1 会议简介

第25届国际凝聚态核科学会议(ICCF-25, https://iccf25.com/)于2023年8月27~31日在波兰什切青召开. 会议由什切青大学(USZ)承办, 共有154名各国代表(含中国大陆5人)与会, 其中41人通过网络远程参会. 会议收录摘要86篇, 安排口头报告54场. 本文是前两次ICCF系列介绍的延续^[1–2], 相同之处不赘.

会上欧盟委员会研究与创新总局官员M. Maggiore介绍了相关政策, 欧盟地平线2020研究与创新计划支持的洁净氢金属能项目(Clean HME, http://www.cleanhme.eu/ )已资助了15家单位共5.68× 10⁶ €. 美国ARPA-E已支持8个小组共约 1.00×10⁷ $, 目的是验证低能核反应(LENR)的科学性, 会上有两个项目组报道了初步结果【A38, A51, A71】. 此外, 美国人类世研究所(Anthropocene Institute)也宣布接受LENR实验的申请(https://solidstatefusion.org/grants/), 单项额度为0.25~1.00×10⁵ $, 该所已资助美欧多家单位. 日本学者报告, 热电能技术基金(TEET)将在2023~2026年间资助5所大学LENR研究共1.50×10⁶ $. 本次会议表明, 欧、美、日政府和企业已多层面支持LENR研究且强度明显增大, 这是30多年来第一次, 其意义不言自明.

下次会议(ICCF-26)将于2025年4~6月间在日本岩手县盛冈(Morioka)市举行.

现在分不同系统介绍本次会议的技术内容, 文中用【A#】表示相关内容在摘要集中的电子页码^[3], 如【A27】表示第27页. 本文结合摘要、报告视频^[4]、墙报和近期文献综合而成.

2 金属-H(D)系统

金属-H(D)系统主要包括Pd-H(D)和Ni-H两大系统, 研究历史最长, 积累经验也最多.

美国E. Storms在氘气氛下给Pd片通直流电, 发现电流升高时超热增加^[5]. 在电解条件下, 增加电流总引起温度升高, 使这两个参数无法独立, Storms第一次在Pd-D系统中实现了电流独立变化. 考虑到Celani曾在康铜丝-H₂ (D₂)系统中的类似发现^[2], 说明电流的影响具有普适性. 至于其原因只是电致氢(氘)扩散还是有更深入的机理, 需要深入研究.

美国宇航局格伦研究中心(NASA GRC)的T. Benyo等人推测Pd-D₂系统产生的异常元素是在晶格中发生了光致Pd裂变反应, 如Pd → Fe + Ca或Pd → Ti + Cr, 或先发生Pd + D聚变然后产物再裂变成轻元素【A102】. 日本A. Takahashi最早提出Pd裂变的猜想以解释Ca、Zn等轻核产物, 这些年来该观点逐渐获得承认.

印度辨喜瑜伽大学(S-VYASA)的P. Ramarao等人报道了Mizuno型超热, 活性材料也是镍网蹭钯颗粒, 使用氢气或氘气. 最近9年进行了500轮实验, 其中100轮是正结果. 在相同输入功率条件下, 活性反应池表面温度明显高于参考池的. 一例超热达到输入功的30%~40%. 班加罗尔的印度科学研究所用四极杆质谱仪测了3次气体, 在Pd-H活性反应池中都观测到³He【A97】. 前两次会议上该小组也报道了类似结果, 但都没有这次详细.

在ICCF-23/24上, 印度IIT Kanpur小组报道用EDS在碳酸钾溶液中电解过的多种金属和合金阴极柱上测到显著的嬗变产物^[1–2]. 本次S. S. Lakesar等人对这些结果给与了修正, 用EDS、WDS和ICP MS分析了100多个Ni阴极柱的表面和体元素, 结果表明只有 1%~7%的组分变化, 比以前报道的少了很多【A103】.

瑞士的H. B. Winzeler在Ni-H₂系统中观测到超热. 他模拟的是意大利F. Piantelli的经典实验, 反应池是倒扣的石英管, 环形Ni片放置在反应池上部, 用水流法量热, 用高频交流加热Ni片并激发超热. 在一例15天的实验中, 第5天出现COP > 100% (COP即能效比, 即输出功/输入功比值), 并持续11天, 笔者目测COP平均值为125%. SEM EDS测量表明产生了5%~8%(质量分数)的碳【A57】. 这是少见的, 能重复Piantelli结果的实验. 此外, 感应加热法升温速率快, 值得借鉴.

3 合金-H(D)系统 3.1 Ni基合金粉末

日本早稻田大学T. Kobayashi等人在ICCF-24上报道用电磁阀实现高压氢气脉冲激发Pd-Ni-Zr(PNZ)粉末超热后, 这次发现优化气体射流喷嘴长度可提高超热. 其原理是开启电磁阀会产生氢气脉冲射流, 射流前端压力梯度越大, 超热也越大. 增加喷嘴长度, 射流前端可近似为激波且可增加超热. 在初始温度258 ℃下将氢气注入PNZ粉末中. 结果当喷嘴长度从32增加到82 cm时PNZ温升也随之增加, 最高达63 ℃. 然而, 由于粘度和导热等耗散的存在, 喷嘴长度超过82 cm后温升降低【A39, A96】. 在PNZ-H₂超热研究中, 该小组的热激发方法是独特的.

法国的J.-P. Biberian和J. Ruer等人报道了基于水滑石纳米粒子的超热【A26, A65】. 这里水滑石只是初始材料, 经过高温分解和氢气还原后的实际材料类似于日本的PNZ和CNZ, 但这里的抗烧结材料是Al₂O₃而非ZrO₂. 实验中分别使用11~12 g的Ni-Fe、Ni-Cu和Ni-Bi水滑石样品, 用塞贝克量热法测得比超热分别达到160、60和280 W∙kg^–1. 反应池最高温度不超过900 ℃, 一般而言, 升温(吸氢)即可激发超热, 但抽真空脱氢更有利于超热激发.

3.2 Cu/Ni和Pd/Ni膜

日本东北大学的J. Kasagi、T. Itoh和Y. Iwamura分别报告使用辐射量热法测得Ni/Cu多层膜在H₂(D₂)解吸过程中产生的超热及多种方法测到的核产物. 关于超热的主要结论如下: (1) 氢、氘气体超热无显著差别; (2) Ni/Cu多层膜的超热明显大于Cu单层膜的; (3) 超热几乎是常数, 80 h内无下降; (4) 时间越长, 超热的振荡性越大; (5) 短期功率降低和增加都可刺激Ni/Cu多层膜产生热脉冲【A27, A42】. 他们还发现Cu/Ni/CaO纳米多层膜脱氢过程中出现热猝发时的光辐射特征. 将两片纳米多层膜分别固定在陶瓷加热片两侧. 在抽真空并加热脱氢引发超热的过程中经常观察到热猝发, 即温度突然升高. 虽然两片样品的中红外辐射皆会最终升高, 但一片辐射量先下降, 然后才迅速增加, 随后加热器温度升高, 最后另一片辐射量增加. 说明前一片样品中产生了热猝发. 热猝发脉冲为0.1~0.6 W【A31】. 最后他们用多种手段证明Ni/Cu多层膜中产生了氧: (1) 用SEM EDS发现明显的含氧斑点, 产生超热的样品中氧含量高达33.7%(原子百分比), 而对照组样品中只有0.78%(原子百分比); (2) 用TOF SIMS分析产超热的多层膜样品, 发现反应后氧含量比反应前增加了几十倍, 分布深度可达200 nm; (3) SEM EDS和TOF SIMS得到的表面元素分布相同; (4) 样品先在700 ℃下空气中氧化, 再在氢气中还原, 检测发现氧含量不超过5%(原子百分比), 说明氧污染占比很小; (5) 用RGA发现大超热样品和小超热样品气体质谱中质量数32(即O₂)与质量数28(即CO和N₂)的比值明显不同, 也说明超热与氧产生正相关【A42】. A. Takahashi在最近日本JCF23会议上也证实, 氧并非来自于空气泄露. 这些结果表明, 目前Ni/Cu-H系统的核产物主要是O, 这是Miley多年前在长时间Ni-H电解系统中发现大量嬗变核产物后确定的另一个含H系统产物, 对机理研究有重大指导意义. 如果能分析不同氢氘比例混合气的超热与核产物并与氢气氛中对比, 则意义更大.

美国的F. Tanzella报道了布里渊能源公司(BEC)的研究进展【A30】. 所用材料是在陶瓷管衬底上形成Cu/Al₂O₃/Ni三明治结构薄膜, 在~0.3 MPa氢气氛中施加约200 V, 上升时间约3 ns的电脉冲, 脉冲重复率0.1~5 MHz. 反应器温度在200~600 ℃. 他们用6个不同的反应器, 使用了300个不同Ni镀层, 进行了2 000次实验, COP = 1.1~1.15. BEC致力于LENR商业化, 虽然COP不高, 但结果可靠, 值得重视.

3.3 康铜丝

意大利INFN的F. Celani等人继续其康铜丝-H₂(D₂)系统超热研究, 用细康铜丝, 温度最高到800 ℃, 通过在氢(氘)气中施加电流激发超热. 本次进展主要如下: (1)ICCF-23时用脉冲电流激发超热, ICCF-24时用直流激发超热, 这次直接用市电(230 V, 50 Hz)通过高功率二极管半波整流后得到的脉动直流也可激发出超热, 最大达23 W(比超热51 W∙g^–1); (2)一般康铜丝要浸泡在亚微米Cu-Ni-Fe粉(吸氢活性材料)和Ca-Sr-Ba(低功函数材料)以及一些特制的抗烧结添加剂中做表面处理. 未表面处理的康铜丝也有超热, 但幅度偏小且不稳定; (3)在氢气氛中退火有利于增加超热. (4)在氢气氛下, 升温到500 ℃以上有利于提高超热, 作者认为电子发射和表面离子化与超热有关联【A40】.

加拿大湖首大学的D. Alexandrov用光谱法测得温度高于400 ℃时康铜丝在氘气下产生明显超热, 在670 ℃附近COP可达3左右. 超热多时³He产量也大【A33】.

4 束靶反应

波兰什切青海事大学的A. Kowalska等人用正电子湮灭谱(PAS)研究发现氘束注入Zr金属样品产生了非常高的空位密度, 空位均匀分布在氘核射程之内, 正电子湮灭寿命表明是单空位缺陷. XRD和PAS测量表明氧辐照作用使空位向更深层运动, 空位扩散会降低²H(d,p)³H反应的增强因子【A81】.

波兰的N. Targosz-Ślęczka报告了USZ和斯洛文尼亚约瑟夫斯特藩研究所(Josef Stefan Institute, JSI)两小组合作的束靶实验结果, 实验特点是同时用直接运动学(direct kinematics)和逆向运动学(inverse kinematics)研究束靶反应, 前者是用轻核轰击重核, 后者是重核轰击轻核, 如²H(¹⁹F, p)²⁰F. 结果在Zr靶中, USZ发现²H(d, p)³H反应屏蔽能为100~500 eV, 而JSI小组发现²H(¹⁹F, p)²⁰F反应屏蔽能为7 keV. 用自洽介电函数理论研究核反应过程, 结果屏蔽能最大只能到734 eV. 这只是未考虑晶格缺陷情况下的结果, 实验上屏蔽能会受到缺陷的增强【A91】.

JSI的A. Cvetinović等人报道了Pd中的电子屏蔽. 特别注意到屏蔽能正比于入射粒子的核电荷数Z². 为研究电子屏蔽的影响, 特别选了两种Pd材料, 一种是退火形成的软钯, 另一种是冷轧形成的硬钯. 软钯与硬钯中²H(¹⁹F, p)²⁰F反应的屏蔽能分别为3和18 keV, 即硬钯中比软钯的高6倍. NMR测量表明, 软钯的奈特位移峰是单峰, 而硬钯是双峰, 说明后者的H不仅仅位于传统的Pd八面体位上, 也分布于缺陷和位错等处, 这应该是硬钯屏蔽能高的原因【A94】.

兰州大学的王铁山等用Li和Be金属靶进行p+⁷Li、d+⁶Li和d+⁹Be的束靶反应研究, 用Li和Be作靶可避免DD聚变研究中靶材料中D浓度不确定问题. 金属环境中的屏蔽能普遍高于理论预测, 如液态Li中的屏蔽能最大达600 eV, 在Be中为545 ± 98 eV【A90】.

美国的S. Forbes介绍了MIT束靶实验进展【A93】. 先在Ti靶中注入D形成TiD_x, 然后用Ar束激发, 结果用SSB观测到3~47 MeV的带电粒子和中子信号, 在Ar停止后的40 h内产生了1~11 MeV的带电粒子. 作者估计这些带电粒子是发生单个或两个DD聚变形成⁴He后能量通过Ti裂变产生p或α而放出的.

5 直接产生电能的装置 5.1 晶格能量转换器

晶格能量转换器(LEC)这些年受关注较多, 其特点是可直接产生电能. 如能逐步优化, 将来可能发展成发电器件. 去年笔者介绍ICCF-24时曾建议LEC研究增加热测量内容, 以鉴别输出电功率在总超功率中的份额, 确定电信号是初级效应还是次级效应^[2]. 本次会议前美国的E. Storms就报道了相关结果^[5], 他用电化学共沉积的Pd-D作为电子发射极, Pt片作为集电极收集电子, 二者密封在充D₂石英管内, 外部串联0.1 MΩ电阻测量电流. 结果表明按0.1 MΩ负载计算的电功率比热功率小10个量级左右, 即使考虑每个电子能量为100 eV(见下文), 按电子电流求得的电功率也只有实际超功率的0.2%, 说明此处的电功率是次级效应. 一个可以理解的原因是, 只有当聚变发生在近表面时电子才能脱离样品到达集电极, 热量则无论在哪里产生都可被测得. 在两电极间施加电势, 在−100~0 V间电流不变, 说明气体电离不是电流主要来源, 因为离子电流会随电压减少而下降. 当集电极电压相对于发射极为正, 施加电势等于或大于电子能量时, 电子将返回发射极, 所以电流随电压增加而减少. 结果表明大多数电子能量低于100 eV. 这也说明电子不可能来自传统化学反应. 根据超功率得到的聚变率为3.9 × 10¹⁰ s^–1, 而逃逸电子数为6.2 × 10¹¹ s⁻¹, 如果这些电子由聚变产生, 那么发射电子数要远多于聚变数.

美国Inovl公司的F. Gordon和H. Whitehouse报告了LEC研究的两大进展: 一是用液体、凝胶或固体电解质取代气体, 增强导电性, 减少离子对产生所需能量; 二是把Pd-H颗粒混合到电解质中, 增强自发电离, 从而增加电解质中离子数. 结果在负载为100 Ω, 温度约20 ℃时峰值功率为0.478 mW (> 100 μW∙cm⁻²), 比ICCF-24报道的功率增加了2~3个量级. 本次报道内容偏向机理研究, 但离子产生机制仍不明确, 需深入探索【A107】.

西安秋然实验室的张航重复了LEC实验结果【A64】, 其关键是使用电化学方法沉积活性层并直接装入LEC内, 不可预先干燥.

5.2 催化聚变装置

匈牙利的G. Egely和S. Domoszlai分别介绍了催化聚变(https://www.catalyticfusion.com/)及所用热测量方法【A99, A100】, 此处一并介绍.

Egely所用装置的核心是一个火花放电管, 电极是边缘和表面经粗糙化处理的铝柱, 电极间距为毫米级别并可调节. 作者试验过钢、铜、钛和黄铜等材料, 发现成分的微小变化和表面处理都会引起性能变化. 催化聚变的电路主要由三部分组成: 最前面的输入部分包括三节AA电池、一个驰张振荡器和电容器形成的脉冲电路, 中间是氢(氘)气体火花放电管, 最后是输出部分(如电阻等负载). 现象可简述如下, 当脉冲电压超过放电管的击穿电压后开始放电, 放电低于某个电压时重新开始充电-放电过程. 放出电功率多于输入电功率, 峰值电流kA级, 脉冲时间短于1 μs, 峰值电压1~2 kV. 因为条件限制, 他们研发了一种间接方法进行热测量, 把输入电阻和负载电阻分别放入一个可以监测温度的充油玻璃管中, 先在不同脉冲放电条件下测量功率与温度的关系, 实际工作时可通过负载电阻的温度获得放电输出功率, 因为放电时气体放电管本身产热, 所以即使COP~1也意味着产生了超额电能.

作者曾使用纯(湿)氢气、纯(湿)氘气和湿空气作为放电气体, 发现纯H₂(D₂)并非最好, COP = 2.5~3, 有时更高. 剑桥大学用拉曼谱测量阴极发现生成了碳化硼, 可能是多步聚变过程生成的. 最近, 英国的ENG8公司用水蒸气实现了COP~5的电能输出(https://eng8.energy/).

Egely的催化聚变前几年叫尘埃聚变(dust fusion), 是在过去一个多世纪中反复发现但稀有人关注的现象. Egely重复出前人的结果, 其反应物可以是碳粉等尘埃, 也可以是氢气或水蒸气. 作者认为形成了K. Shoulder所说的奇异真空体(Exotic Vacuum Objects, EVO)或其他人提到的凝聚等离体子体团(condensed plasmoids)等高密度电荷团簇. 团簇可屏蔽库伦排斥力, 导致质子与电子生成热中子, 热中子进一步与其他核发生反应.

6 其他体系核异常 6.1 超声空化

台湾大学的黄秉钧小组在前几届会议上介绍过蒸汽压缩空化(VCS)产生超热与核产物的结果, 本次报道气体质谱. 在14个采样中, 当出现超热时都测到类似的质谱, 谱峰都在m/z < 50范围内. 效应最显著的是测到m/z 44的二氧化碳, 为进一步验证其产生, 在测量质谱前令气体经过Ca(OH)₂吸收层, 结果m/z 44信号显著降低, 说明确实是CO₂. 另一个核产物是²²Ne, 因为CO₂²⁺也是m/z 22, 所以也用Ca(OH)₂吸收层来比较, 结果表明不影响²²Ne信号. 还有一个核产物是¹⁷O, ¹⁷O表现在m/z 19(即H₂¹⁷O⁺)、m/z 33(即¹⁶O¹⁷O)和m/z 45(即C¹⁶O¹⁷O), 只有产超热的气样中这些信号才显著, 无超热的很小. 作者推测¹⁷O是H-¹⁶O聚变产生的, 而¹²C和²²Ne是2个¹⁷O聚变的产物【A95】. 黄秉钧组的实验是美国R. Stringham的Ti-D₂O超声研究之后的第二个系列空化结果, 进一步证明空化也是一种LENR触发方式.

6.2 奇异核径迹

早在1993年, 日本的T. Matsumoto就注意到LENR会在固体表面产生奇异核径迹, 这些径迹表现出周期结构, 但多年来这类结果缺乏深入研究, 本次会议上有3个学者讨论了相关问题.

乌克兰的A. Ivanchuk把空白DVD放在30个废旧汽车火花塞5 cm远处, 保持1周. 结果在DVD表面发现了微小的链条状径迹, 而对照DVD上无径迹. 有意用铁丝、沙粒和室内灰尘刮擦, 发现只有把2片DVD静置1周后相互摩擦, 表面积存的室内灰尘可以产生类似的周期性径迹. 作者估计火花塞旁DVD径迹是LENR产生的未知力推动气溶胶粒子产生的, 力大小为0.01 N量级(即1 g的力). 在第二个实验中, 将干净DVD装在塑料光盘盒内分别放置在汽车内不同位置然后发动机空转3 h, 结果发现只有在发动机上方和排气管附近的DVD上出现径迹. 这是一种未知力把灰尘颗粒压在DVD上并移动而留下细长的灰尘颗粒线【A52】.

这不是该类实验的第一次报道, 2002年时俄罗斯的L.I. Urutskoev等就报道了Ti片电爆炸过程中生成的奇异径迹^[6]. 哈萨克斯坦Satbayev大学的V. Zhigalov与俄罗斯的A. Parkhomov总结生成径迹的形式主要有真空放电、水中放电、辉光放电、电弧放电、Ni-H反应器、电解、白炽灯、激光和旋转物体等好几种. 特点是径迹只出现在材料表面; 一些是周期性的, 但结构各异; 相同的结构成群出现; 离反应池距离小于20 cm; 形成径迹的时间跨度很大, 短的以秒计, 长的以周计. 他们用300 W的卤素灯放在石英管中, 用循环水冷却, 把7张光盘放在不同位置, 其中只有离得最近(7 cm)的光盘产生了共38 cm长的径迹, 其次是灯上方(距离12 cm)的光盘产生了共5 cm长的径迹, 其他5张光盘产生的径迹很少. 作者估计周期性径迹是几十微米直径的粒子在表面翻滚形成的, 而光滑径迹是几个微米直径的粒子沿表面平移, 加热聚碳酸酯到熔点(约300 ℃)以上形成的【A105】. 在会后的google CMNS论坛上, J. Rothwell说DVD类似于塑料径迹探测器CR39, E. Storms认为这些奇异径迹就是K. Shoulders提出的EVO.

英国马丁弗莱希曼纪念项目(MFMP)的R. W. Greenyer报告用分形环形矩(Fractal Toroidal Moment, FTM)理论来解释LENR【A109】. 圆周电流形成磁矩, 封闭的螺旋形电流形成环形矩, 环形距是相对于偶极矩和四极距而言的. Greenyer认为FTM是一种特殊的, 呈环形或球形的磁流体结构, FTM不仅导致LENR和T. Matsumoto早年观测到的径迹, 也是球形闪电和EVO的起因. FTM是美国等离子体物理学家W. H. Bostick于1950年代提出的等离子体团(plasmoids)概念的发展, 等离子体团就是一种环形磁流体.

7 总结

总而言之, 本次会议的主要进展如下: (1) 含氢金属(如钯)或合金(如康铜丝)的超热正比于其中的电流; (2) Ni基金属多层膜和Ni基纳米复合材料-氢气系统在高温条件下采用功率变化、气压脉冲或抽真空脱氢等方式可激发超热, Ni/Cu/CaO多层膜在出现超热前的温度短时间降低可以作为一种前驱现象, 值得重视, 氧元素是含氢系统的主要核产物; (3) 各种材料的束靶核反应深入研究表明材料的晶相特征对核反应截面有显著影响; (4) LEC和Egely催化聚变装置预示着将来核能可直接转化为电能, 跳过核电和托卡马克必须的“烧开水”环节; (5) 金属-水系统的蒸汽压缩空化过程不仅产生超热, 也产生类似金属-氢系统的核产物; (6) 某些非含氢系统(如含碳粉粒子的尘埃聚变, 卤素灯)也会发生LENR或在附近固体表面产生奇异粒子径迹, 该结果不仅超出传统核物理, 也超出目前的多数LENR实验范围, 还需要独立证实和深入研究.

致 谢: 田中群院士和吕功煊研究员提出重要修改　　　意见.