研究称钯和钛金属箔内可在超低能量下持续发生氘核聚变

美国研究人员在钯和钛金属薄箔中观察到一种低能氘核聚变现象：当入射氘核能量降至通常认为聚变反应应大幅减弱、甚至接近停止的水平时，聚变反应仍在持续发生。实验显示，随着入射能量降低，聚变速率并未继续指数式下降，而是在约2千电子伏特以下进入平台区。在最低探测能量下，实测低能聚变速率比孤立原子核模型预测值高出10^18倍以上。

图片由玛丽娜·莱特/加州大学戴维斯分校提供

相关研究由加州大学戴维斯分校 (University of California, Davis) 和劳伦斯伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory) 团队完成，成果发表在《自然通讯》(Nature Communications) 上。研究人员认为，金属中的电子、晶格缺陷以及局部高浓度氘环境，可能共同改变了核反应发生条件。不过，团队同时强调，即便相对增强幅度很大，当前绝对聚变速率仍远低于能源利用所需水平。

核聚变要求带正电的原子核彼此接近，但原子核之间存在库仑斥力。在等离子体聚变研究中，反应堆通常需要在对应约10千电子伏特碰撞能量的温度条件下运行;能量继续降低后，聚变概率会迅速下降。量子隧穿效应使原子核在低于经典势垒能量时仍有机会发生反应，但在低能区间，这一概率通常极低。

与等离子体不同，固体金属内部存在复杂的电子和晶格环境。加州大学戴维斯分校研究人员杰里米·蒙迪 (Jeremy Munday) 表示，金属晶格中的电子、缺陷以及高浓度氘可能形成传统等离子体中不存在的反应环境。金属电子云可在一定程度上屏蔽原子核之间的斥力，使原子核更容易接近。这类“电子屏蔽效应”自20世纪90年代以来持续受到关注，但其微观机制尚未完全厘清。

实验装置采用一种膜反应器，将厚度约0.25毫米的金属箔置于两种环境之间。一侧为电化学池，通过类似电池充电的过程将氘从液相注入金属箔;另一侧为真空环境，氘离子束轰击同一片金属箔，并进入箔材近表层。每次聚变反应会产生高速质子或中子，研究团队分别利用独立探测器进行记录，并通过背景测量和对照实验排除干扰信号。

实验结果显示，在钯和钛两种金属中，当入射能量降至约2千电子伏特以下时，聚变产额出现平台区。通过电化学方式额外向金属中引入氘后，产额约增加一倍。研究人员认为，这说明材料环境并非只是被动承载核反应，而可能主动影响低能核反应过程。

波兰什切青大学 (University of Szczecin) 核与医学物理学教授康拉德·切尔斯基 (Konrad Czerski) 认为，这一结果与其团队此前在欧洲CleanHME项目中获得的发现相互印证。他表示，其团队曾使用不同方法在锆、钯和钛中观测到类似平台区，其中钯的数据与美国团队结果吻合较好，但钛的数据仍存在差异。

对于平台区的成因，研究人员之间仍有不同解释。美国团队倾向于认为，箔片受损表面层可能带来异常增强的屏蔽效应;切尔斯基则认为，平台区与普通热能下金属中氘的聚变有关，并不一定意味着屏蔽能发生变化。

蒙迪表示，下一步关键在于确认低能平台区的微观来源，包括电子屏蔽、表面损伤、氘在金属中的迁移和捕获方式等因素的作用。美国团队还计划研究光照或晶体振动是否会影响反应速率。就近期应用而言，研究人员认为，小型中子源比聚变发电装置更接近现实。