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核融合一直是個頗受矚目的技術，其中長久以來研究難有進展的「冷核融合」（cold fusion）究竟是不是騙局？這個問題在近年被找出了答案，不但如此，新發現也為核融合帶來嶄新的研究方向，甚至有機會超越現行的核融合研發。此新的方向並不是原始冷核融合裝置的衍生，而是一個嶄新的做法，稱為「晶格束縛核融合」（lattice confinement fusion）。本文接下來將介紹這個新的核融合方式到底有什麼特質，它的展望又是如何？

從難以重現的冷核融合到核融合新技術

話說從頭，「冷核融合」是指在常溫常壓下也能發生的核融合的統稱，這項研究風潮來自在30多年前美國猶他大學（University of Utah）兩位物理教授弗萊希曼（Martin Fleischman）與龐斯（Stanley Pons）的研究發表。他們只簡單的用了一個玻璃瓶子，在裡面設計了電解裝置，把氘原子（deuterium, D）大量吸附在鈀金屬（palladium, Pt）中，當時裝置中出現了異常的能量釋放，因此研究人員認定這樣的設計可使氘原子高密度集中，而產生核融合。他們的發表造成了一股旋風，那時的物理界曾認為此裝置設計有機會成功實現核融合，所以很多人紛紛投入研究希望能複製這個物理現象。

但是這30多年來，大家的成績並不理想，能夠觀察到冷核融合的案例並不多，而少數成功的實驗中，執行者也說不出個所以然來他們為什麼會成功。後來冷核融合這個主題常被專業人員詬病難以複製。而猶他州的那兩位教授也保持低調，主要原因也就是因為成功的機率太低，因此用冷核融合來執行具有一定規模的核融合，在多數科學家心中已經失去了基本的可能性。

雖然冷核融合難以真正成為核融合研究的主流，卻也並未被完全視為騙局。當時的研究意味著，科學家在冷核融合上並未掌握到主要的現象以及控制此物理現象的變數，但也沒有人收集到確鑿證據可以認定冷核融合根本不存在。由於研究人員長期無法看到可以掌握的成果，研究經費也自然逐步漸少，久而久之，這個議題就不再被多數科學家追蹤，這個話題也就慢慢被人擱在一邊，而很少再提及。但冷核融合這個歷經許多年的謎團，仍有許多問題沒有答案，因此還是有少數幾位科學家仍然不停研究、繼續探索、不棄不離。在這幾十年裏，冷核融合雖然看似個懸案、沒有進展，但是它的存在仍然沒有被完全否定，形成一個耐人尋味的局面。

終於，這個謎團在近兩年開始慢慢解開，這是個新進展也注入了新的研究方向，剛出爐的成果也被肯定，同時可看出一些冷核融合其原來科學性的端倪，與失敗的原因。這一切，又讓某些人對核融合產生了新希望。這個新的核融合方式就是「晶格束縛核融合」，與冷核融合並不完全相同，只是在初步準備工作上，部分特質有幾分相似。

核融合的基本原理：把氘融合在一起

接下來我們將簡單談一下核融合的基本原理，再來了解晶格束縛核融合的物理基礎與能夠成功的原因。

氫元素的同位素「氘」有個特殊的核子特質，若兩個氘原子能夠足夠靠近，就容易融合在一起變成氦元素；同時會有一小部分質量被轉換成能量，在這個過程中能量釋出的幅度頗為可觀。由於這類核反應副產品的輻射量微乎其微，因此極度受到歡迎，被視為發電的最佳選項，也促使科學家在這方面孜孜不倦的做研發，希望有一天能夠成功，給人類帶來綿綿不斷的能源。

雖然兩顆氘原子有容易融合在一起的特性，但是也必須先要使兩粒氘原子靠得夠近，才能讓核融合發生。問題是要讓兩顆氘原子互相靠近並不容易，因為氘原子的中心有顆質子，帶有正電荷會互相排斥，要使兩個正電荷靠近得大費周章。其中一個做法是使用磁鐵核融合裝置，應用磁力把兩顆互相排斥的原子壓緊在一起，克服它們電荷的排斥力，使兩者靠得夠近，而產生核融合反應。

如托卡馬克環磁機（Tokamak）這型裝置就會提供強力磁場，基於電磁學上，所謂的電動生磁、磁動生電，能夠讓一連串的動態電磁力有效的加諸於氘原子核上，從四面八方來壓縮它們，使它們就範。換言之，這方法用的是蠻力，硬把兩個互相排斥的氘原子壓緊而靠近，以產生核融合。所以在這4、50年來，這方面的發展就是不停的加大磁場，用加強電流來產生更強的磁場，使氘原子更容易受制，而形成核融合。若有一天這類磁鐵式核融合技術成功，蓋成一個核融合電廠的時候，那將會是一個巨無霸的發電廠。

圖一｜將許多氘原子安置於金屬晶格內

晶格束縛核融合成功的關鍵與原理

弗萊希曼和龐斯的冷核融合裝置與晶格束縛核融合的實驗裝置都很小，兩者基本起步的設計概念相似，只是冷核融合，在執行的過程中少了一樣重大配料，所以一直沒能成氣候。在詳細敘述新方法為何成功之前，先談一下兩者的共同點。

這兩者一開始都是一組電化學裝置，氘原子位於電解溶液中，通電後氘原子會吸附填滿於金屬原子排列的間隙中（圖一）。冷核融合的金屬主體為鈀；而晶格束縛核融合則是使用鉺（erbium, Er）或鈦（titanium, Ti），但同樣是透過通電把許多氘原子密集的安置於金屬內。到此處與冷核融合的基本設計相同，但下一步晶格束縛式的做法卻有所不同，理論基礎也開始分岔，兩者的效果就有了南轅北轍的區別。

冷核融合過去主張的將大量氘原子吸附於金屬內，究竟能不能促進核融合產生呢？近年來的研究顯示，這樣的安排的確會使核融合發生的機率大大提高。而這個理論基礎在近兩年美國航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的研究室所發表的論文中，有了進一步的解釋，也提供了更完整的物理基礎。

原來，從量子力學的角度來看，金屬的特性就是可讓大量電子互通、容易形成大量的電子流，這群大量電子流如巨浪大水蓋住附在金屬體中的氘原子，形成了一種屏障效應，大大的減低了氘原子之間正電荷的排斥力，使得氘原子核之間的吸引力有機會乘虛而入，或者可以說氘原子的核融合反應阻礙減小，而容易產生反應。但是與傳統冷融合不同，在大量氘原子被吸附於金屬後要使核融合能大規模發生、或有效率地進行，還需要一個外來的因素來啟動一切。晶格束縛核融合的成功，就是提供了中子源，成功的引發了一連串的核融合。

過往的冷核融合實驗，有可能就是缺少了這個臨門一腳的中子源。因此核融合的發生就無法掌握，呈現時有時無，有可能是因為外太空也常有中子射到地球表面，或者環境零星偶發的中子源有機會造成冷核融合偶發性的成功。

晶格束縛核融合能夠成功穩定產生，是靠著在裝置中引入高能X射線，使金屬體內部分的氘原子分解成中子與質子，而且是具有高動能的中子。高能中子的動能傳到部分氘原子上，使它變成帶有高能量的熱氘原子，熱氘原子在大量電子流的環境中，如前述正電荷的電場被電子流屏障，形同沒有正電荷的排斥，就很容易與靜止的冷氘原子產生核融合反應（圖二、三）。實驗所獲得核融合的產物，如氦同位素等副產物的測量結果也符合核融合反應公式與理論的預測，因而能證實整個反應發生，就是核融合沒錯。

圖二｜晶格束縛核融合形成的三個步驟

圖三｜晶格束縛核融合能夠成功的主要因素

核融合一直是個被賦予眾望的能量來源，但截至目前一直無法到達有效率的門檻。舉例來說，被NASA送上火星的好奇號火星探測車（Curiosity Rover），所依賴的電源就是來自同位素輻射的熱能，這樣的發電能量可以勝任執行簡單的觀測任務，但是若要擔負起更大的或更遠的任務，就得需要更多的電力。而且太空旅行的發電設備也有重量與體積的限制，用大型發電設備於太空旅行是不切實際的，於是NASA在多年前就開始了這方面的研發，希望能夠用比較簡便的裝置來產生核融合。如今晶格束縛核融合有了一定的進展，不但有望解決太空旅行的技術問題，個人也非常看好能夠成為地球上解決能源問題的一個好方法。

晶格束縛核融合的研發，除了NASA是重大功臣之外，加州的勞倫斯柏克萊國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）也在這方面有成功的進展，而幕後的推手不乏其人，包括Google也大力支持。這些好消息都給室溫型核融合帶來了曙光，也讓人開始了解冷核融合失敗的原因，而且付諸體諒。

當然新方式的核融合何日能達到商業運轉的地步，仍有許多議題與技術有待下一步的研發後，才有答案。

但是基本上，相較於傳統的冷核融合，這個新型的核融合的可行性與其基本物理已被掌握，實驗上也被證實可行，對於利用晶格束縛核融合發展為能源來源，目前看來是相當樂觀。

作者後記

由於筆者的學位論文是有關設計托卡馬克環磁機的發電裝置，使我很早就有機會投入核融合這個議題。不僅如此，由於工作上的要求，我也有幸在在冷核融合這議題上，親自投入了多年的時間，包括從事實驗、設計新款、督導團隊、與申請專利等項。除了精力與腦力的消耗之外，情感也被牽著走，多年的失望不只來自實驗上的毫無定論，心態上也不免有上當的感覺，同時對冷核融合捉摸不定的成效，在物理現象上產生了無比的好奇。另外，也觀察到以托卡馬克環磁機為主軸的核融合技術，歷時了40年都尚未有定論，令人失望，許多合理的評估也指出，如果有一天托卡馬克環磁機會成功發電的話，還要等2、30年。這一切都使從事這方面研發的科學家，並未明確的感覺到勝利在望，就在此時，晶格束縛核融合有了斐然的成績，這的確是一個真正的好消息，令人振奮感到科學家的努力並沒白費，同時也能夠預測與期待這個新方法，將會成為核融合的楚翹。

延伸閱讀

1. Michael Mckubre, Our Quest for a Reference Experiment, Presented at the ARPA-E Workshop on LENR, Washington DC, 2021.
2. Vladimir Pines et al., Nuclear fusion reactions in deuterated metals, Physical Review C, 101.4, 044609, 2020.
3. Bruce Steinetz et al., Novel nuclear reactions observed in bremsstrahlung-irradiated deuterated metals, Physical Review C,101.4, 044610, 2020.