冷聚变研究
2014-04-07 13:21:08   来源：   评论：0 点击：

1．冷聚变研究的热潮

　　早在1926年，两位德国化学家潘尼斯和彼得斯就提出过冷聚变的设想。他们使氢通过加热的钯粉或钯石棉，发现透过物中含有氦，于是认定发生了核聚变。次年，他们把这一结果发表在英国《自然》杂志上。他们的这个观点受到了卢瑟福的批评。后来，终因发现所检测到的氦是石棉或玻璃容器释放的，遂撤回了他们的观点。1927年，也曾有一位名叫唐伯格的人，申请一项瑞典专利。他声称，用普通水和电解装置，成功地产生了氦，并释放能量。但是，由于这个实验未能重复做出，专利未获批准。1947年，前苏联学者邦特马尔夫也提出了“冷聚变”思想，但一直未被实验证实。60年代，英籍捷克斯洛伐克裔的电化学家马丁·弗莱希曼（Fleischmann，Martin）声称，他在浓缩氘的过程，发现了一些奇异的反应。1975年，弗莱希曼的研究生庞斯（Pons，Stanley）在用电极分离同位素的研究中，也发现了类似的怪现象。1984年，这两位电化学家在美国盐湖城郊外的米克尔里克山谷散步时，萌生了“在室温条件下进行受控核聚变”的设想。也有人认为，弗莱希曼关于冷聚变的思想有可能来自潘尼斯，因为在50年代，弗莱希曼曾与潘尼斯同在英国的达拉姆大学化学系任教。就这样，弗莱希曼与庞斯自筹10万美元，在简单的装置上，开始了常温核聚变实验。

　　1989年3月21日，犹他州盐湖城犹他大学召开了新闻发布会，发布了弗莱希曼和庞斯的实验结果。公布中明确说明，在室温条件下，他们用简单的重水电解装置，在钯电极上实现了持续的核聚变。他们所使用的电解装置极为普通，电解液由99.5%的重水和0.5%的普通水加入少量的氘氢化锂制成。电解液装在长20.32cm的试管中，温度为27℃。重水中插入两根电极，阴极为钯极，阳极为铂极。通电流后，氘离子在钯极聚集、融合，并释放出核聚变的典型物质：氚、中子和γ射线，并有热量释放。所释放的热量比实验耗用的能量多出4倍，他们一致认为，这是一种“冷聚变”。

　　弗莱希曼和庞斯的这一发现，冲破了核聚变只能在上亿度的高温下进行的传统观念，使低成本的核聚变有了希望。同时，他们的发现又是以新闻发布会方式公布的，通过传媒炒起了强烈的轰动效应。新闻媒介把他们的发现，称为“试管中的太阳”，甚至认为，一旦进一步被证实，他们将是“有把握的诺贝尔奖得主”。很快，这一轰动效应所产生的热潮席卷到世界各地。几十个国家和地区的数百个实验小组，立即涌向冷聚变研究的行列。一些在物理前沿各个领域中分别独领风骚的著名研究机构、大学及公司，如美国著名的劳仑斯-利弗莫尔国家实验室、布鲁克海汶国家实验室、美国海军研究所、圣地亚哥国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、麻省理工学院、耶鲁大学、普林斯顿大学、德克萨斯A＆M大学、美国商用机器公司（IBM）、英国哈韦尔实验室、德国卡兴实验室等，纷纷跻入这场世界范围的冷聚变竞争之列。

　　由于对新能源的渴求，人人都知道冷聚变的实现意味着什么。政府、工商界对冷聚变的热情也不亚于科学部门。在新闻发布会召开后的次月，即1989年4月，犹他州政府就表示愿意拿出500万美金用于扩大实验。庞斯在美国化学年会上作报告的第二天，几位科学家便被召至白宫，向布什总统介绍有关冷聚变的情况。在这次应召后，美国能源部长要求该部的一些实验室在90天内弄清冷聚变的真相，并每周向能源部有关负责人报告实验结果，以密切关注冷聚变研究的动态。当时，还有许多公司表示，愿为犹他大学的冷聚变研究作风险投资。这一切都表明，人们充分认识到冷聚变研究的价值及重要性。1989年3月21日，即犹他州举行新闻发布会后不到一个月的时间，全世界范围的冷聚变研究进入了高潮。美国传统核电站的巨头与犹他州大学签订了首先取得了解实验结果的特权合同。前苏联莫斯科大学调集了一流的研究人员与仪器设备，准备全面铺开冷聚变的基础研究。意大利科研部强调把“冷聚变实验放在‘最优先地位’”。比利时科研国务秘书办公室专门召集有关专家会议，决定立即调集研究力量，投入这项研究。同年4月10日，美国德克萨斯A＆M大学的10人研究小组第一个宣布，他们成功地部分重复了庞斯与弗莱希曼的实验，输出的能量比输入高出20～80%。4月11日乔治亚理工学院宣布，他们在冷聚变实验中，测到的中子信号比本底高出13倍，还检测到了聚变产生物氚。4月12日，前苏联莫斯科大学固体物理实验室报导他们重复了庞斯和弗莱希曼的实验，测到了热与中子流。就这样，从4月份开始，几乎每天都可以收到来自世界各处的冷核聚变研究进展的报导。

　　值得说明的是，在这场冷聚变热潮之中，世界各地化学家们所显现出来的特殊关注与热情。1989年，即犹他大学新闻发布会当年的4月12日，第197届美国化学学会年会在达拉斯召开，会议专门安排了一个冷聚变小组会。庞斯和弗莱希曼第一次在学术会议上介绍他们的冷聚变实验，参加该小组会的人竟然达到7000多人。当会议主席向大家介绍庞斯和弗莱希曼时，受到了热烈的掌声，不仅流露出众多化学家对庞斯和弗莱希曼的信任与支持，也表现出他们对这项重大发明由化学家完成所持有的兴奋。大会主席克莱多·卡立斯的话代表了与会者的这种心情。他说：“物理学家在核聚变研究方面碰到了问题，现在似乎是化学家来拯救他们的时候了。”对这一席话，全场立即报以热烈的掌声。

　　事实上，就在冷聚变被世界各地科学家们炒得火爆时，反对者们的意见一直在持续着。4月12日，就在冷聚变研究高潮之中，在意大利埃里斯的“世界实验室”主持召开的首次国际冷聚变讨论会上，大多数学者们持有保留态度，他们对冷聚变实验提出了四个带有关键性的问题：①为什么实验中观测到的热效应与中子产率不相符；②所观察到的大量热能到底从何而来；③为什么实验中要使用重水而不是普通水；④到底是核反应还是化学反应。与此同时，世界上有数百个研究组与研究机构，特别是一些世界一流的研究机构，都未能重复出庞斯和弗莱希曼的实验。例如，美国布鲁克海汶国家实验室与耶鲁大学的联合小组、美国麻省理工学院、英国哈韦尔实验室等，他们分别宣布，在冷聚变实验中既没有观察到特殊的热效应，也没有观测到中子。4月25日，乔治亚理工学院首先声明，撤回他们以前关于测到中子结果的报导。他们指出，以前测到的“中子”，是由于仪器对温度敏感导致出错误的结果。4月27日，庞斯和弗莱希曼也撤回了他们投向英国《自然》杂志的关于冷聚变的文章。因为他们不能给出审阅者所要求的用普通水实验的对比数据。5月1日，在美国巴尔的摩召开美国物理学春季年会上，有1500名代表参加，除了少数几名代表发言支持庞斯和弗莱希曼的结果外，大多数物理学家都持否定态度。会后，有记者问到会的9位负责人，是否认为这次会议已对庞斯、弗莱希曼的实验结果宣判了死刑，其中8位表示举手赞成，剩下1位虽然没有举手，却不意味他支持这个实验结果，只是庞斯和弗莱希曼没有到会辩护，认为缺席裁判是不公正的。5月7日，在洛杉矶市召开157届美国电化学学会春季年会，使同行们感到遗憾的是，庞斯和弗莱希曼非但没能给出新的实验结果，反而承认他们在γ射线和中子测试方面有错误。舆论普遍认为，他们过去的冷核聚变的声明是错误的。劳仑斯-利弗莫尔国家实验室甚至提出希望庞斯和弗莱希曼高价出售他们的实验设备和重水介质，以尽快解开冷核聚变之谜，这一倡议竟得到1600多位与会者的热烈响应。5月23～25日，美国能源部和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合在美国新墨西哥的圣塔菲召开一个规模巨大的专题讨论冷聚变的国际会议。来自20多个国家和地区的450位科学家出席了会议，其中也有中国的代表。庞斯和弗莱希曼虽被邀请，却未出席该会。大会提交的讨论报告有100多篇。代表来自的科研领域很广，学术气氛也很浓。发言和讨论的情况表明，一小部分仍对庞斯和弗莱希曼的实验结果持肯定态度；大部分则认为，即使有冷聚变，由于反应速率很低，只能产生极少量的中子与热量，离实用相差甚远；还有一小部分认为不存在有冷聚变。事情发展到这一步，似乎怀疑者又占了上风。在短短的几个月的时间内，冷聚变研究从陡然出现的高潮到迅速降温，其间充满了戏剧性。希望与失望、肯定与否定、支持与怀疑起伏跌荡，一时间真假难辨，前景莫测。但是，有一点是肯定的，这就是人们对核聚变的态度，已经从最初的狂热走向了成熟，冷核聚变也像其它一些学术问题一样，被人们认真严肃地探讨着。

2．关于冷聚变的争论

　　庞斯和弗莱希曼冷聚变的实验结果与传统的物理观念有很大的不同，物理界，特别是核物理界对这一发现大多持怀疑态度。在意大利埃里斯“世界研究室”1989年4月12日召开的首届国际冷聚变讨论会上，学者们提到的几方面问题最具有代表性。几年来，冷核聚变的理论与实验研究也始终围绕着这些问题进行着。

　　①关于冷聚变的热效应

　　庞斯和弗莱希曼实验最引人注意的结果是，重水电解过程中所产生的大量的热。输出的热竟然比输入能量高出4倍，每立方厘米的钯能产生10瓦以上的功率，放热效应能持续120小时以上。他们认为，不能不把这些能量的释放归结为核聚变的结果。然而，任何一个对核物理稍微懂行一点的人，都会感到疑惑，为什么所观测到的中子数却与如此强的热效应不相符合呢？如果这个热效应确实是由氘-氘聚变反应引起，相应的中子产率应为1013/s，而在实验中却只观测到104/s。对这一问题，反对者们的意见很强烈，支持者们却给予了种种方式的解释。例如，麻省理工学院的彼得·里格尔斯坦，X射线激光的发明者，提出了一种解释，他认为，氘-氘聚变产物是激发态氦，它的能量被传送到钯晶格生热，只有少量的激发态氦-4分裂成氦-3和中子。庞斯在1989年4月17日又通过新闻发布会宣称，他们已经从电解池中测量到了大量的氦-4，其产率为1012/s，与观测到的热相匹配。然而，加州理工学院的路易斯却认为，这一含量与空气中含量相似。因为实验中用氦作冷却剂，周围空气中的氦未除净，所以庞斯测到的氦-4是来自环境空气。

　　②关于与普通水对比实验的争论

　　在意大利埃里斯召开的首届冷聚变讨论会中，不少科学家提出，为什么庞斯和弗莱希曼的实验只用重水不用普通纯水。庞斯投向英国《自然》杂志的文章也因为没有给出普通水对比的实验数据而被退回。庞斯后来用普通水做了对比实验，只产生很少的热。同样，德克萨斯A＆M大学研究小组以及斯坦福大学的哈里斯等人也都证明，他们在普通水的实验中，只观察到极少，甚至没有热效应，对这一现象仍不能做出很好的解释。③关于γ射线的测量聚变反应的证据除了强热效应就是中子产物，而产生中子的证明又与γ射线直接相关。庞斯与弗莱希曼指出，他们在2.22MeV附近，测量到了γ射线的能谱峰值，认为这是氘-氘聚变产生的2.45MeV的中子与溶液中质子的聚变反应生成的，从而证明了反应物中子的存在。然而，一些研究小组对此提出质疑，例如，麻省理工学院研究小组指出：①庞斯和弗莱希曼所观测到的γ峰宽度仅只是仪器分辨率的一半，这是不可能被测到的；②中子与质子反应所产生的γ射线，应该在1.99MeV附近，有一个康普顿边峰；③在由γ射线的强度计算中子产率上也有错误，计算值比应有值大了50倍；④根据电视录下的γ射线谱图估计，γ射线峰应在2.25MeV位置上，而不是2.22MeV上。根据上述理由，他们认为，庞斯和弗莱希曼实验中所谓γ射线很可能是一个假信号。多伦多大学研究小组则认为，庞斯和弗莱希曼实验中的γ射线是氡衰变产物铋释放出来的。因为氡一般在地下室存在，庞斯和弗莱希曼的实验正是在地下室进行的，犹他州又有较多的铀矿，氡在地下环境中含量较大。

　　④关于中子的测量

　　庞斯和弗莱希曼宣称，他们是用三氟化硼中子测试仪测量冷聚变中子的，中子产率为4×104/s。然而大多数研究组却指出，他们所做的实验却没有测到或测到极少的中子。例如，布鲁克海汶国家实验室和耶鲁大学联合研究组在7天内只测到2个中子。一些小组还指出，三氟化硼测试仪对温度很敏感，重水电解时，又使周围的温度、湿度发生变化，因此，不适宜用它对冷聚变中子进行测试。1989年5月7日在洛杉矶召开的第157届美国电化学学会春节年会上，庞斯和弗莱希曼也承认他们在测试γ射线和中子产率上有错误，原因是测试仪上出了问题。

3．关于μ子催化冷聚变研究

　　还有一种冷聚变设想，认为μ子催化可引起常温下核聚变发生。

　　早在1948年，中国物理学者张文裕利用多层薄膜的云雾室研究宇宙射线与物质相互作用时发现，在μ-粒子低速穿透物质时，受到原子核的正电吸引，被俘获后，代替电子绕核旋转，形成μ子原子。正是他们的这一发现，导致了关于μ子催化冷聚变的设想。一些著名物理学家，例如英国的夫兰克（F.C.Frank）和前苏联的萨哈罗夫
（Sakharor，Andrey Dmitriyevich 1921～）曾预言，在生成μ子原子时，μ-还可能催化引起核聚变反应，而无需用高温等离子体。他们认为，把μ子注入氘气，所形成的μ子氘原子在与氘核接近时，由于前者电中性，不受核库仑斥力，因而可能进一步形成“μ子分子态离子”。在通常的氘气中，两个氘核平均距离为0.74，发生氘-氘家聚变反应的速率极小，但是在“μ子分子态离子”中，由于μ子质量是电子的212倍，两个氘核结合要紧密得多，平均距离将相应减小为原来的二百分之一，这就使聚变反应速率提高了80个数量级，因而有可能实现冷聚变，这就是μ-子催化核聚变的思想。

　　在实验上，首次发现μ-子催化核聚变现象的是加州大学伯克利实验室的阿尔瓦雷茨（Alvarez，Luis Walter 1911～）。1937年，阿尔瓦雷茨从芝加哥大学获得博士学位。二战期间从事原子弹与雷达方面的工作。在加州大学伯克利实验室工作期间，曾利用格拉泽（Glaser，Donald Arthur 1926～）在1952年研制成功的气泡室（格拉泽因此项发明获得1960年诺贝尔物理学奖）测定出大量寿命极短的共振粒子。为解释这些共振粒子的存在，导致美国物理学家盖耳曼（Gell-Mann，Murray 1929～）和以色列物理学家尼曼（Ne′eman，Yuval）几乎同时独立地提出关于重子分类的理论。由于在粒子物理方面所做出的决定性的贡献，以及在发展气泡室和数据分析技术的应用中所发现的大量的共振态，阿尔瓦雷茨获得1968年诺贝尔物理学奖。盖耳曼也因对基本粒子相互作用及分类方面的贡献而获得1969年诺贝尔物理学奖。1957年，阿尔瓦雷茨研究组在伯克利实验室利用液氢气泡室，研究了K介子相互作用。当时K介子束流的质量较差，混有大量的μ子，然而，正是这些不受欢迎的μ子，导致了惊人的发现。在实验中，π-介子衰变为π-→μ-+，反应中释放的μ子应该具有4.1MeV的能量。令人惊异的是，阿尔瓦雷茨观察到所释放的μ子出奇地具有相同的能量，即都是5.4MeV。这实际上是μ-子诱发质子-氘的聚变反应。当μ-在液氢中慢化至能量只有几个电子伏时，先形成μ-氢原子，μ-+H→（P?）+e，由于液氢中含有氘分子，随后μ-转移到氘上，形成μ-氘原子（p?）+d→（d?）+p0（d?）与氢原子相碰，形成（pd?）分子，μ子比电子重约200倍，使μ-束缚的分子（pd?）尺寸很小，两个核非常接近，容易发生核聚变反应，（pd?）→3He +μ-+5.4MeV，所释放出来的μ-重新再引起新的一轮核聚变反应。由于μ-起到了像化学反应中催化剂那样的催化作用，称这类核聚变为μ子催化核聚变。μ子催化核聚变的发现，曾一度燃起人们的希望，但美国普林斯顿大学杰克孙研究的结果却给人们泼了一盆冷水。1957年，杰克孙作出估算，μ子的寿命为2.2×10-6s，它一生中只能催化100次核聚变，获得的总能量输出最多只有2GeV，但是若用加速器束流来输入能量，每产生一个μ-子，得需要10GeV的能量。这表明，输入要大于输出。如果再计入核聚变释放的核能转换电能使用的其它能量损失，输出的有效能量就会更小，显然用μ子催化核聚变方式，解决人类能源匮乏的问题还有许多问题有待解决。

　　70年代末，又有一个新的理论预言，在氘-氚混合体中，有可能完成快速的μ子催化核聚变。1982年，美国洛斯阿拉莫斯介子物理实验室在氘-氚混合体中观察到了每个μ子催化的聚变反应平均达150个，聚变产额甚至超过了理论预期值。尽管机制还不很清楚，这个结果却又重新激起人们对μ子催化核聚变的希望。目前，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、英国卢瑟福-阿普尔顿实验室、加拿大三所大学的介子实验室及日本的高能物理实验室正进行此项研究。μ子的半衰期太短，尽管由它催化的核聚变反应离实用还太远，μ子催化实验却给人们以有益的启示，即启发人们寻找寿命更长、带负电且质量较大的准粒子，以进行大规模的催化聚变反应，这一课题已成为当前受控核聚变研究的热点之一。