的條件下從核聚變反應中釋放可測量的能量。這個想法起源於 20 世紀 20 年代的研究,即氫及其同位素可以在某些固體中溶解到如此高的濃度,以至於氫原子核之間的距離甚至比固態氫更近。此外,來自固體基質電子的負電荷部分抵消了原子核之間的排斥力。然而,早期的實驗並未檢測到任何核聚變的跡象。此外,現代理論計算表明,所提出的效應雖然真實存在,但太小,無法產生可檢測到的核聚變速率。”

“電化學家馬丁·弗萊ischmann和斯坦利·龐斯決定重新研究室溫核聚變。他們的技術是將電流透過電解槽,該電解槽由鈀 (Pd) 陰極、鉑 (Pt) 陽極和 LiOD(鋰、氧和氘或重氫的化合物)在重水(含有氘代替普通氫的水)中的電解質組成。陰極反應釋放出未結合的氘 (D) 原子,這些原子比氘分子更快地進入鈀。在適當的條件下,濃度可以達到每個鈀原子 0.9 個或更多氘原子,此時氘的損失與其注入速率相平衡。龐斯和弗萊ischmann 的電池是量熱儀(熱量測量裝置)的一部分,其溫度升高在少數情況下表明存在大約 10% 的超額功率,即離開電池的功率比用於執行它的電力多大約 10%。龐斯和弗萊ischmann 在 1989 年 3 月 23 日舉行的一次現已聞名的新聞釋出會上宣佈了他們的結果。他們還認為他們檢測到了中子穿過水時產生的伽馬輻射特徵,但這些結果後來不得不撤回。”

“立即掀起了一股重現龐斯和弗萊ischmann 實驗的熱潮。一些實驗者報告成功,許多其他人報告失敗。即使是那些報告成功的人也難以重現他們的結果。此外,沒有人看到預期的核聚變產物。三個已知的 D + D 反應是”

D + D --> H + T(兩個氘核產生一個氫核和氚,一種含有兩個中子的重氫同位素)或

D + D ---> n + 3He(產生一箇中子和氦 3,一種氦的輕同位素),或

D + D ---> 4He + γ(產生正常的氦 4 和伽馬射線)。

“前兩個反應的機率相等,如果產生一瓦特的核功率,中子和氚的產生將很容易測量。但它們無法被檢測到;如果它們存在,也只是處於極低的水平。第三個 D + D 反應通常比前兩個反應進行得慢得多。一些實驗最終確實報告了氦 4 的產生,儘管必須非常小心以避免空氣中通常存在的痕量氦汙染。這導致許多冷核聚變研究人員推測,第三個核聚變反應在鈀中以某種方式被催化。此外,有必要假設伽馬輻射被抑制,而伽馬輻射從未被觀察到。然而,沒有廣泛接受的理論可以解釋這種效應。因此,大多數科學界人士得出結論,‘龐斯和弗萊ischmann 效應’是實驗誤差。”

“即便如此,一些實驗室仍在繼續進行冷核聚變實驗。超額功率仍然很小且是零星的。然而,如果最近一些關於新工作的報告可以得到驗證,那麼多年的努力可能會有所回報。龐斯和弗萊ischmann 現在報告稱,在 30 天的執行中,持續產生了 100 瓦特(輸入功率的 150%)的超額功率。龐斯和弗萊ischmann 的技術需要大約 20 天的電解調節,之後允許電池加熱到沸騰以進行功率執行。據報道,在法國原子能委員會的支援下,並與龐斯協商,G. Lonchampt 領導的另一個獨立小組重複了這項技術。日本和義大利的其他小組也開始報告 30% 到 100% 範圍內的超額功率。如此規模的實驗結果遠遠超出了普通化學的範疇,並指向可能存在某種新效應。它可能根本不是“冷核聚變”。這種效應是一種新型的化學反應,還是核反應的新途徑,或者是一些更令人驚訝或更平凡的東西,只有在更多的研究之後才能知道。”

“人們已經嘗試了不同的技術來產生冷核聚變,包括放電、超聲波和陶瓷電解質中的氫。在這裡,我將僅重點介紹在普通輕水中使用鎳陰極在鹼金屬鹽溶液中進行電解。這些電池比使用重水和鈀的電池便宜得多。迄今為止,此類電池中最令人印象深刻的超額功率是美國 James Patterson 和他的公司 Clean Energy Technologies (CETI) 報告的。”

“關於核反應可能產生的產品,出現了一些誘人的新線索。日本北海道大學的水野忠彥小組分析了 Pd-重水電池在高溫度下長時間執行前後的成分。他們報告了低濃度的多種重元素,包括鈣、鈦、鉻、錳、鐵、鈷、銅和鋅。伊利諾伊大學的喬治·邁利在使用 Patterson 電池以及鎳或層狀鎳鈀陰極時,也報告了多種中重元素。其他一些小組也報告了類似但不太詳細的結果。從我們目前對低能核反應的理解來看,如此重原子核的產生是如此出乎意料,以至於需要非凡的實驗證據才能說服科學界。所有可用的分析技術都必須應用,並且結果必須重現。CETI 最近開始將 Patterson 電池借給獨立實驗室,以加速研究。”

“那麼,目前科學界對冷核聚變的看法是什麼?坦率地說,自 1989 年和 1990 年的幻滅以來,大多數科學家都沒有關注這個領域。他們通常仍然認為冷核聚變是實驗誤差,但他們中的大多數人並不知道最新報告的結果。即便如此,鑑於聲稱的冷核聚變結果的非凡性質,除非首先找到令人信服的理論解釋,否則需要極其高質量、決定性的資料才能說服大多數科學家。”

“目前,大多數冷核聚變研究都在日本進行。新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)是一個政府組織,贊助了札幌的新氫能源實驗室。IMRA 是豐田家族的一個基金會,它在札幌贊助了另一個裝置齊全的實驗室,以及龐斯和弗萊ischmann 在法國的設施。一些日本大學和企業也在進行冷核聚變研究。”

道格拉斯·R.O. 莫里森曾在歐洲核子研究中心 (CERN) 擔任物理學家 38 年,是冷核聚變研究的長期觀察員;他還參加了國際冷核聚變會議。以下是他的評估

“‘你是說它還沒死?’當我說我參加過冷核聚變會議時,人們的反應難以置信。幾乎所有科學家和大多數公眾不再相信弗萊ischmann 和龐斯在 1989 年聲稱他們透過使用電化學在低能量下將氘核融合在一起解決了世界能源問題。但真正的信徒仍在堅持。”

“第六屆國際冷核聚變會議 (ICCF-6) 於 1996 年 10 月在日本北部札幌附近舉行。它由通商產業省 (MITI) 的一個部門贊助,該部門在四年內為冷核聚變研究提供了約 3000 萬美元的資金;這項支援得到了約 20 家日本主要公司的資金和人員的匹配,並與十幾所日本大學合作。通商產業省在札幌附近啟動了新氫能源 (NHE) 實驗室,據參觀者估計,該實驗室擁有價值約 1000 萬美元的裝置。“本次會議因三個關於高質量日本實驗的報告而引人注目,這些報告與其他報告形成鮮明對比。通商產業省 NHE 實驗室描述了一系列旨在檢驗弗萊ischmann 和龐斯最初宣告的實驗。沒有發現超額熱量。”

“豐田成立了一個名為 IMRA 的新組織,該組織有兩個實驗室,一個在札幌附近,另一個在法國南部的尼斯附近;後者聘請了龐斯。第二個主要的實驗報告來自 IMRA-Japan 實驗室,研究人員在那裡建造了一個改進的量熱儀,該量熱儀與周圍環境沒有相互作用。嘗試了 26 個實驗,採用了各種旨在產生超額熱量的系統和技巧,但沒有觀察到超額熱量。此外,上限非常低,+/- 0.23 瓦特,或輸入功率的 2.3%——遠非“一瓦特輸入,四瓦特輸出”的呼聲以及 1989 年聲稱的數百個百分比的增長。”

“另一組結果來自 IMRA-Europe,由龐斯介紹。他說進行了七個實驗;它們產生的超額熱量分別為 250%、150%、“可變”和四個根本沒有產生超額熱量。在 1989 年宣佈之前進行的五年工作以及之後七年(當時龐斯和弗萊ischmann 資金充足)之後,這一結果可能被認為相當微薄。IMRA-Europe 使用了高溫(接近沸騰)電池,儘管已證明這種裝置會產生更大的不確定性。”

“通常需要極高的溫度才能獲得實際的核聚變速率,方法是克服帶正電原子核的排斥力。在低能量下(即在室溫下),這種勢壘使得核聚變反應發生的機率極低。真正的信徒聲稱,在鈀等金屬的晶格中,氘-氘聚變速率要高得多,因此所需要的只是用氘填充晶格。”

“日本東北大學的笠木治郎太及其同事進行的第三個謹慎的日本實驗旨在檢驗這一假設。將各種低能量的氘離子射入已飽和氘的金屬中;然後將測量的聚變速率與預期進行比較。由於庫侖勢壘(電排斥),速率在低能量下急劇下降,並且沒有觀察到能夠證明弗萊ischmann 和龐斯的主張合理的意外增強。”

“人們可能會認為這三個日本結果將是決定性的,但兩位總結髮言人,都靈的圖利奧·佈雷薩尼和 SRI 國際的邁克·麥克庫伯,持樂觀態度,並輕視或忽略了這些結果,而是談論了其他未在相同謹慎控制下進行的實驗。提到了一些引人注目的新主張。清潔能源技術公司 (CETI) 的詹姆斯·帕特森原定要談論他的主張,即塗有金屬(通常是鎳)的微小球體可以產生能量,但他沒有發言。相反,他的合作者,伊利諾伊大學的喬治·邁利和Fusion Technology雜誌的編輯,報告說,使用這些球體的實驗產生了鎳向許多其他元素的嬗變,甚至重達鉛;他沒有擔心產生鉛所需的額外中子的來源。”

“在 ICCF-6 上沒有說出的內容也很有趣。許多曾報告過轟動一時初步結果的人現在不再談論它或試圖擴充套件它。例如,在名古屋舉行的 ICCF-3 會議的第一天,日本電報電話公司 (NTT) 釋出新聞稿稱,他們的一位研究人員已經解決了冷核聚變問題,並獲得了可重複的結果。NTT 立即看到其股票價值上漲了 80 億美元——但在幾天之內,它們又回落到之前的水平。該實驗受到廣泛批評,但此後既未再次提及,也未正式撤回。”

“所有冷核聚變的真正信徒都同意一點:他們的結果是不可重複的。對於大多數科學家來說,這意味著冷核聚變的結果是不可信的,但真正的信徒認為,這種不可預測性使它們更有趣!”

“從 1992 年起,許多關於使用普通水代替重水進行冷核聚變的主張被提出。眾所周知,D-D(氘-氘)聚變比 H-H(氫-氫)聚變速率高得多,高出許多數量級。事實上,早期的冷核聚變主張指出,結果必須歸因於聚變,因為它們只發生在氘中,而從不發生在氫中,而氫確實被用作對照。此外,從 1992 年起,也提出了關於嬗變的主張。其中之一是古代鍊金術士聲稱將汞變成金;其他人則聲稱同位素發生了微小變化。邁利的主張更加令人震驚,因為他聲稱的嬗變使用了氫而不是氘。”

“如果這麼多年來有如此多的主張,有些人不可避免地會想,也許其中可能真的有某些東西。但是冷核聚變的主張是相互矛盾的;如果 H-H 聚變有效,那麼 D-D 聚變應該會導致裝置爆炸。此外,發現沒有效應的實驗比聲稱有效應的實驗更多,而這些陰性實驗往往進行得更仔細。一些主張可以被其他後續實驗駁斥:史蒂夫·瓊斯來自楊百翰大學——最初是弗萊ischmann 和龐斯的競爭對手,他對中子產生提出了略有不同的主張——現在是冷核聚變的強烈反對者,並且確實做了實驗表明,在弗萊ischmann 和龐斯的開放式電池中,氫氣和氧氣可以混合並重新結合,釋放出明顯的超額熱量。如果這種重新結合的可能性被阻止,就不會有超額熱量。”

“有了所有這些負面證據,弗萊ischmann、龐斯和其他人如何繼續下去?簡短的回答是,真正的信徒總能找到一些東西來鼓勵他們,並且他們可以忽略其餘的。冷核聚變比以前的病態科學例子(如聚合水)更持久,聚合水在主要支持者放棄後不久就結束了。在這裡,已經進行了組織良好的公共關係活動。”

“最初,在 1989 年,龐斯提出了一系列不斷升級的主張,包括展示他聲稱是一個工作電池“釋放出投入電池能量的 15 到 20 倍”。據稱它“可以為一杯茶提供沸水”。現在有幾個人出版雜誌,散佈主張,並試圖影響媒體人士,他們有時會在不核實的情況下展示他們的宣傳材料。這種技巧使火焰保持活力。還有一些編輯在同情性的期刊(如Fusion Technology)上發表冷核聚變主張。他們聲稱,在定於 6 月 1 日至 5 日在奧蘭多舉行的下一屆美國核學會會議上,將有一個冷核聚變會議,其中包括邁利和帕特森的專題小組討論。”

“在另一個非科學事件中,弗萊ischmann、龐斯和義大利研究人員圖利奧·佈雷薩尼、朱利亞諾·普雷帕拉塔和埃米利奧·德爾·朱迪切起訴了義大利報紙La Repubblica、其編輯和科學編輯喬瓦尼·瑪麗亞·佩斯,後者在 1991 年寫道,冷核聚變是“科學欺詐”。三名法官的裁決是,這是合理的評論,並且他們進一步將訴訟費判給報紙。他們還表示,一些原告已經脫離現實。”

“冷核聚變的未來是什麼?真正的信徒永不放棄,資金不斷湧入。起初,美國和一些俄羅斯的工作主要由電力研究所 (EPRI) 資助,該研究所花費了數百萬美元,但這種支援基本上已經停止。在 ICCF-6 之後,日本的資金似乎正在下降。但私人投資者仍然抱有希望——他們傾向於認為,如果投資回報價值數十億美元,那麼花費數百萬美元進行投資是值得的。然而,他們沒有意識到,可能的回報約為 10-40——這意味著即使投資一分錢來賺取可能的數十億美元也是一個糟糕的賭注。下一次冷核聚變會議 ICCF-7 將於 1998 年 4 月在溫哥華舉行,由私人贊助商贊助。我們都希望喝到一杯冷核聚變茶。”

普林斯頓等離子體物理實驗室的羅伯特·F·希特是“傳統核聚變常見問題解答”(網際網路新聞組 sci.physics.fusion)的作者,也是核聚變能源教育網站的網站管理員。他回應道

““冷核聚變”現象,即當電力和熱量應用於涉及氫同位素(水或氣態形式)和特定金屬(特別是鈀和鎳)的特殊系統時,能量守恆定律顯然被違反,這與傳統的科學解釋相悖。所有解釋“冷核聚變”效應的新理論都需要對現有的物理理論進行大幅修改(人們可能會稱之為“奇蹟”)。科學懷疑論要求,除非實驗證據證明相信這些奇蹟是合理的,否則我們必須得出結論,實驗誤差被誤解為積極結果。”

“人們通常會預期,大約一半的仔細的能量平衡測量會顯示超額能量,而大約一半會顯示能量不足,因為實驗誤差會將結果分散在預期結果周圍。大量顯示超額能量的結果可能表明有新的東西。但是,如果有人故意尋找超額能量,那麼他們可能能夠透過某種方式愚弄測量裝置來“最佳化”一個複雜的系統,從而產生大量的明顯超額能量。如果超額熱量很小,或者超額功率與總輸入功率的比率很低(正如冷核聚變報告中的情況一樣),那麼給定的超額熱量結果是代表物理“奇蹟”還是實驗誤差,則很難確定。”

“如果“冷核聚變”中確實發生了奇蹟,那麼它們就不是涉及氫同位素的核聚變反應。核聚變反應(其中原子核結合,從而釋放大量能量)不可避免的特徵是高能粒子(中子、正電子和離子)和伽馬射線的組合。由於能量和動量守恆以及狹義相對論定律,核聚變能量直接轉化為熱量是不可能的。如果聲稱的超額功率水平是核聚變反應的結果,那麼高能粒子及其次級效應應該很容易檢測到。但是,對這些核聚變特徵的測量要麼不存在,要麼不準確,要麼低幾個數量級。試圖將“冷核聚變”解釋為核聚變以外的東西,也需要類似的奇蹟,並有同樣微弱的證據支援。”

“實驗誤差的論點得到了關鍵結果的不可靠性和缺乏獨立重複性的支援。此外,參與“冷核聚變”研究的複雜系統和測量裝置的性質超出了大多數參與研究人員的專業知識範圍。”

““冷核聚變”類似於中世紀的鍊金術。就像 1000 年前尋求將鉛變成黃金一樣,現在尋求將氫轉化為能量的真理探索也遭受了痛苦。名譽和財富的誘惑以及相信好訊息的自然願望已經對科學懷疑論產生了腐敗的影響。因此,在主要專業知識領域之外工作的研究人員更可能將實驗誤差誤解為積極結果。對於一項革命性的新發現,如果它如此方便地具有如此巨大的和直接的經濟價值,人們很難不持懷疑態度。”

“我進入研究生院時,希望幫助解決我們迫在眉睫的能源危機,因此我以開放的心態仔細研究了“冷核聚變”,以便做出明智的職業選擇。我瞭解到,關鍵的積極結果尚未得到可靠和獨立的重複,許多仔細而徹底的研究得出了負面結論,儘管這些不令人興奮的結果通常未發表。可能無法證明“冷核聚變”僅僅是誤解實驗誤差的結果,但情況並非如此的可能性很低。”

“推翻“冷核聚變”的努力讓我想起了 O. J. 辛普森案——證據已經足夠明確,大多數人都有堅定的信念,但真正確鑿的證據仍然難以捉摸。但科學不是法律:當在實驗中對科學理論進行審判時,現有的理論被假定為有罪,因為它解釋了你的觀察結果,直到它被證明是無辜的,即表明只有新理論才能恰當地符合證據。對已建立的理論進行重大更改需要更強有力的證據。“冷核聚變”,如果屬實,則需要在我們對能量和物質的理解上進行根本性的改變,但即使經過八年花費數千萬美元的努力,證據仍然薄弱——儘管顯然在夏威夷、蒙特卡洛和其他地方舉行的冷核聚變會議相當奢華。我現在懷疑“冷核聚變”是否真的是解決世界能源需求的簡單鍊金術方案。”

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