无尽能源之路上的曲折——那些失败或者无前景的受控核聚 ...

　　看emellzzq版主转来的帖子“追寻终极能源：浅谈受控核聚变”，萌生了写这个东西的念头。可能只是搭一个框架并作简单介绍，如果时间和资料允许或者会更加丰富些吧。


　　受控核聚变被认为是解决人类未来能源问题的最有效途径——长远来看，或许是唯一拥有有较远前景的途径。世界上一些强国都有相应的研究，更有类似ITER这样雄心勃勃的国际合作计划。

　　经历了几十年的理论研究与实验、实践，人类明白，在人类文明的这个阶段，要想实现受控核聚变的商业能源，只有托卡马克为代表的磁约束和高能激光惯性约束两条路可以走。

　　本人在这里不准备讨论这两条道路的理论和实践问题，只是要介绍一些不能用作能源的聚变手段或者装置，和一些被认为异想天开干脆不能实现聚变（这些东西都曾经引起学界甚至舆论的广泛关注）的途径。


　　“聚变器”

　　事实上，我不知道怎么命名它们好，姑且就用这个名字。这是一类利用电场实现聚变的装置。

　　此类聚变装置首先要构建一个不错的真空环境，在其中设置可以耐受极高电压的电极。再将氘注入其中，部分碰到正电极的氘原子会被电离，剥离了电子的原子核则会在高压电场的作用下快速运动，当偶尔碰上其它的原子核的时候就可能会发生聚变。

　　这类装置依据电极的设计不同可以有不同的形态。比如一个效率稍微高一些的装置可以这样：正极做成球面，里面是更小的负电极球面。负电极球面要有能让氘原子核通过的孔洞。如此被电离并被加速的氘原子核都会向整个装置的球心前进，彼此间就可能会相撞甚至发生聚变反应。

　　这类装置曾经有很多人实现过，很多人都是美国的中学生。一个比较近的例子是2006年17岁的Thiago OLson制造了一个聚变装置，该装置每秒能产生20万个中子。

　　这类装置可以实现聚变，但通过其获得的能量永远也达不到向其输入的能量，因为能参与聚变的氘只占被电离加速的氘的极小部分。这类装置中有些或者可以做成一个有商业价值的中子源，但要依靠它们获得我们梦想中的无尽能源是没有任何可能的。


　　红外激光聚变

　　在激光惯性约束聚变装置中，人类都尽量使用波长较短的激光。因为波长较长的激光更容易加热电子，而受控核聚变更需要的是大量高温快速运动的原子核。

　　但是，有人反其道而行之也实现了核聚变。

　　物理学家迪特迈耶（Tod Ditmire）向一个真空室中注入几滴氘，然后用一个廉价的红外激光器照射它们。激光加热了电子，氘液滴瞬间被蒸发掉，氘原子被四散抛射（其中部分氘原子已经被电离），在这个小规模爆炸造成的四散抛射中可能会有氘原子核相互碰撞而发生聚变。

　　每次激光发射，迪特迈耶都可以获得大于1200个中子。而他使用的红外激光器发射的能量只有几个瓦特，这堪称是一个很容易实现的聚变。但此种聚变产生的能量不足其注入能量的千万分之一。


　　μ子催化聚变

　　μ子是一种亚原子粒子，其特性与电子十分类似，但其质量是电子的200多倍。μ子可以像电子一样被质子俘获，形成μ子氢原子。μ子氢原子比正常的电子氢原子更重、更小。当两个μ子氢原子相撞的时候，这两个原子核就会比通常情况下靠近得多，就有更大的可能撞击并且聚合。

　　μ子催化核聚变是一种常温下即可进行的核聚变。实际上，人类最初于1956年在气泡室里发现这种反应现象时，气泡室里面的温度是接近绝对零度的。此种反应若能从工业上实现必然会成为人类未来能源的福音。特别是，如果人类能够有办法用μ子来替换氢中的电子，并获得满满一罐子稳定的μ子氢原子的话。

　　但问题是，μ子很难获得。目前条件下人们需要建设粒子加速器，消耗大量能量来获得μ子，而且这种生产的效率很低。即使我们找到一种生产μ子的有效方法，此种粒子的寿命也只有几微秒。如果科学家把一束μ子射入一片氢云中，恰好能引发聚合反应，但μ子有可能会被俘获在新的氦原子中，在衰变前就再无用处了。即便生产效率再高，生产μ子需要的能量也无法通过这一次的聚变填补亏空。但如果μ子能摆脱原子的束缚，在衰变前能诱发几百次的聚合，那就完全可以实现正的能量输出。

　　可是，无论从理论计算上还是实际试验中，人们得到的是μ子最多只能实现几十次的聚变催化。这距离实现盈亏平衡是有很大距离的。μ子催化聚变反应，至少作为能源途径，是不值得继续搞下去的。


　　“冷聚变”

　　刚刚介绍过的μ子催化聚变实际上就是一种冷聚变，但这里我要介绍的是一种曾经在世界范围内引起广泛关注的冷聚变。一提起“冷聚变”或者“常温核聚变”很多人都会直接想起这次事件。由于此事曾在世界上引起了很大的反响，被认为是20世纪最大的科学丑闻。

　　事情的发生是在1989年，那时候我正在读初三。两位在盐湖城犹他大学的化学家弗莱施曼和庞斯宣布，他们成功的在室温条件下产生了一次持续的聚变反应。这个突破意味着有朝一日世界会依赖核聚变获得清洁的、几乎是取之不尽的能源。

　　两人设计的装置是一个具有钯电极的瓶子。钯是一种贵金属，元素序数在银之前——如同铂在金之前。钯有一种很独特的性质——能够大量的吸收氢原子，微小的氢原子会附着在钯原子周围。现在搞氢动力的人有在研究如何更好的利用钯来存储氢的。

　　被吸附在钯原子之间狭小空间里面的氢应该很拥挤，可能会以很大的力彼此冲撞……如果把氢换成氘……。基于这样的想法弗莱施曼和庞斯开始试验。按照他们自己对记者说的话，开始时他们觉得这种实验有些愚蠢，所以没申请经费，而是自费来做这个实验。

　　1984年的时候（他们自己是这样说的），他们把一块钯置于重水中，并在水中加入还有锂和氘的盐。用一根铂导线把钯和一个电池连接起来，期待着能有聚合发生。这个实验开始时什么都没有发生，但有一天夜里，钯块突然变热，仪器被炸开。第二天他们回来时，实验室里被弄得乱七八糟。用仪器检测，发现实验室辐射是自然本底的3倍。

　　庞斯是犹他大学的化学系主任，弗莱施曼是英国人，是具有英国皇家学会会员头衔的科学家。两人都曾经做出过杰出的学术工作和贡献，都有着良好的学术声誉。所以，他们发表自己研究成果的时候，受到的物理学界的足够重视。但两人很多话都是直接对媒体说的而不是对学术界说的。

　　我看的资料对整个故事没有太过详细的描述，但类似这样的实验应该是没有重现过。至少，其他人的验证实验从来没有测出过足够量的中子的——他们只测出了符合自然本底的中子辐射量。就是说两人的实验从来没有实现过聚变，至少没有人能够重现这个实验（应该也包括他们自己以后的实验）。当然，无论如何，实验中有比预期要多的热量释放出来，但肯定不是核聚变提供的。我看的资料也没有释这种热是通过何种反应来的，不知道是否钯中积累了足够多的氢然后又什么反应，但整个过程的输入能量应该大于获得的能量，虽然某些时间段内是有正能量输出的。

　　整个故事的过程到底如何，我看的资料的作者都表示‘至今没能完全弄清楚’。但应该不止是纯粹的学术问题，涉及到很多方面的利益，当然，源头还是学术问题。

　　由于冷聚变需要的反应条件很容易获得，其前景让人们极其神往。第一个研究出此种技术的人必然会成为人类文明的救星，以其专利获得巨大的声望、财富和权力。相较来说，盖茨和乔布斯谋得的名利都要差得远。而即便是同时独立研究，第二位提交结果的团体或个人也将仅仅获得一个注脚的地位。很可能就如同那个晚了一天提交电话专利，虽然其发明性能更优异，但此后和贝尔天差地别的那个人。

　　不知道是否两位化学家由于自己的钱紧张，需要申请经费，而又怕人知道自己那相对简单的技术而被人捷足先登。于是要向公众大肆宣传，至少先坐实自己的贡献。而地方政府、利益集团也应该参与其中。期间也充斥着对那些研究磁约束、惯性约束的科学家的贬斥：拿着数亿美元，研究前景遥远模糊，对冷聚变的怀疑是怕丢掉经费。但无论何种过程，学术界确认了这个冷聚变并不存在，两位优秀的化学家断送了自己的声誉和职业生涯。

　　但冷聚变研究却没有从世界上消失，在常温条件下，于实验室的试管中获取无限能源的愿望太强烈了。那种可能比较容易获得的声望与利益诱惑着很多人继续努力，如同宗教信仰一样，这不是科学能够扑灭的。


　　气泡聚变

　　首先，我们要提到一种叫做“声至发光”的物理现象。

　　既然是军坛，那就说一说大家应该更熟悉的一种现象：潜艇螺旋桨如果转动得太快就会在水中产生空泡，形成额外的噪声，并对螺旋桨本身产生腐蚀效应。这和声致发光是很类似的。

　　当我们用声波以正确的方式轰击一桶水，水中就会开始产生微小的气泡，这些气泡会发出微弱的蓝光。这是由于在快速撞击或者声波轰击这样相对高速的作用下，液体表现得有固体特性，会被撕裂而形成微小的真空泡。这些真空泡中会立即充满些许蒸发的液体。然后这些气泡又会在液体自身的压力下迅速破裂，被加热到几万度并释放出光。

　　事情和前面的冷聚变有些类似。橡树岭和伦塞勒理工学院的一些科学家认为，他们通过声波轰击，在一个盛有氘代氢丙酮的小烧杯里面实现了核聚变。

　　事情又有所不同。首先，他们认为聚变实在几千万度而不是室温条件下进行的；还有，他们不是向公众宣布自己的发现，而是撰写文章投稿给负有盛名的《科学》杂志，而文章被接受并被发表。

　　这次事件的轰动效应远不如前面两位化学家的错误，但也闹到了国会山。期间也充斥着类似学术造假、学术偏见与压制、学术不端等攻讦与指责。当然就实验本身而言，最大的问题还是没能观测到应有的、显著超越自然本底的中子和γ辐射。对无尽能源、声望与金钱的期望中，又有人断送了自己的职业生涯。




　　马马虎虎写了些东西，最终要说的是。目前人类的研究表明，要想实现“把太阳装进瓶子”这样的无尽能源梦想，只能依靠高温等离子，而道路也只剩下磁约束和惯性约束两条。世界各国投入了大量经费，有众多科学家在为这个目标而努力工作，希望核聚发电变商业化这天早日到来。

　　看emellzzq版主转来的帖子“追寻终极能源：浅谈受控核聚变”，萌生了写这个东西的念头。可能只是搭一个框架并作简单介绍，如果时间和资料允许或者会更加丰富些吧。


　　受控核聚变被认为是解决人类未来能源问题的最有效途径——长远来看，或许是唯一拥有有较远前景的途径。世界上一些强国都有相应的研究，更有类似ITER这样雄心勃勃的国际合作计划。

　　经历了几十年的理论研究与实验、实践，人类明白，在人类文明的这个阶段，要想实现受控核聚变的商业能源，只有托卡马克为代表的磁约束和高能激光惯性约束两条路可以走。

　　本人在这里不准备讨论这两条道路的理论和实践问题，只是要介绍一些不能用作能源的聚变手段或者装置，和一些被认为异想天开干脆不能实现聚变（这些东西都曾经引起学界甚至舆论的广泛关注）的途径。


　　“聚变器”

　　事实上，我不知道怎么命名它们好，姑且就用这个名字。这是一类利用电场实现聚变的装置。

　　此类聚变装置首先要构建一个不错的真空环境，在其中设置可以耐受极高电压的电极。再将氘注入其中，部分碰到正电极的氘原子会被电离，剥离了电子的原子核则会在高压电场的作用下快速运动，当偶尔碰上其它的原子核的时候就可能会发生聚变。

　　这类装置依据电极的设计不同可以有不同的形态。比如一个效率稍微高一些的装置可以这样：正极做成球面，里面是更小的负电极球面。负电极球面要有能让氘原子核通过的孔洞。如此被电离并被加速的氘原子核都会向整个装置的球心前进，彼此间就可能会相撞甚至发生聚变反应。

　　这类装置曾经有很多人实现过，很多人都是美国的中学生。一个比较近的例子是2006年17岁的Thiago OLson制造了一个聚变装置，该装置每秒能产生20万个中子。

　　这类装置可以实现聚变，但通过其获得的能量永远也达不到向其输入的能量，因为能参与聚变的氘只占被电离加速的氘的极小部分。这类装置中有些或者可以做成一个有商业价值的中子源，但要依靠它们获得我们梦想中的无尽能源是没有任何可能的。


　　红外激光聚变

　　在激光惯性约束聚变装置中，人类都尽量使用波长较短的激光。因为波长较长的激光更容易加热电子，而受控核聚变更需要的是大量高温快速运动的原子核。

　　但是，有人反其道而行之也实现了核聚变。

　　物理学家迪特迈耶（Tod Ditmire）向一个真空室中注入几滴氘，然后用一个廉价的红外激光器照射它们。激光加热了电子，氘液滴瞬间被蒸发掉，氘原子被四散抛射（其中部分氘原子已经被电离），在这个小规模爆炸造成的四散抛射中可能会有氘原子核相互碰撞而发生聚变。

　　每次激光发射，迪特迈耶都可以获得大于1200个中子。而他使用的红外激光器发射的能量只有几个瓦特，这堪称是一个很容易实现的聚变。但此种聚变产生的能量不足其注入能量的千万分之一。


　　μ子催化聚变

　　μ子是一种亚原子粒子，其特性与电子十分类似，但其质量是电子的200多倍。μ子可以像电子一样被质子俘获，形成μ子氢原子。μ子氢原子比正常的电子氢原子更重、更小。当两个μ子氢原子相撞的时候，这两个原子核就会比通常情况下靠近得多，就有更大的可能撞击并且聚合。

　　μ子催化核聚变是一种常温下即可进行的核聚变。实际上，人类最初于1956年在气泡室里发现这种反应现象时，气泡室里面的温度是接近绝对零度的。此种反应若能从工业上实现必然会成为人类未来能源的福音。特别是，如果人类能够有办法用μ子来替换氢中的电子，并获得满满一罐子稳定的μ子氢原子的话。

　　但问题是，μ子很难获得。目前条件下人们需要建设粒子加速器，消耗大量能量来获得μ子，而且这种生产的效率很低。即使我们找到一种生产μ子的有效方法，此种粒子的寿命也只有几微秒。如果科学家把一束μ子射入一片氢云中，恰好能引发聚合反应，但μ子有可能会被俘获在新的氦原子中，在衰变前就再无用处了。即便生产效率再高，生产μ子需要的能量也无法通过这一次的聚变填补亏空。但如果μ子能摆脱原子的束缚，在衰变前能诱发几百次的聚合，那就完全可以实现正的能量输出。

　　可是，无论从理论计算上还是实际试验中，人们得到的是μ子最多只能实现几十次的聚变催化。这距离实现盈亏平衡是有很大距离的。μ子催化聚变反应，至少作为能源途径，是不值得继续搞下去的。


　　“冷聚变”

　　刚刚介绍过的μ子催化聚变实际上就是一种冷聚变，但这里我要介绍的是一种曾经在世界范围内引起广泛关注的冷聚变。一提起“冷聚变”或者“常温核聚变”很多人都会直接想起这次事件。由于此事曾在世界上引起了很大的反响，被认为是20世纪最大的科学丑闻。

　　事情的发生是在1989年，那时候我正在读初三。两位在盐湖城犹他大学的化学家弗莱施曼和庞斯宣布，他们成功的在室温条件下产生了一次持续的聚变反应。这个突破意味着有朝一日世界会依赖核聚变获得清洁的、几乎是取之不尽的能源。

　　两人设计的装置是一个具有钯电极的瓶子。钯是一种贵金属，元素序数在银之前——如同铂在金之前。钯有一种很独特的性质——能够大量的吸收氢原子，微小的氢原子会附着在钯原子周围。现在搞氢动力的人有在研究如何更好的利用钯来存储氢的。

　　被吸附在钯原子之间狭小空间里面的氢应该很拥挤，可能会以很大的力彼此冲撞……如果把氢换成氘……。基于这样的想法弗莱施曼和庞斯开始试验。按照他们自己对记者说的话，开始时他们觉得这种实验有些愚蠢，所以没申请经费，而是自费来做这个实验。

　　1984年的时候（他们自己是这样说的），他们把一块钯置于重水中，并在水中加入还有锂和氘的盐。用一根铂导线把钯和一个电池连接起来，期待着能有聚合发生。这个实验开始时什么都没有发生，但有一天夜里，钯块突然变热，仪器被炸开。第二天他们回来时，实验室里被弄得乱七八糟。用仪器检测，发现实验室辐射是自然本底的3倍。

　　庞斯是犹他大学的化学系主任，弗莱施曼是英国人，是具有英国皇家学会会员头衔的科学家。两人都曾经做出过杰出的学术工作和贡献，都有着良好的学术声誉。所以，他们发表自己研究成果的时候，受到的物理学界的足够重视。但两人很多话都是直接对媒体说的而不是对学术界说的。

　　我看的资料对整个故事没有太过详细的描述，但类似这样的实验应该是没有重现过。至少，其他人的验证实验从来没有测出过足够量的中子的——他们只测出了符合自然本底的中子辐射量。就是说两人的实验从来没有实现过聚变，至少没有人能够重现这个实验（应该也包括他们自己以后的实验）。当然，无论如何，实验中有比预期要多的热量释放出来，但肯定不是核聚变提供的。我看的资料也没有释这种热是通过何种反应来的，不知道是否钯中积累了足够多的氢然后又什么反应，但整个过程的输入能量应该大于获得的能量，虽然某些时间段内是有正能量输出的。

　　整个故事的过程到底如何，我看的资料的作者都表示‘至今没能完全弄清楚’。但应该不止是纯粹的学术问题，涉及到很多方面的利益，当然，源头还是学术问题。

　　由于冷聚变需要的反应条件很容易获得，其前景让人们极其神往。第一个研究出此种技术的人必然会成为人类文明的救星，以其专利获得巨大的声望、财富和权力。相较来说，盖茨和乔布斯谋得的名利都要差得远。而即便是同时独立研究，第二位提交结果的团体或个人也将仅仅获得一个注脚的地位。很可能就如同那个晚了一天提交电话专利，虽然其发明性能更优异，但此后和贝尔天差地别的那个人。

　　不知道是否两位化学家由于自己的钱紧张，需要申请经费，而又怕人知道自己那相对简单的技术而被人捷足先登。于是要向公众大肆宣传，至少先坐实自己的贡献。而地方政府、利益集团也应该参与其中。期间也充斥着对那些研究磁约束、惯性约束的科学家的贬斥：拿着数亿美元，研究前景遥远模糊，对冷聚变的怀疑是怕丢掉经费。但无论何种过程，学术界确认了这个冷聚变并不存在，两位优秀的化学家断送了自己的声誉和职业生涯。

　　但冷聚变研究却没有从世界上消失，在常温条件下，于实验室的试管中获取无限能源的愿望太强烈了。那种可能比较容易获得的声望与利益诱惑着很多人继续努力，如同宗教信仰一样，这不是科学能够扑灭的。


　　气泡聚变

　　首先，我们要提到一种叫做“声至发光”的物理现象。

　　既然是军坛，那就说一说大家应该更熟悉的一种现象：潜艇螺旋桨如果转动得太快就会在水中产生空泡，形成额外的噪声，并对螺旋桨本身产生腐蚀效应。这和声致发光是很类似的。

　　当我们用声波以正确的方式轰击一桶水，水中就会开始产生微小的气泡，这些气泡会发出微弱的蓝光。这是由于在快速撞击或者声波轰击这样相对高速的作用下，液体表现得有固体特性，会被撕裂而形成微小的真空泡。这些真空泡中会立即充满些许蒸发的液体。然后这些气泡又会在液体自身的压力下迅速破裂，被加热到几万度并释放出光。

　　事情和前面的冷聚变有些类似。橡树岭和伦塞勒理工学院的一些科学家认为，他们通过声波轰击，在一个盛有氘代氢丙酮的小烧杯里面实现了核聚变。

　　事情又有所不同。首先，他们认为聚变实在几千万度而不是室温条件下进行的；还有，他们不是向公众宣布自己的发现，而是撰写文章投稿给负有盛名的《科学》杂志，而文章被接受并被发表。

　　这次事件的轰动效应远不如前面两位化学家的错误，但也闹到了国会山。期间也充斥着类似学术造假、学术偏见与压制、学术不端等攻讦与指责。当然就实验本身而言，最大的问题还是没能观测到应有的、显著超越自然本底的中子和γ辐射。对无尽能源、声望与金钱的期望中，又有人断送了自己的职业生涯。




　　马马虎虎写了些东西，最终要说的是。目前人类的研究表明，要想实现“把太阳装进瓶子”这样的无尽能源梦想，只能依靠高温等离子，而道路也只剩下磁约束和惯性约束两条。世界各国投入了大量经费，有众多科学家在为这个目标而努力工作，希望核聚发电变商业化这天早日到来。