气泡热核聚变是怎么实现的

2002年美国橡树岭国家实验室的研究人员Taleyarkhan在《SCIENCE》发表研究报告[1]，声称在烧杯相对位置安放压电陶瓷片，用中子发生器产生气泡，以20kHz频率在氘代丙酮溶液中振动时检测到有中子发射。但这项实验并没有被其他研究人员重复，甚至Taleyarkhan本人也没有能重复。

1996年Moss等^[2]对声致发光空化泡内部温度进行了数值研究，提出在振荡气泡中施加适当的声激活，在坍缩泡内部形成的高温高压有希望满足氘氘热核聚变反应的发生准则。从那时起，在空化气泡内部产生高温被认为是在实验室中实现聚变的一种很有前途的替代方法^[3]。科学家们的数值分析研究表明，在超声场压力场由负相开始至正相结束，空泡直径变化可达到一个数量级，温度可达到10⁶℃，距离氘氘热核聚变大约还相差1-2个数量级。

判断能否实现聚变的劳逊判据包含温度、密度和约束时间三个核心参数。以太阳为例，太阳中心温度大约为1500万℃，等离子体密度约为150 g/cm³是地球上最大密度物质锇（Os）的6倍以上，核心压力约为2.334×10¹⁶Pa，即使在这样的高密度、高压力条件下，由于受电荷斥力和量子效应限制，太阳质子碰撞发生聚变的平均时间约为‌10亿年‌，这是一个极低的概率。

相对于太阳，气泡聚变要困难得多。水基介质空化产生空泡，空泡内部由水蒸气组成，密度低于大气。要实现聚变则必须以极快的速度使空泡处于极端高压环境，这样泡壁才有可能以超声速的速度向球心作非线性运动而形成激波；同时要通过界面传质，将液体中的物质导入空泡内部，尽可能提高空泡内的物质含量，构成高密度等离子体密度的形成基础。

只依靠超声场显然无法达到目的，为实现氘氘热核聚变，需要采取一些加快空泡压缩、加快提高空泡内物质密度以及提高反应概率的措施，主要有：

1. 构造高电场强度的双电层，提高空泡趋近壁面速度；在变幅杆与下试件之间施加直流电压，构造双电层电场。由于空泡的Zeta电位为负值（约-40mv），进入扩散层后，在双电层电场影响下将获得越来越高的趋近壁面速度与加速度，使泡壁获得的向心速度远大于当时当地的声速。同时，采用阀金属Ta作为下试件，Ta₂O₅的介电常数为27，可以提供大约30v的电化学窗口。实验表明，施加电压15v时，在较小阳极漏电电流条件下，可以构成强大的双电层电场，获得满意的实验效果。

图1 ³He计数器输出脉冲与等离子体电流同步，取消施加的直流电压后反应立即停止。

2. 通过界面传质提高空泡内物质密度，提高空泡动量；提高动量mv以及提高空泡内物质密集程度的关键是提高质量m，其有效途径是界面传质。界面传质依赖于由表面张力梯度以及密度梯度导致的界面湍动，引发Marangoni 效应与Rayleigh-Benard效应，将物质的分子间传递转换为毛细管传递。如果受迫振动频率与微空泡/微空泡群特征频率一致，将能接近界面湍动的极值，获得最有效的传质效率。受迫振动频率与换能器/变幅杆的材料以及设计制造相关。实验表明，微空泡（空泡群）的特征频率为15570±15Hz。

3. 构造下试件表面形貌，提高反应概率：不同的空泡具有不同的动量，其压缩程度不同、所处位置也不同，下试件具有一定粗糙度的表面形貌对提高空泡中心产生极高温的概率有极大影响。实验表明，表面形貌的谷深在50-100μm左右时，可以获得较好效果。由于空泡压缩程度的随机性，表面形貌也应当随机产生。

图2 白光干涉下试件表面形貌

图3 下试件粗糙表面（左）与光滑表面（右）对实验结果的明显影响。

研究通过中子能谱检测、上升时间、Slowlight/Fastlight等三种典型的中子识别方法，并与AmBe同位素中子源比较，确定检测到的粒子流具有明确的中子特性，表明氘氘热核聚变已经发生。检测到批量中子发射、用核物理典型的中子-γ甄别方法来确定中子发射，在目前可查询到的论文中均未见有报道。

实验总功耗不足50w，计入正比计数器的采集效率后，目前实验产生的中子数量为2×10⁹个/s，即每秒钟发射能量为2.5mJ。如果采用氘-氚介质，则产出能量能达到25J，即Q = 0.5，高于美国国家点火装置水平。

图4 空化在φ24变幅杆端面每秒产生的空泡超过10⁷个。

变幅杆每秒产生的空泡数高于10⁷个，但目前能实现核反应的空泡每秒只有几个，如进一步研究，提高空泡参与核反应的比例，则在同样能耗的前提下，输出能量能达到kJ-MJ水平。可以作为中小型能源装置或作为中子发生器使用。空泡内产生极高温、极高压的方法，也可以为高温物理与高温化学的发展提供支持。

清华大学、无锡学院、上海大学、钢铁研究总院的相关人员经长期合作研究形成的研究报告 “Experimental Study on Deuterium-Deuterium Thermonuclear Fusion with Interface Confinement（基于界面约束的氘氘热核聚变实验研究）”已经在Friction刊物2025年第10期发表（2025, 13(10): 9441085）。

相关链接：https://www.sciopen.com/article/10.26599/FRICT.2025.9441083

参考文献：

1.       Taleyarkhan R P, West C D, Cho J S, Lahey R T Jr, Nigmatulin R I, Block R C. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation. Science 295(5561): 1868–1873 (2002)

2.       Moss W C, Clarke D B, White J W, Young D A. Sonoluminescence and the prospects for table-top micro-thermonuclear fusion. Phys Lett A 211(2): 69–74 (1996)

3.       Lauterborn W, Kurz T. Physics of bubble oscillations. Rep Prog Phys 73(10): 106501 (2010)