1 会议简介

ICCF是低能核反应（LENR, 也称为凝聚态核科学或化学辅助核反应）领域最重要的系列性国际会议, 第23届国际凝聚态核科学会议（ICCF-23）已于2021年6月9~11日召开^[1]. 本次会议由厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室和嘉庚创新实验室承办, 田中群院士组织. 因疫情持续影响, ICCF-23以线上会议方式进行. 共有33个国家的433名代表参加了本次会议, 这是历届ICCF中参会人数最多的一次, 其中国内与会代表193人, 美国代表111人, 其它分别为日本20人, 印度16人, 意大利14人, 俄罗斯11人, 加拿大和法国各9人, 瑞士7人, 英国6人, 其余23个国家和地区分别有1~3人. 会议共收录摘要86篇, 安排了46个口头报告和40篇墙报. 报告视频可在会议网站上观看, 摘要集可从网上下载, 作者所述内容大多来自视频和摘要集^[1], 不再一一标注其来源. 感兴趣的读者可浏览会议网址^[1].

下届会议ICCF-24将于2022年夏天在美国硅谷举办, 会议网址是https://www.iccf24.org.

2 Pd-D（H）系统 2.1 Pd-D₂O（H₂O）系统

美国E. Storms把钯微粒压成硬币大小的圆饼, 孔隙率约50%, 先在900~1000 ℃真空中加热数小时, 然后在 > 400 ℃的空气中氧化数小时后自然冷却, 在D₂O电解和D₂中都用塞贝克（Seebeck）量热计测得超热. 量热在24 W内的标准偏差小于8 mW. 结果表明, 如果样品未在空气中氧化则不会产生超热. 钯粉压饼在D₂O电解条件下最大超热达0.3 W（比超热约200 W/kg-Pd）, 在D₂中达0.25 W（比超热约170 W/kg-Pd）. 钯粉压饼与以前钯体材超热随温度变化的行为类似, 都在28~31 ℃出现活化能转变. 镍粉在D₂中也产超热, 最高达0.5 W（比超热约500 W/kg-Ni）, 超热也随温度增加而增加, 在72 ℃出现活化能转变. Storms得出结论, 即只有在低温区产生超热才需要高的D/Pd, 高温区D/Pd到0.01就够了. 此外, 高温区固体Pd超热受限于D在Pd中的扩散, 所以活化能与D扩散活化能相同, 而钯粉压饼中扩散不成问题, 所以活化能显示的是其他速率控制步骤的. 该结果具有多重意义, 首先说明纳米和介观材料有利于超热产生, 这是日本Y.Arata和意大利A.Rossi的粉末材料在H₂（D₂）中产生超热以来第一次用纳米或介观材料电解产生明确超热的实验, 其次证明了氧化物在超热产生过程中起关键作用, 还说明Pd-H和Ni-D皆可产生超热而不必限定于Pd-D和Ni-H体系.

美国密苏里大学的G.K.Hubler小组使用开放电解池并用水流法量热, 热本底噪声约5 mW. 阴极是细长Pd片, 溶液中添加直径9 nm的Pd粒子, 产超热的电解液是0.1 mol/L LiOD轻水溶液, 用25 mA电解, 输入功48 mW, 电解到160 h时超热趋于稳定并维持不变. 在58 d内, 稳定超热达90 mW（比超热约94 W/kg-Pd）, COP（Coefficient of Performance, 能效比, 即输出功率与输入功率比值）约2.9, 总超热453 kJ（比超热约5×10⁷ J/mol-Pd或500 eV/atom-Pd）. 多数时间内D/Pd = 0.65 ~ 0.7. 产超热的Pd阴极上明显有颗粒状沉积, 其他电解池中则没有. 他们尝试过LiOH+H₂O、LiOH+D₂O和LiOD+D₂O电解液, 一些产生过最多60 mW（比超热约62 W/kg-Pd）, COP = 1.2 ~1.6, 持续几个小时到几天的超热. 使用LiOH+H₂O电解液无超热. 在LiOD+D₂O电解液中尝试过50 nm Pd粒子, 3 nm Au粒子加磁场极化, 50 nm Pd镀Fe和50 nm Pd镀Ni, 皆无超热. 该小组结果再次说明Pd-H系统并非超热的禁区, D/Pd比也不需要所谓产生超热的高阈值要求.

H.Zhao和W.-S. Zhang（赵辉和张武寿）用塞贝克量热计测得M.H.Miles提供的Pd合金阴极电解重水产生的超热, 发现Pd-B确实比Pd-Cu重复性好. 此外还发现用Pt阴极电解D₂O和H₂O时都观测到超热, Pt电解D₂O最大超热是79 ± 12 mW（比超热约1.10±0.17 kW/kg-Pt）, 重复性12/19; Pt电解H₂O最大超热是156 ± 12 mW（比超热约2.20±0.17 kW/kg-Pt）, 重复性3/3. 该结果的最大意义是用量热计直接证明Pt阴极电解D₂O（H₂O）也可产超热, 虽然以前有类似报道, 但一直无重复性结果.

2.2 Pd-D₂（H₂）系统

美国的F.E.Gordon报道了“晶格能量转换器”, 其装置是镀钯膜与黄铜管构成对电极, 管中充入氢气, 可持续产生0.1 ~1 V的电压, 温度越高, 电压越大. 该结果是法国F.David“聚变二极管”的进一步发展, David的装置在氘气氛下输出电压可达0.4 V, 氢气中略小, 氩气中几乎没有. 如果该装置能进一步证实超热产生并与核产物一一对应, 那么这意味着将来的LENR可直接转化为电能, 不再需要通过热机.

美国的G.H.Miley报道了Pd-ZrO₂+H₂系统的超热. 结果是样品量越大, 超热越多, 但与气压关系不明显. 这再次说明Pd-H系统也可产超热且与H/Pd关系不大.

法国J.-P. Biberian在1 cm²的氧化硅基底上先后沉积Cr膜和350 nm厚Pd膜, 在0.2 MPa的H₂中用650 nm激光照射3 month后形成直径约200 µm的轮胎形黑斑. 用SEM-EDS分析样品, 结果黑斑中心处3个点都存在N、O、Na、S、Mg、Fe和Ni, 轮胎形圆圈上3个点也存在明确的N、O、S和Ni, 而Fe水平较低, 黑斑外3个点则主要是Pd. 在氘气中处理的样品未见黑斑.

俄罗斯的I. Savvatimova用Pd和Ni片分别在D₂和H₂中辉光放电40 h, 用ICP-MS测量发现Pd片表面的重元素Pt和Pb减少. 放电前没有的W放电后出现了, 作者认为是Pt与D反应生成了W. Ni片在放电后表面Fe、Zn和Cu杂质减少, 而⁵⁴Fe同位素丰度增加了约3倍, ⁶⁴Zn同位素丰度增加了一倍, ⁶³Cu丰度也增加, 且都是最轻同位素增加最多.

3 Ni-H系统

印度的A. Kumar等使用纯Ni、纯Cu、Ni-Fe合金和Kanthal合金作阴极, 1 mol/L K₂CO₃水溶液作电解质. 纯Ni在水中电解后用EDS和WDX都测到表面产生了Cu、Mg和Fe. TOF-SIMS测量表明这些元素分布在距表面200 nm深度内, 铜同位素与天然值不同. 纯Cu、Ni-Fe和Kanthal合金电解后的元素测量表明, 合金电解时间比纯金属少一个量级, 可见更容易发生核嬗变.

日本的H.Yamada用塑料管作电解池, 电解液是Li₂SO₄+H₂O, 底部是5 μm厚镍膜阴极, 镍膜下是闪烁体, 在暗室中统计闪烁次数. 结果发现闪烁频率随电流值而增加, 160 mA电解时闪烁频率为0.9/h, 对照实验中闪烁频率只有0.1/h, 即电解能显著提高闪烁频率, 是电解中发生LENR产生 > 3 MeV带电粒子引起的闪烁.

俄罗斯的A.Klimov用Ni阴极水中等离子体脉冲放电, EDS和ICP-MS测量发现杂质元素Fe、Cu、Si、Ca等减少乃至消失. 该实验与上述Kumar的结果正好相反, 前者在电解体系中观测到Cu和Mg杂质含量的增加, 当然二者化学条件不同.

意大利的U.Mastromatteo用0.125 mm厚镍带, 两侧各电沉积200 nm厚钯膜. 结果在室温下真空室中充入氢气后压力明显下降, 根据体积与气压变化求得H/Ni = 0.6, 这是纯镍片不曾发生过的现象. 此外在吸氢开始后还观测到比本底高80%的中子信号, 并维持了好几个小时. Ni-H系统超热报道过不少, 很多人只是猜测Ni大量吸氢, 但无明确证据. 如果该结论得以进一步证实, 意义很大.

4 合金-H（D）系统

日本已用相同样品多家独立重复的方法交叉验证了超热, A. Takahashi综述了其结果. 最好样品产生200 W/kg超热并持续数周, 反复煅烧可显著提高PNZ（Pd-Ni/ZrO₂）和CNZ（Cu-Ni/ZrO₂）的超热, 使用氢气或氘气, 压力0.1~1 MPa, 室温到500 ℃皆可产生超热. 在2018年ICCF-21以后, 有16个小组验证了超热, 产生了比Pd吸H所放热量高10 000倍的超热, 典型值是2×10⁸ J /mol-D, 一般煅烧3次后超热趋于饱和. 对于CNZ样品, 温度越高, 超热越大. 用小样品在差示扫描量热计（DSC）上也测到超热. 该结果的意义是再次证明氧化有助于超热产生.

日本东北大学的Y. Iwamura和J. Kasagi等人在Ni片上交替沉积6层Cu（2 nm）/Ni（14 nm）多层膜, 先烘焙, 然后在250 ℃条件下充入200~300 Pa氢气并维持约15 h, 再迅速加热（500~900 ℃）并抽真空, 结果有氢气时观测到21 keV/atom-H或2.0 GJ/mol-H的超热. 只用纯Ni片时无超热. 他们采用辐射量热法, 当样品温度从669增加到719 ℃时, 有氢样品辐射比无氢样品增加6.2%, 对应于6.0 W的超热. 除了稳态超热外, 还有脉冲超热, 不同位置测温表明超热来自表面层, 脉冲超热还伴随核辐射. 温度越高, 超热越大. 初步证据表明, 氘气也可产生等量超热. 从科学角度而言, 薄膜上的异常反应比大量粉末样品更容易定位并进行深入机理研究, 所以值得重视.

早稻田大学K. Naitoh组报道了小体积反应釜中镍粉和Pd-Ni-Zr粉的温度变化. 一例结果是3 g镍粉在240 ℃, 0.5 MPa压力下使用氢气比氮气的高4 ℃, 而Pd-Ni-Zr粉的要高12 ℃, 温度和压力升高都促进异常温升. 虽然没有超热数据, 但该结果从侧面证明Pd-Ni-Zr粉的有效性.

有两小组独立重复了T. Mizuno的超热结果. 印度辨喜瑜伽大学（S-VYASA University）的P.Ramarao等人使用类似于Mizuno的镍网附钯作活性材料并通过气流量热法测量热功率. 输入50到300 W时皆有超热, 一例结果是输入50 W时COP =1.98. 氢气与氘气结果相差无几. 西安秋然实验室的H. Zhang（张航）采用塞贝克量热计并用水流式量热做辅助测量, 结果表明在10 Pa氘气压力下, 外径3 mm, 壁厚0.5 mm, 长5 m的不锈钢管镀约1 µm厚钯膜产生1.5~2.5 W的连续超热（比超热约1.6 ~ 2.6 kW/kg-Pd）.

5 束靶反应和核嬗变

束靶反应截面或屏蔽能异常升高是LENR的另一面. 波兰K.Czerski的结果表明晶格缺陷和杂质导致屏蔽能增加, 但靶表面杂质导致屏蔽能降低. 兰州大学T.-S.Wang（王铁山）组用锂靶代替金属含氘靶, 结果表明液态锂靶的核反应产率明显大于固态靶, 如⁶Li+d反应屏蔽能增加了235 eV, 而⁷Li+p反应屏蔽能增加了140 eV, 液态锂靶上⁶Li（d, α）⁴He反应屏蔽能随温度增加而降低. 这些结果皆说明化学环境对核过程有明显影响, 正属于化学辅助核反应的研究范畴.

俄罗斯的A. Kornilova与乌克兰的V. Vysotskii在厌氧基上进行生物核嬗变实验, ICP-MS证明21 d培养后Sr浓度明显降低而Y同位素浓度增加, 是⁸⁸Sr + p = ⁸⁹Y反应所致. 此外, 还发现K浓度降低而Ca浓度增加, 是³⁹K + p = ⁴⁰Ca反应. 该结果与国内吕功煊等^[2]在化学条件下观测到的结果相同, 说明比轻核聚变（如D-D）更难的聚变反应也可以发生.

6 材料学和热测量

厦大Z.-Q.Tian（田中群）认为, 可能的LENR往往发生在通过热、电、光、粒子脉冲引起的金属（合金）体相内部的非平衡态条件下（部分晶格发生不可逆的显著畸变）, 迄今尚无法可控地创建和表征这些凝聚态物质内的活性位点结构和动力学行为, 这很可能是LENR重复性很低的主要原因, 也是对凝聚态科学的一个挑战. 纳米材料则不同于大块体材, 可以很方便地采用化学方法将实验后的粒子全部溶解, 再重新合成用于下一批重复或对比实验的新鲜纳米粒子. 此外, 各类形貌和组分（如, Pd、Ni、Li）的纳米结构可理性设计组合, 并开展系统的基础研究. 为此, 他和J.-F.Li（李剑锋）团队通过电化学原子层沉积（EC-ALD）方法, 在不同金单晶表面上覆盖1、3、5层钯原子层, 并采用电化学、拉曼光谱和理论模拟对其吸氢性能进行了较系统研究, 发现Pd膜在吸H（D）后的~180 cm^-1的拉曼谱峰发生位移至~190 cm^-1, 但不完全符合理论模拟得到的Pd、PdH和PdD声子能谱, 其原因尚待进一步研究. 国内外多人关注于Pd-H（D）声子谱与LENR的联系, 如能从材料学获得突破, 也是一条蹊径. D.-P.Zhan（詹东平）报道了氢原子在石墨烯表面的电吸附, 发现通过Pt催化剂“溢流-表面扩散-化学吸附”的途径可使表面H/C达0.875, 有助于理解材料吸氢过程.

日本J. Kasagi等通过测量3种不同波长的强度来确定辐射光谱, 进而计算总辐射热功率, 比意大利A.Rossi在Lugano实验中所用辐射量热法更加严谨可信, 近年来LENR反应温度越来越高, 该方法可用于高温反应热功率准确测量. 近年来塞贝克量热法广泛用于LENR研究, W.-S. Zhang（张武寿）介绍了可把塞贝克量热计分辨率提高2个量级的卷积降噪技术, 该技术有利于微弱热信号识别. 另外, H. Zhang（张航）发现塞贝克量热计中的热电模块先并联再串联后信号稳定了很多. 这些技术都从不同侧面推进了LENR中的量热研究和超热测量.

7 凝聚态核科学形势及相关问题

虽然LENR在学界仍有争议, 但近期的一些消息还是鼓舞人心的. 今年4月, Science杂志刊登了125个科学问题, 其中冷聚变（LENR的俗称）是3个能源问题之一, 这对LENR工作的开展也是一种促进, 田中群院士在开幕式上也强调了这一点.

波兰的K.Czerski介绍了他负责协调的欧盟CleanHME（Clean Energy from Hydrogen-Metal systems）项目, 该项目包括17个小组, 目标是结合气相实验和加速器实验, 寻找最佳材料, 实验可检测到核产物, 理论能解释核产物, 建造最佳HME反应釜. 这是迄今为止在政府层面最大规模支持LENR的计划.

相对而言, 美国的支持以民间和企业为主, 如前几年的Google和一直支持冷聚变的Industrial Heat公司. 最近NASA在支持LENR, 相关人员也参加了会议.

8 存在的问题和挑战

总而言之, 虽然LENR研究体系越来越集中于纳米或介观合金-氢系统中, 超热重复性和效应显著性也越来越高, 嬗变模式也越来越清晰, 但凝聚态核科学整体上仍处于探索之中, 需要在具体的体系上得到明确的超热-核产物关联证据且实现第三方独立可重复. 就世界研发形势而言, 日本处于第一方阵, 合金-氢气系统超热研究远远领先于其他国家. 美国处于第二方阵, 以面广人多占优势. 我国亟待加强人力和资金的支持, 否则很可能与LENR这一巨大科学突破和能源应用失之交臂.

致谢: 田中群院士和吕功煊研究员提出重要修改意见.