無盡能源之路上的曲：那些失敗或者無前景的受控核聚變

受控核聚變被認為是解決人類未來能源問題的最有效途徑——長遠來看，或許是唯一擁有有較遠前景的途徑。世界上一些強國都有相應的研究，更有類似ITER這樣雄心勃勃的國際合作計劃。

經歷了幾十年的理論研究與實驗、實踐，人類明白，在人類文明的這個階段，要想實現受控核聚變的商業能源，只有托卡馬克為代表的磁約束和高能激光慣性約束兩條路可以走。

本人在這裡不準備討論這兩條道路的理論和實踐問題，只是要介紹一些不能用作能源的聚變手段或者裝置，和一些被認為異想天開乾脆不能實現聚變（這些東西都曾經引起學界甚至輿論的廣泛關注）的途徑。

靜電聚變器

事實上，我不知道該怎麼準確命名它們好，姑且就用這個名字。這是一類利用電場實現聚變的裝置。

此類聚變裝置首先要構建一個不錯的真空環境，在其中設置可以耐受極高電壓的電極。再將氘注入其中，部分碰到正電極的氘原子會被電離，剝離了電子的原子核則會在高壓電場的作用下快速運動，當偶爾碰上其它的原子核的時候就可能會發生聚變。

這類裝置依據電極的設計不同可以有不同的形態。比如一個效率稍微高一些的裝置可以這樣：正極做成球面，裡面是更小的負電極球面。負電極球面要有能讓氘原子核通過的孔洞。如此被電離並被加速的氘原子核都會向整個裝置的球心前進，彼此間就可能會相撞甚至發生聚變反應。

這類裝置曾經有很多人實現過，其中很多是美國的中學生。一個比較近的例子是2006年17歲的Thiago OLson製造了一個聚變裝置，該裝置每秒能產生20萬個中子。

這類裝置可以實現聚變，但通過其獲得的能量永遠也達不到向其輸入的能量，因為能參與聚變的氘只佔被電離加速的氘的極小部分。這類裝置中有些或者可以做成一個有商業價值的中子源，但要依靠它們獲得我們夢想中的無盡能源是沒有任何可能的。

紅外激光聚變

在激光慣性約束聚變裝置中，人類都盡量使用波長較短的激光。因為波長較長的激光更容易加熱電子，而受控核聚變更需要的是大量高溫快速運動的原子核。

但是，有人反其道而行之也實現了核聚變。

物理學家迪特邁耶（Tod Ditmire）向一個真空室中注入幾滴氘，然後用一個廉價的紅外激光器照射它們。激光加熱了電子，氘液滴瞬間被蒸發掉，氘原子被四散拋射（其中部分氘原子已經被電離），在這個小規模爆炸造成的四散拋射中可能會有氘原子核相互碰撞而發生聚變。

每次激光發射，迪特邁耶都可以獲得大於1200個中子。而他使用的紅外激光器發射的能量只有幾個瓦特，這堪稱是一個很容易實現的聚變。但此種聚變產生的能量不足其注入能量的千萬分之一。

μ子催化聚變

μ子是一種亞原子粒子，其特性與電子十分類似，但其質量是電子的200多倍。μ子可以像電子一樣被質子俘獲，形成μ子氫原子。μ子氫原子比正常的電子氫原子更重、更小。當兩個μ子氫原子相撞的時候，這兩個原子核就會比通常情況下靠近得多，就有更大的可能撞擊並且聚合。

μ子催化核聚變是一種常溫下即可進行的核聚變。實際上，人類最初於1956年在氣泡室里發現這種反應現象時，氣泡室裡面的溫度是接近絕對零度的。此種反應若能從工業上實現必然會成為人類未來能源的福音。特別是，如果人類能夠有辦法用μ子來替換氫中的電子，並獲得滿滿一罐子穩定的μ子氫原子的話。要知道，μ子氫原子半徑只有電子氫原子的約1/200，其液態或者固態的密度應該可以有普通氫的8百萬倍！每升應該有5、6百噸重！

但問題是，μ子很難獲得。目前條件下人們需要建設粒子加速器，消耗大量能量來獲得μ子，而且這種生產的效率很低。即使我們找到一種生產μ子的有效方法，此種粒子的壽命也只有幾微秒。如果科學家把一束μ子射入一片氫雲中，恰好能引發聚合反應，但μ子有可能會被俘獲在新的氦原子中，在衰變前就再無用處了。即便生產效率再高，生產μ子需要的能量也無法通過這一次的聚變填補虧空。但如果μ子能擺脫原子的束縛，在衰變前能誘發幾百次的聚合，那就完全可以實現正的能量輸出。

可是，無論從理論計算上還是實際試驗中，人們得到的是μ子最多只能實現幾十次的聚變催化。這距離實現盈虧平衡是有很大距離的。μ子催化聚變反應，至少作為能源途徑，是不值得繼續搞下去的。

「冷聚變」

剛剛介紹過的μ子催化聚變實際上就是一種冷聚變，但這裡我要介紹的是一種曾經在世界範圍內引起廣泛關注的冷聚變。一提起「冷聚變」或者「常溫核聚變」很多人都會直接想起這次事件。由於此事曾在世界上引起了很大的反響，被認為是20世紀最大的科學醜聞。

事情的發生是在1989年，那時候我正在讀初三。兩位在鹽湖城猶他大學的化學家弗萊施曼和龐斯宣布，他們成功的在室溫條件下產生了一次持續的聚變反應。這個突破意味著有朝一日世界會依賴核聚變獲得清潔的、幾乎是取之不盡的能源。

兩人設計的裝置是一個具有鈀電極的瓶子。鈀是一種貴金屬，元素序數在銀之前——如同鉑在金之前。鈀有一種很獨特的性質——能夠大量的吸收氫原子，微小的氫原子會附著在鈀原子周圍。現在搞氫動力的人有在研究如何更好的利用鈀來存儲氫的。

被吸附在鈀原子之間狹小空間裡面的氫應該很擁擠，可能會以很大的力彼此衝撞……如果把氫換成氘……。基於這樣的想法弗萊施曼和龐斯開始試驗。按照他們自己對記者說的話，開始時他們覺得這種實驗有些愚蠢，所以沒申請經費，而是自費來做這個實驗。

1984年的時候（他們自己是這樣說的），他們把一塊鈀置於重水中，並在水中加入還有鋰和氘的鹽。用一根鉑導線把鈀和一個電池連接起來，期待著能有聚合發生。這個實驗開始時什麼都沒有發生，但有一天夜裡，鈀塊突然變熱，儀器被炸開。第二天他們回來時，實驗室里被弄得亂七八糟。用儀器檢測，發現實驗室輻射是自然本底的3倍。

龐斯是猶他大學的化學系主任，弗萊施曼是英國人，是具有英國皇家學會會員頭銜的科學家。兩人都曾經做出過傑出的學術工作和貢獻，都有著良好的學術聲譽。所以，他們發表自己研究成果的時候，受到的物理學界的足夠重視。但兩人很多話都是直接對媒體說的而不是對學術界說的。

我看的資料對整個故事沒有太過詳細的描述，但類似這樣的實驗應該是沒有重現過。至少，其他人的驗證實驗從來沒有測出過足夠量的中子的——他們只測出了符合自然本底的中子輻射量。就是說兩人的實驗從來沒有實現過聚變，至少沒有人能夠重現這個實驗（應該也包括他們自己以後的實驗）。當然，無論如何，實驗中有比預期要多的熱量釋放出來，但肯定不是核聚變提供的。我看的資料也沒有釋這種熱是通過何種反應來的，不知道是否鈀中積累了足夠多的氫然後又什麼反應，但整個過程的輸入能量應該大於獲得的能量，雖然某些時間段內是有正能量輸出的。

整個故事的過程到底如何，我看的資料的作者都表示『至今沒能完全弄清楚』。但應該不止是純粹的學術問題，涉及到很多方面的利益，當然，源頭還是學術問題。

由於冷聚變需要的反應條件很容易獲得，其前景讓人們極其神往。第一個研究出此種技術的人必然會成為人類文明的救星，以其專利獲得巨大的聲望、財富和權力。相較來說，蓋茨和喬布斯謀得的名利都要差得遠。而即便是同時獨立研究，第二位提交結果的團體或個人也將僅僅獲得一個註腳的地位。很可能就如同那個晚了一天提交電話專利，雖然其發明性能更優異，但此後和貝爾天差地別的那個人。

不知道是否兩位化學家由於自己的錢緊張，需要申請經費，而又怕人知道自己那相對簡單的技術而被人捷足先登。於是要向公眾大肆宣傳，至少先坐實自己的貢獻。而地方政府、利益集團也應該參與其中。期間也充斥著對那些研究磁約束、慣性約束的科學家的貶斥：拿著數億美元，研究前景遙遠模糊，對冷聚變的懷疑是怕丟掉經費。但無論何種過程，學術界確認了這個冷聚變並不存在，兩位優秀的化學家斷送了自己的聲譽和職業生涯。

但冷聚變研究卻沒有從世界上消失，在常溫條件下，於實驗室的試管中獲取無限能源的願望太強烈了。那種可能比較容易獲得的聲望與利益誘惑著很多人繼續努力，如同宗教信仰一樣，這不是科學能夠撲滅的。

氣泡聚變

首先，我們要提到一種叫做「聲至發光」的物理現象。

既然是軍壇，那就說一說大家應該更熟悉的一種現象：潛艇螺旋槳如果轉動得太快就會在水中產生空泡，形成額外的雜訊，並對螺旋槳本身產生腐蝕效應。這和聲致發光是很類似的。

當我們用聲波以正確的方式轟擊一桶水，水中就會開始產生微小的氣泡，這些氣泡會發出微弱的藍光。這是由於在快速撞擊或者聲波轟擊這樣相對高速的作用下，液體表現得有固體特性，會被撕裂而形成微小的真空泡。這些真空泡中會立即充滿些許蒸發的液體。然後這些氣泡又會在液體自身的壓力下迅速破裂，被加熱到幾萬度並釋放出光。

事情和前面的冷聚變有些類似。橡樹嶺和倫塞勒理工學院的一些科學家認為，他們通過聲波轟擊，在一個盛有氘代氫丙酮的小燒杯裡面實現了核聚變。

事情又有所不同。首先，他們認為聚變實在幾千萬度而不是室溫條件下進行的；還有，他們不是向公眾宣布自己的發現，而是撰寫文章投稿給負有盛名的《科學》雜誌，而文章被接受並被發表。

這次事件的轟動效應遠不如前面兩位化學家的錯誤，但也鬧到了國會山。期間也充斥著類似學術造假、學術偏見與壓制、學術不端等攻訐與指責。當然就實驗本身而言，最大的問題還是沒能觀測到應有的、顯著超越自然本底的中子和γ輻射。對無盡能源、聲望與金錢的期望中，又有人斷送了自己的職業生涯。

註：本文所有圖片均來源於網路。

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