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遙 遙在望的聚變能聚變能是兩個較輕的原子核聚合在一起變成一個較重的原子核時所放出的核能。早在人們發現重核裂變之前，科學家就已提出了太陽能量的 來源是輕核聚變的理論，並在 1932 年發現了重氫。可是人工控制的核聚變卻遠遠落在核裂變後面。1938 年才發現了核裂變，4 年之後就已建成了第一個裂變反應堆。可聚變呢，直到 1950 年才第一次出現了實作品熱核聚變的氫彈。從 1958 年起受控核聚變研究解密，全世界進行了 30 餘年的努力，預言的受控核聚變裝置卻是遲遲不能實作品。雖然樂觀者普遍認為在 20 世紀末一定能實作品點火，但是一般的估計都是到 21 世紀中葉，才可供工業套用。是什麼原因使聚變能量如此難以釋放呢?難 就難在主要的聚變反應中反應物都是帶正電荷的原子核。要它們發生聚變反應，首先必須要讓它們靠攏到核力可以發生作用的距離，這大概是十萬億分之一釐米 (10-13釐米)。然而，兩個帶正電荷的原子核，同性相斥。這個庫崙斥力卻是一個遠距離就起作用的力，早在兩核靠攏之前就已經把它們推開了。好比是兩位 摯友要握手言歡而中間卻隔著一座庫崙山，遙遙相對達 100 公裏之遠。如果原子核有足夠的動能，是可以“越山而過”的。但這要原子核的動能高達幾十萬電子伏，通常以為電子伏是一個很小的能量，對應的溫度不會很高。 其實不然。太陽表面的溫度那麼高(6000℃)，但是太陽表面帶電粒子的平均動能還不到一個電子伏。可以想象要在地球上造成一個環境，使其中帶電粒子的平 均動能達到幾十萬電子伏，並不是一件容易的事。好在微觀世界之中除了“越山而過”，還有“穿山而過”這一招。打個比方說；聲波遇到磚牆並不 完全被擋住，而是可以“穿牆而過”。帶電粒子的波動性表現在它也能從庫崙山中透過去。好比是打了一個“隧道”穿過去，人們稱之為“隧穿效應”。這樣就不一 定要求帶電原子核的動能高達幾十萬電子伏，即使溫度低一些也可以有發生聚變反應的機會。當然，即使是“隧穿效應”也總希望“山牆”薄一些，才容易穿透。一 種辦法是原子核的動能別太低(比太陽表面還熱)，仍比較靠近庫崙山頂，感受到的“山牆”比較薄，這就是熱核聚變；另一種辦法是原子核動能很低(已接近室 溫)而削薄“山牆”，這就是冷核聚變。當年有人提出用µ粒子來代替氘分子中的電子，可以使庫崙山變薄以增加聚變反應的機會。這種反應被稱為µ粒子催化聚變 反應。這種催化反應是在實驗上已得到驗證的冷聚變，只是由於µ粒子的壽命太短，在實驗上從未達到有用的功率釋放。總而言之，聚變作為一種能量來源，其理論 模型是清楚的，也是有實驗依
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據 的。但要成為一種實用的能源，卻是困難重重。無論是熱核聚變，還是冷核聚變，都呈現一種雖然是可望，卻是日期遙遠的態勢。熱核聚變 “貴”而生畏近 4 0 年的熱核聚變研究促使我們不斷地探索究竟還有沒有其他更容易的途徑? 雖然沿著熱核聚變道路走下來，已經走到了馬上就要驗證“科學可行性”了(1989 年 11 月 13 日在美國物理學會年會上宣布，歐洲的聯合環已達到了接近“得失相當”的水平，即可輸出的聚變能已等於輸人能量的 0.8 倍)，但科學家也深知其中的困難所在。首先是約束這麼高溫的帶電粒子所需要的磁場就是一項困難的高技術。在地球上還找不到一種材料可以制成容器來盛放比太 陽溫度還高的帶電粒子的氣體。人們想到了磁場，在強大的磁場中帶電粒子的軌道被彎曲而約束在一定的體積內。眾所周知，磁場要靠電流來產生，而電流要靠能源 來驅動。為了節省驅動能源必須採用超導技術，而用超導材料來包圍這樣一個龐大的熱核聚變堆就使其投資貴到了難以承受的程度。運用今日已知的理淪來預測，未 來的熱核聚變堆的尺寸將是長、寬、高皆達十餘米的龐然大物，而相應的超導材料等包裹物質卻是平均每公斤達上千美元的昂貴材料。每個熱核聚變電站的投資將是 幾十億美元之巨。且不說發展中國家難以承受這樣的經濟負擔，就是發達國家，今日也不得不考慮聯合投資來興建第一個實驗性熱核聚變反應堆(ITER)。對於 發展中國家來說他們在未來的經濟發展中是最需要聚變能源的國家，而他們是負擔不起這種巨額費用的。冷核聚變 應運而生正是在這樣的背景下，冷核聚變的出現 一下子轟動全球。因為它不僅僅可能隱含著科學的創新，也可能會打開一條通向聚變能源的新路。然而，按照龐斯和弗萊希曼本人的願望來說，現在發表為時過早， 只是不得已而為之。現年 46 歲的龐斯，早年就學於美國密歇根大學。在他快要得博士學位的時候，卻在其父的慫恿下棄學經商。十年之後，他又想繼續學業，由於密歇根大學不再承認其學分而 必須重修，才使他遠渡重洋成了英國南安普頓大學弗萊希曼教授的學生。弗萊希曼現年 62 歲，素以智謀出眾而受人稱道。兩人從師生而成為摯友。1984 年，當他倆在鹽湖城附近的峽谷地區作徒步旅行時忽然萌發了一個想法：既然鈀 能吸附大量的氫，而且化學家們早 就注意到氘在電場作用下能在鈀的原子晶格點陣中不尋常地作自由運動，那麼原子核會不會靠得足夠近而發生核聚變呢? 旅行結束一到家，他倆就在廚房內桌上邊喝邊畫草圖，第一步的電解池實驗方案就此誕生了。這個方案就是在重水中插入鈀絲作陰極進行電解。1985 年的一個晚上，電解池的電極居然意外地燒融乃至有一部分都汽化了。龐斯立即打電話把此意外事件通知巳回到英國的弗萊希曼，因為龐斯感到從電解池中得到的能 量已遠超過了化學反應所能釋放的能量。弗萊希曼卻告誡他最好不要在電話中討論此事。兩人用私人積蓄投資 10 萬美元以繼續探索這一被“認作”是冷聚變的現象。當他們感到私人投資已難以維持下去而向政府申請研究基金時，1988 年 9 月申請書轉到了同在猶他州的楊伯翰大學的物理學家瓊斯手中。政府要求他審議龐斯和弗萊希曼的申請。原來瓊斯也在作冷聚變實驗。本來瓊斯是專門研究µ粒子催 化聚變反應的，兩年前他也轉向研究電解池方案，並且也發現了聚變的跡象。他是一位核物理學家，在發明一台高質量的中子探測儀上下了功夫，並用普通水作了對 照試驗。因此他之所以相信他看到了聚變，是因為他確信已看到了聚變中子，而根
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本 不是用化學反應解釋不了的熱量。但瓊斯卻想用此冷聚變反應來解釋地球內部熱量的起源和夏威夷觀測站上測到的氚量異常。兩所大學相距不過 50 英裏，竟在從完全不同的角度分析著同樣的鈀電極電解重水實驗，于是瓊斯建議雙方合作。1989 年 3 月 6 日在兩所大學校方出席下協商如何向公眾報道。龐斯和弗萊希曼仍希望再等一下，而瓊斯卻已接到了美國物理學會的邀請，預定於 1989 年5 月初正式報告其研究結果。最後商定，1989 年 3 月 24 日雙方同時各投寄一篇論文於“自然”雜志。然而，龐斯和弗萊希曼卻於 1989 年 3 月 23 日在校方召開的記者招待會上宣布了他們的“突破”，這顯然是一個不成熟的競爭的產物。所以此後龐斯和弗萊希曼在洛杉磯美國電化學會年會和在歐洲各種場合受 到詰問而支支吾吾是可以想象的。他們也已料到，一旦發表所招來的問題會比所解決的問題多。值得注意的是從此之後弗萊希曼與瓊斯都分別與各地的學者合作。英 國哈威爾實驗室，在弗萊希曼參與下種種偵測中子的實驗都得出了零結果之後，弗萊希曼仍堅持他的結論（即“過量的熱”現象依然存在）。而瓊斯與意大利的學者 在格蘭·薩索(Gran Sasso)的深山隧道中重復了電解池實驗之後明確排除了是宇宙線µ粒子引起核聚變(因為隧道中µ粒子數量比海平面處還低一百萬倍)。後來又有一些支持冷 聚變現象的實驗，其中最值得一提的是意大利夫拉斯卡蒂(Frascati)的無電解池實驗。他們注意到了在瓊斯的實驗程序中電極材料可以不是鈀，而是其他 吸氫材料(如鈦等)。電解質也不一定非用氘氧化鋰不可。但是瓊斯提到了“非平衡態”可能是關鍵因素之一。因此意大利的學者們乾脆不用電解池而是在不鏽鋼瓶 中，放幾十克鈦片或海綿鈦，在 50 個大氣下，用液氮冷卻後升溫又重復冷卻，企圖以此來造成空間和時間上的非平衡程序。果然，他們在高氣壓下看到了猝發式的中子發射，其發射量比本底高出 35 倍(達每小時 70 個計數)。而在放氣之後，在室溫下又連續十餘小時內觀察到中子的發射，其發射量比本底高 500 倍(每小時 1000 個計數)。這個現象在意大利的熱那亞大學和另一個國家實驗室也都看到了，而且美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室也聲稱重復了這—實驗。也還有重復電解池實驗而 得到了正結果的地方，如美國斯坦福大學和德州農機學院。他們還用普通水作了對照試驗，驗證了過量的熱只出現在重水電解的實驗之中。疑雲密布 結論難下然 而，事情並不是那麼簡單。作為一名化學家，可以把他看到的、解釋不了的“過量的熱量”歸結為由“核反應程序”產生。但是物理學家同樣也解釋不了為什麼會有 這樣的“核反應程序”？在一種情況下，實驗看到了過量的熱，卻沒有看到中子和核聚變程序的其它產物(氚、質子或氦的一種同位素等); 在另一種情況下，實驗看到了中子卻並沒有見到明顯的熱量產生。按照傳統的氘一氘聚變反應，應該同時有兩種反應結局：一種是產生質子和氚；另一種是產生中子 和氦。同時伴隨著幾百萬電子伏能量的釋放。所以，主流科學家們普遍認為：應該同時測到聚變能量和中子，才能確證是冷聚變反應。龐斯和弗萊希曼一度宣稱同時 看到了“過量的熱”和聚變中子。但是用以論證聚變中子的伽瑪射線能譜被核物理學家否定了。在麻省理工學院等離子體聚變中心的驗驗證驗面前，弗萊希曼宣布他 們的伽瑪射線能譜有問題(但同時又重申“過量的熱”不僅確切無疑，數量上還比過去更多)。退一步說：即使弗萊希曼看到的是中子，其產額也比從聚變反應熱算 出的產額低了 10 億倍，而且瓊斯在同類電解池中看到的中子又比龐斯和
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弗 萊希曼低了 1 萬倍。這個疑點至今還沒有解開，但是還有更大的疑團。迄今為止多數重要的實驗室沒有測到任何正結果。包括麻省理工學院的等離子體聚變中心，國際商用機器公 司的研究中心，美國電話電報公司的貝爾實驗室，勞崙斯貝克萊實驗室，橡樹嶺，羅徹斯特大學，俄亥俄州立大學，多崙多大學，佛羅裏達州立大學，加拿大恰克河 核實驗室，瑞士洛桑高工。他們都說沒有看到弗萊希曼和龐斯所報道的中子產生率。由於他們所用的探測儀器的靈敏度比不上瓊斯的儀器，因此對於瓊斯所報道的中 子產生率(約每對氘核每秒產生 10-24個中子)尚無發言權。然而，耶魯大學和布魯克海汶國家實驗室的聯合實驗已確定中子的發生率不會高於每對氘核，每秒 10-25個聚變中子。面對著這難解的事實，有人拿出了“病態科學”的症狀來類比，認為所謂冷聚變不過是一場病態科學的瞎折騰。有人甚至還說是美國科學的 恥辱。理論的困惑在撲朔迷離的實驗結果面前，人們看著理論工作者的態度。然而，理論工作者同樣是困惑不解。為什麼聚變反應的熱量與聚變反應的中子如此不相 稱呢？姑且認為這是聚變中子，理論也解釋不了所宣稱的中子產率——每對氘核 每秒產生約 10-24次聚變反應。（使用“隧穿效應”來估計氘分子內兩個氘核聚變反應的幾率是 10-70/分子－秒）。最近，加州理工大學的理論工作者重新驗算了此幾率，發現可提高到 10-64／分子一秒，仍遠低於瓊斯實驗的數值。前面巳說明如果氘分子中的電子被換成µ粒子，則此幾率可以提高 80 個數量級。但為了解釋瓊斯的實驗，每個µ粒子必須催化 700 次聚變才行。遺憾的是µ粒子的壽命卻太短而達不到理論家的期望值。µ粒子的作用是使庫崙山變薄，那麼是否也可以用其他方法來使庫崙山變薄呢？固體物理學家 告訴我們，在金屬氫化物中確實可以有一些空位，每個空位內可累積多達 6 個氘核。可是計算表明：這些氘核之間的間距仍比氘分子內的間距還大 2 倍。如果可以找到一種機制使氘核間距迫近到只有氘分子內兩個氘核間距的(1/3)—(1/5)，則瓊斯的中子產生率就可能得到解釋。另一方面也可以尋找使 氘核加速的機制。因為一旦被加速，氘核爬升到靠近庫崙山頂，則隧穿的厚度也會大大下降而提高聚變反應率。這種加速電壓可以來自金屬中的裂隙，在裂隙兩側的 電荷可以形成一個電場來加速氘核。早在 1976年就已觀察到充氘或充氫的金屬內會產生裂隙。也確實有蘇聯學者在 1986 年發表過撞擊氘化鋰晶體可以產生中子的實驗結果(撞擊中產生的裂隙每條可以發出約 10 個中子)。理論的現狀使化學家把目光投向核物理學家，而核物理學家又寄希望於固體物理，指望在固體晶格中，µ粒子壽命會變長，或在固體晶格裏會出現只釋放 能量而不放出中子的新型聚變反應……。1989 年 4 月初“氫彈之父”泰勒曾說，“在剛一聽到這消息時，我的看法是它決不可能發生”，“我現在非常高興，因為我看到：非常大的可能性是我完全錯了”。泰勒因病 動了一次外科大手術。在全身麻醉前他說的是：“但願我能知道冷聚變究竟是怎麼回事？”1989 年 10 月，他還出席了有關的討論會。這可以說是對理論家的心願和困惑的最好寫照。世界各國的對策到目前為止，實驗或理論都還未能對冷聚變作出最後的結論，但是看 一看各國對策不無裨益。美國能源部在猶他大學冷聚變實驗消息出來之後，即要求能源
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部 所屬各實驗室在 90 天內弄清楚是怎麼回事，並指定洛斯阿拉莫斯國家實驗室在 5 月 22～25 日召開國際討論會。還命令十個主要的國家實驗室每周向能源部報告一次有關冷聚變的實驗情況，那怕實驗結果是初步的還是不確定的也要報告。同時，能源部馬上 成立了一個由電化學、固體物理、核物理、工程技術等諸方面 20 位專家組成的專家小組，由他們獨立地評估、並要求他們於 1989 年 7月寫出階段報告。那次國際討論會果然如期舉行了。那個階段報告也於 7 月份寫出。其中說：“專家小組認為，迄今為止所報道的實驗，都未能提出令人信服的證據以說明那個被稱為冷聚變的現象能導致有用的能源。事實上，要說發現了 一種稱之為冷聚變的新的核程序，其證據也是沒有說服力的”。該專家組原定於1989 年 11 月提出最終報告。但是龐斯和弗萊希曼對於專家小組的組成持異議，甚至拒絕他們存取猶他的實驗室。因為龐斯和弗萊希曼認為專家小組中的成員都偏向懷疑派。龐 斯和弗萊希曼表示，只有改變專家小組成員，才會做出公正的結論。也只有那樣；他們才允許專家小組參觀猶他的實驗室。盡管去年 7 月份的報告說了大潑冷水的話，美國能源部內仍有一套政策來扶持和評價這種近乎“異想天開’的研究，這的確是值得借鑑的。在美國能源部中有一個專門支持這種 高風險，高潛在收益的研究基金（基礎能源科學辦公室的先進能源研究）。這項基金平均每年要支持 12 項類似的高風險，高潛力的創新研究，平均每項每年約 28 萬美元。已聞名於世的自由電子雷射就是此項基金扶植起來的。當年瓊斯的µ粒子催化冷聚變研究也是此項基金支持的。通常這項基金只支持三年左右。因為一個想 法如果基本上是正確的，就會得到能源部其他基金乃至工業界的支持。如果行不通，三年之後也可見分曉了。唯獨瓊斯的項目有些特殊。從 1982 年開始獲資助，過了三年還是無法得到能源部的其他資助，瓊斯只好轉向研究高性能的聚變中子探測器用以尋找其他的聚變途徑，最後發現了鈀電極電解重水會產生 聚變中子。而龐斯和弗萊希曼也正是在申請這項研究基金時碰上了瓊斯來評議申請書。並獲準 32 萬美元用於 18 個月的研究經費。如今在猶他州議會的支持下，龐斯和弗萊希曼得到了 450 萬美元的基金，籌建了有 30 名研究人員的國家冷聚變研究所。歐洲共同體為提高其工業的國際競爭能力而制定的《第三個科研總體規劃》中也明確列入了能源研究中要開展“冷核聚變”研究。 日本也與英國協議要利用英國的加速器從 1993 年起共同進行µ粒子核聚變實驗。我們要有所作為在改革開放的大潮中，我國學者對冷聚變的反應是及時的。遠在海外的學者、學生紛紛投書國內，並及時傳來了第 一批文獻資料。中國科學院和國家自然科學基金委員會還及時召集了有關專家的座談會，在會上我國的核物理學者就曾經提出過龐斯和弗萊希曼的伽瑪譜不合標準。 我國的化學家也曾提出過不用電解池的驗證方案。在祖國的首都、大西南，東北和大西北，有很多白發如霜的老專家與年輕人一起研究冷聚變。他們度過了一個又一 個的不眠之夜。他們認為，我們如果不做工作，就有可能錯過這個良機。在國家科委、教委的支持下，我們的一些高等院校、中國科學院，迄今仍有一些甘冒風險的 探索者在試驗著種種不同的方案。探索者的道路是艱難的，但是只有不畏艱險的人才有希望登上科學的頂峰。
