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核聚變是太陽的能量來源。它所能釋放的能量比核裂變更為強大,產(chǎn)生的放射性廢物也更少。因此,在地球上實現(xiàn)核聚變,有望為人類帶來取之不盡的清潔能源。
然而,要實現(xiàn)聚變,就必須讓兩個原子核以極高能量正面碰撞,而目前的聚變反應堆尚不足以產(chǎn)生足夠的碰撞,進而無法釋放出比其消耗的更多的能量。
現(xiàn)在,在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中,一個研究團隊利用一個小型的臺式反應堆,證明了通過電化學手段可以提升聚變反應堆中的碰撞率。
氘燃料與冷聚變爭議
在聚變研究中,物理學家經(jīng)常使用氫的重同位素,如氘(D)作為燃料。因為和普通氫相比,重同位素更容易達到觸發(fā)聚變所需的條件。
通常,核聚變是在極端高溫高壓的條件下實現(xiàn)的。但還有一種可能實現(xiàn)聚變的方式是:使用更小型的反應堆,并將離子束引向某種靶材上。
早在1934年,科學家就首次演示了氘-氘聚變,當時他們使用高能氘離子束轟擊一個涂有氘化物的固體金屬靶。
到了1989年,有科學家聲稱,他們在常溫常壓下,用鈀(Pd)陰極對重水進行電解(D?O)時,檢測到超出常規(guī)解釋的“異常熱量”。他們認為,多出來的熱量源自于氘離子發(fā)生了核聚變。但由于這些實驗結(jié)果一直沒能得到其他研究的驗證,因此“冷聚變”最終被認為是不可靠的。
聚變的新思路
不過,科學家們并沒有停止探索新的途徑。在新的研究中,研究人員就轉(zhuǎn)而采用了一種完全不同的路徑:他們將鈀作為金屬靶,用電化學的方法,在常壓下把高濃度的氘注入鈀,然后再用氘離子束轟擊。
一個由銥陽極(+)、鈀陰極(?)和重水構(gòu)成的電化學電池。(圖/Nature)
具體來說,他們在重水浴中構(gòu)建了一個由銥(Ir)陽極(+)和鈀陰極(?)組成的電化學電池。在陰極表面,電子與重水分子發(fā)生反應,將重水分解為氘原子(D)和氘氧離子(OD?)。氘原子隨后迅速擴散進入鈀晶格。
利用電化學,他們能將更多的氘擠入金屬鈀中,從而在常壓條件下也實現(xiàn)了更高的氘/鈀比。一伏特的電壓便能達到通常需要800個大氣壓才能實現(xiàn)的效果。
結(jié)果顯示,用電化學方法把氘加載到鈀靶中,氘–氘聚變反應率比僅僅用等離子體場加載鈀時,平均提高了15%。而且與“冷聚變”實驗依靠測量熱量作為證據(jù)不同的是,這項研究直接探測到了中子和γ射線,從而驗證了聚變的發(fā)生。
從實驗臺到未來能源
研究人員表示,雖然他們尚未實現(xiàn)凈能量增益,但這一方法顯著提升了聚變率,而且具備可重復性,便于其他研究者在此基礎上繼續(xù)拓展。雖然提升幅度有限,但這是首次通過等離子體浸沒離子注入與電化學加載相結(jié)合的方式,實現(xiàn)氘-氘核聚變。
研究人員表示,他們希望這項工作能將核聚變研究從大型國家實驗室?guī)У狡胀▽嶒炁_上。這一方法結(jié)合了核聚變、材料科學與電化學,搭建了一個能夠系統(tǒng)調(diào)控燃料加載方式與靶材的平臺。他們視之為一個起點,期待學界在開放而嚴謹?shù)奶剿骶裣虏粩嗟透倪M。
##參考來源:
https://science.ubc.ca/news/2025-08/researchers-use-electrochemistry-boost-nuclear-fusion-rates
https://www.nature.com/articles/d41586-025-02254-x
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09042-7
#圖片來源:
封面圖&首圖:The University of British Columbia.
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