量子氢能？“核聚变”锅炉迈向实用化！通过金属层压芯片提取热量

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摘  要：日本新能源相关的初创企业Clean Planet与大型锅炉设备企业三浦工业宣布，将共同开发使用量子氢能的工业锅炉，并计划于2022年制作原型机，2023年实现商品化。

关键字：量子氢能、核聚变、凝聚态核反应、镍铜层压芯片、零碳系统、分布式能源

发热能量密度为1000倍

利用原子核变换所产热量的加热装置的商品化近在眼前。9月28日，新能源相关的初创企业Clean Planet（东京都千代田区）和大型锅炉设备企业三浦工业宣布，签订了使用量子氢能的工业锅炉的共同开发合同。

“量子氢能”是一种利用氢原子聚变时释放出的庞大热量的技术，是Clean Planet公司创造的术语。产生能量的原理和日美欧等在国际框架下进行的热核聚变实验炉“ITER”一样，是由核聚变产生的。

核聚变反应的发热能量密度理论上是汽油燃烧（化学反应）的1000倍以上，如果能投入实际使用，人类可利用的能量将提高几个数量级。

“量子氢能”和热核聚变炉的区别在于，ITER需要巨大的装置将1亿度的高温等离子体状态通过磁场封闭起来，而Clean Planet正在研究的“量子氢能”可在1000度以下等较低温度下引发核聚变，因此能够成为可安装在工厂等的分布式能源。

原子核和原子核在接近某一短距离时会被核力吸引并融合，但为了使相同电荷的原子核接近这个距离，必须克服库仑力的排斥。为此，热核聚变炉需要1亿度的高温。

与之相对，在“量子氢能”中，通过在微小的金属粒子中吸收氢气并在一定条件下予以刺激来引发核聚变。这样的现象被研究人员称为“凝聚态核反应”、“金属氢之间的新型热反应”和“低能核反应”等，各国都在对这一现象展开研究（图1）。

图1 量子氢能的原理图

（来源：NEDO）

镍铜层压芯片

凝聚态核反应曾被称为“常温核聚变”（Cold Fusion）。1989年，美国犹他大学的研究人员发表了这种现象，引起了全世界的关注。针对这份报告，各国同时进行了追加试验，包括日本在内的主要研究机构发表了负面看法。

犹他大学的报告指出，将钯电极浸入重水中并通电时，观察到了无法用化学反应解释的多余热量。但是，在许多研究人员参与的追加试验中，这种现象本身缺乏再现性，甚至被视为是“伪科学”。

然而，一部分研究人员继续推进该研究，除了电极法以外，报告了钯纳米粒子吸收氘发热，以及氘气体透过钯薄膜引起核转变等现象，并且随着时间推移，再现性逐渐提高。2010年前后，美国、意大利、以色列等国纷纷涌现以能源利用为目标的初创企业。在美国，谷歌等大型IT企业也参与其中。

Clean Planet是2012年成立的初创企业，2015年与东北大学共同设立电子光理学研究中心“凝聚态核反应研究部门”，并以此以及川崎市的实验室为据点，致力于量子氢能的实用化。东北大学主要负责基础研究，川崎市的实验室则进行实用化开发。已经确保发热现象100%再现，目前研究课题已转移到定量的再现上。

着眼于这些研究成果，三菱地所于2019年1月，三浦工业于同年5月先后投资Clean Planet。之后，实用化研发稳步推进，也由此促成了本次与三浦工业共同开展在工业锅炉上应用的合作。计划于2022年制作原型机，并于2023年实现商品化。

Clean Planet的研究成果中值得关注的一点是，其在由成本相对便宜的镍和铜、轻氢为主体的反应体系中，确保了发热现象100%的再现性。具体来说，将14nm的镍和2nm的铜多级层叠而成的芯片（发热元件）置于真空状态，装入轻氢并加热，发现会长时间释放超过输入能量的热量。该热量无法用化学反应来说明。

芯片金属的晶体结构中存在多处晶格缺陷，多个氢原子嵌入缺陷并相互靠近，经由凝缩引发原子核的融合，此时，质量的损失部分将作为热量释放（图2）。

图2 镍和铜层压的发热元件

（来源：日经BP）

对可再生能源氢的“杠杆”效应

关于川崎市实验室的装置，据说一旦将氢气填充到芯片中并加热，其会持续约120天产生超过输入能量的热量。此时的COP（成绩系数：表示能得到输入·消费能量热能的倍数）超过12，而一般的热泵热水器的COP在3左右（图3）。

图3 川崎市实验室的装置

（来源：日经BP）

由凝聚态核反应引起的核聚变的一个主要特征是热核聚变炉不会释放出中子射线和β射线等放射线。在Clean Planet的核聚变装置中也完全没有观察到放射线。

Clean Planet表示，将首先与三浦工业合作，推进产生用于工厂干燥过程等的高温蒸汽的锅炉的商品化。加热元件的输入温度越高，反应越活跃，因此将工厂废弃的200度左右的废热连续输入并设为入口温度，到达出口时，温度将提高到500度左右（图4）。

图4 “量子氢能”发热单元和锅炉的图片

（来源：Clean Planet）

Clean Planet的CIO（首席创新官）远藤美登称：“目前，存在发热量的实测值比设定值大2～3倍的情况，定量再现仍然是一个课题。希望在未来两年内继续改进，并在充分提高温度控制的准确性后将其商品化”。

除此之外，正在考虑扩大其工业用途，并应用于民生以及发电系统。

据称，通过堆叠多个发热元件可以产生接近1000度的高温。远藤先生表示，“在未来，其有望应用于制造工序中难以电气化的各种高温工艺。”但是，当温度超过1200度时镍就会熔化，元件的层状结构就会崩溃，反应也随之停止。换个角度来看，即使元件的温度因为热交换等问题急剧上升，但达到1200度就会停止，因此不会发生热失控。

此外，对于民生用的暖气用途等，通过设计绝热结构，无需施加额外热量即可实现热独立。远藤先生表示：“例如，通过将芯片做成片材，并像电容器那样做成卷纸结构，可以容易地提高发热温度，实现热独立，并能长期维持恒定的发热。”

远藤认为：“发热元件的纳米级层压结构可以活用日本制造业强项的薄膜技术。通过与这些有技术经验的企业合作，相信将更容易增加芯片面积并将其制成薄片，从而扩大应用范围。”

在发电系统方面，可以想象其与蒸汽涡轮发电机的结合。虽然也可以采用热电元件制成小型装置，但是如果重视发电效率的话，将热转换为蒸汽来驱动发电机的兰金循环更具效率。

如果使用可再生能源生产作为燃料的氢，则“量子氢能”将成为不排放二氧化碳的零碳系统。目前，燃料电池系统用于将来自可再生能源的氢转化为电，但在这种情况下，发电效率约为50%，损耗很大。有了“量子氢能”，即使包含兰金循环产生的损耗，只要发热量大，同等量的氢产生的电有可能达到燃料电池的数倍以上，这样一来，杠杆效应就会作用于可再生能源，导致降低可再生能源的开发容量。

Clean Planet的吉野英树社长表示：“目前，我们在量子氢能的商品化方面走在世界前列，已经在21个国家获得了专利。然而，现在欧美的官方和民间都在迅速扩大对这一领域的投资。今后我们也将与拥有技术经验的能源相关企业进行合作，以加快开发速度，并将其应用于各种用途。”

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翻译：李释云

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

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