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冷聚变疑云

已有 2780 次阅读 2018-2-18 11:05 |个人分类:关注的问题|系统分类:科研笔记

关注

1) 聚变反应的产生方式

2)  热核聚变点火条件

3)  冷聚变的基本原理



美国联邦政府宣称在冷聚变核反应取得重大突破

Feds May Have Made A Huge Breakthrough In Cold Fusion | Peak Oil News and Message Boards

http://peakoil.com/alternative-energy/feds-may-have-made-a-huge-breakthrough-in-cold-fusion



Is Cold Fusion Feasible? Or Is It A Fraud?

http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/09/23/is-cold-fusion-feasible-or-is-it-a-fraud/#1da9e8351903





第七期工物学术沙龙:走向应用的“冷核聚变”

http://www.tsinghua.edu.cn/publish/ep/1231/2012/20120423093217232290858/20120423093217232290858_.html


  4月12日中午,工物系举办了“走向应用的‘冷核聚变’”为主题的第七期工物学术沙龙,由邵贝贝教授担任本期沙龙主席,特别邀请物理系李兴中教授、工物系张育曼教授参加,系主任唐传祥,副系主任王学武、陈少敏,以及近代物理、核聚变、核裂变、核技术应用等方向20余名教师参加了沙龙。邵贝贝教授、李兴中教授都提前做了大量调研和充分准备,展示了翔实的数据、依据,陈述了自己的观点,大家积极地参与了讨论。

   沙龙开始,邵贝贝教授首先从2012年3月22日意大利Rossi团队在欧洲核子研究中心(CERN)进行的冷核聚变报告会讲起,回顾了近30年来冷聚变从1989年在CERN报告会引发关注、到被普遍认为是伪科学、再到近年来重新被关注的曲折历程。

    2011年10月,Rossi团队研制成功1兆瓦镍氢反应器,并公开销售。希腊的Defkalion公司(Rossi前合作者),也推出了10kW产品。瑞典皇家科学院的团队专门对此进行了检验,虽然理论尚不清楚,但从方法上已知Rossi团队采用24个大气压的氢和2μm的镍粉(Defkalion公司采用36μm的镍粉)进行反应,证实产出物中发现了10%的铜和11%的铁,确定发生了核反应。以上种种,值得我们关注了解,而不应局限于多年来的固有印象。

   随后李兴中教授也进行了详细的PPT报告,回顾了二十多年来,冷核聚变受到广泛质疑的两个主要原因:一是实验的可重复性差,二是实验的理论性解释匮乏。

   针对以上两个问题,李教授介绍了Rossi团队的报告会后,国际上展开的相关验证实验和对以前实验结果的重新认识,特别是最近发现美国NASA与清华团队相隔10年的相互独立实验的一致结果。当前国际上实验与Rossi团队的主要差距在于自持反应的实现,可能的关键技术在于催化剂和频率调制。而在理论方面,李教授也以中国古代鱼洗为例,介绍了清华团队提出的共振隧穿理论,以及相关的反应截面公式,并介绍了该理论在计算热核聚变反应截面数据等方面获得的成功和国际认可,也探讨了结合该理论分析Rossi实验方案探索潜在的反应材料方面的思路。

   之后,李教授提议与会教师跳出对冷核聚变的固有看法,共同关注近年来国际上关于冷核聚变的新进展和动态,如果相关研究成果被证实可行,可能将极大改变人类的生活。而在这一方面,清华如果适当投入,进行验证实验,非常有条件迎头赶上世界前沿。与会教师也围绕相关理论和实验中的问题以及李教授的提议展开了热烈讨论。



https://baike.baidu.com/item/%E5%86%B7%E8%81%9A%E5%8F%98%E5%8F%8D%E5%BA%94/19170791


   冷聚变反应是常温下的核聚变。是上世纪 80 年代在用钯阴极电解重水时,由化学家弗莱希曼和庞斯观测到难以用化学反应来解释的大量热产生,他们把这种“超热”现象归因为发生了传统上需要上亿度高温才能发生的氘氘聚变,并命名为“冷聚变”。冷聚变目前还是一种猜想与实验,没有实际应用。




冷聚变(ColdFusion)这个词首先是由马丁.弗莱希曼和斯坦利.庞斯于1989年在美国犹他州大学提出的,后来经过二十几年的发展,冷聚变逐渐被行业人士称为低能量核反应LENR(LowEngeryNuclearReation)。纵观世界范围内,有三个国家在冷聚变领域取得了比较卓越的成就,他们分别是美国,意大利和日本
  美国是冷聚变的发源地,尽管1989年后,冷聚变经历了很长一段低潮期,但是美国社会对于非共识的研究领域还是相当宽容的,在这其间,不但有国家层面的单位,如NASA,DARPA,MIT,密苏里等大学等顶级科研机构的参与,也有广泛的民间参与,比如说:黑光能源公司,布里渊能源公司等等。这些官方机构和民间组织为冷聚变的发展起到了推波助澜的作用,这使得美国政府后来重新审视对待冷聚变的态度。
  日本不管是从民间还是政府对冷聚变的态度从来都是积极的,这对于务实的日本来说实属不易,日本在冷聚变领域投入了大量的资金,比较著名的是丰田汽车公司资助弗莱德曼在法国的冷聚变项目。有资料显示,日本在冷聚变领域的投入超过30亿美元,今年的MIT冷聚变会议,日本公司终于发力给我们带来的惊喜。除了国际上的冷聚变会议外,日本本国内也有自己的冷聚变研讨会,截止2013年,日本已经举办了十四届冷聚变会议。日本将来会是世界冷聚变领域的一匹黑马。
  意大利是镍氢冷聚变的发源地,自1989年冷聚变公布后,意大利博洛尼亚大学科学家SergioFocardi教授和弗朗切斯科Piantelli教授便开始冷聚变镍氢反应器的研究,其中Piantelli教授为镍氢系统申请了欧洲专利。当时在美国从事环保产业的安德烈罗西发现冷聚变诱人的前景后,毅然回国和Focardi教授一起从事冷聚变的研究。他们终于在几年的艰苦研发后,获得了阶段性的成功。后来一家希腊公司购买罗西的技术并在此基础上进行了改进,这便有了现在位于加拿大温哥华的Defkalion绿色能源公司。意大利科学家开发的镍氢反应系统,因其使用廉价的金属镍而比钯氢系统更具有发展潜力。[2]

1989年春天出现过一条轰动世界科技界的新闻。3月23日在美国盐湖城犹他大学创一次记者招待会上.弗莱希曼(M.Freischmann)和庞斯(B.S.Pons)宣布他们实现了冷聚变(或叫室温核聚变)。他们用的实验仪器很普通.是在一个烧瓶内装入一个钯(Pd)制的管状阴极,外围绕以铂丝作为阳极,都浸在用少量锂电离的重水(D2O)中。

当通入电流经过近百小时后,他们发现有“过量热”释放.同时有中子产生。他们认为这不是一般的化学反应,而是在室温下的核聚变。对这一实验的可能解释是:钇有强烈的吸收氢或氘的本领(一体积的钯可吸收700体积的氘)。重水被电解后产生的氘在钯中的紧密聚集可能引起氘的结合—— 核聚变

如果这真是在室温条件下实现的核聚变.那将是一件有绝对重大意义的发现。很多科晕家都臬做类似的实验。由于当时该实验的重复性差,很多科学家对这一发现持怀疑态度。

以致在此后.关于这方面的研究似乎销声匿迹了。

但还有些研究人员乐此不疲,继续坚持这方面的探索,清华大学物理系李兴中教授就是其中之一。他所用的实验基本装置如右图所示,在一容器中用石英架张拉着一条钯丝.通入氖气以观察其变化。他们已确切地证实在氘瓶内有“过量热”释放。对于同时并无中子或γ射线释放也给予了一定的理论解释。他们还发现在与氢气长时间接触的钯丝内有锌原子甚至氯原子产生,在钯丝表面层内锌原子甚至占总原子数的40%。他们认为这是钯发生核嬗变的信号.从而给他们的研究带来了的希望。[3]

观测现象

编辑
1、钯-重水电解。用钯电解重水是实现冷聚变的主要途径之一。美国的麦克·库博发现电解时阴极中的氘钯原子比超过约 0.84是出现超热的必要条件,但要求的临界氘密度对应的钯内氘气泡压力要大于材料的塑性应力,而在实际中很难满足这种高密度要求,因此该类实验结果难以重复。作者在与美国的戴施合作时发现,利用标准的热测量方法也初步证实了超热产生,该结果进一步发展有望实现超热的简单重复。
2、束靶系统中的异常现象。用带电粒子轰击靶材料是研究核反应截面的传统方法。日本的笠木治郎太等人研究了几种金属膜中相同反应,结果发现,钛、金中的屏蔽能为几十个电子伏,钯中的为 250 个,金/钯/氧化钯膜中为 601 个;且入射氘束的能量愈低,与理论值偏离愈大,2.5ke V 的氘轰击氧化钯时实验值比理论值大 50 倍。国内王大伦与张信威联合小组的氘气放电中子测量结果也得出类似结论。

3、钯-氘(氢)气系统。日本的岩村康弘用电化学方法在钯片外表面沉积一层锶,然后使氘气扩散通过钯片。一星期后,用 X 射线光电子能谱检测发现,钼出现而锶减少。用二次离子质谱分析表面发现,产生的钼同位素分布与天然分布不同,而与锶分布加 8 个原子质量、4 个电荷数后接近。根据核物理常识,由于锶有 38 个正电荷,氘与其反应的截面比氘氘反应截面小的倍数本身就是一个天文数字,而此处还出现五体反应——传统物理根本无法解释这一奇异现象


参考资料

1.  何景棠. 冷聚变研究的争论[J]. 科技导报,2005,09:69-71.

2.  何景棠. 冷聚变的实验进展[J]. 物理学进展,2005,02:221-233.

3.  张三慧编著,大学物理学 C7版 上册(第3版),清华大学出版社,2015.10,第319页



清华大学物理系李兴中教授



http://www.lenr.com.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=11&id=1


   1962 年毕业于清华工物系,1965 年同系研究生毕业(高能核物理)。1983 年获Ph.D.(等离子体物理Wisconsin 大学). 履历:1972-1979核工业部西南物理所;1979-1983 美Wisconsin 大学核工系;1983-1985 美M.I.T. 等离子体聚变中心;1985-清华大学物理系.成果:70年代曾独立地提出“非对称多级磁镜”并获全国科学大会奖(1978)和国防科工委重大成果奖(1980)。1979年首次赴美作访问学者与美国磁镜聚变权威R.F.Post联名发表“非对称多级磁镜的约束特性”。是我国在国际原子能机构刊物“Nuclear Fusion”上的早期论文之一。1983年博士学位论文“串联磁镜装置中热垒捕获粒子流的变分计算”由“中国科学”发表。使得原先要用超级计算机才能完成的算题,可以用袖珍计算器完成.1994年访问美国夏威夷大学自然能源研究所提出“核聚变而不带强放射性的新途径”,首创“选择性共振隧穿模型”。1999年起,先后应邀到美,欧各研究院,和联合国原子能机构(维也纳)介绍“选择性共振隧穿”理论。首次提出“核聚变中的核物理问题”。



目前主要研究:

1. 凝聚态核科学实验

· 气态充氢(氘)法研究氘气进入钯等吸氢(氘)金属的过程

· 氢(氘)通量在钯中引发的异常发热现象

· 氢(氘)通量在钯中引发的异常核反应

2. 凝聚态核科学理论

· 多重散射理论(MST)及透过金属的氢(氘)通量

· 选择性共振隧穿理论

3.工业应用等离子体

· 大气压下均匀等离子体辉光放电(OAUGDP)

4.受控热核聚变

· 轻核聚变反应截面的理论计算

· 轻核聚变反应的天体物理因子  



http://www.sohu.com/a/164983078_99973296

本报讯,我国著名的科学家林溪石教授(刚退休的军队一级专业技术将军),近日公开了他的冷聚变技术发明专利。据悉,冷聚变是一种无辐射、无污染的可再生清洁能源技术。


目前,世界各国的科学家都加紧研制。冷聚变技术是在常温常压情况下使氘原子产生聚变,从而释放出大量的能量。它的燃料可以从海水中提取,一公升的海水浓缩燃料所产生的能量相当于300公升汽油所产生的能量。可以说,此技术一旦普及以后,可以完全替代目前使用的石油、煤和铀等矿物燃料,从而彻底解决人类的能源问题,同时也解决了污染排放问题。林教授目前申请了此领域有关技术专利12项,其中有5项实用新型专利已经获得国家专利局的专利授权和专利证书。其余的发明专利,已经陆续展开公示审查。不久将可以授权。现在,林教授和他的团队正在根据专利的设计,研发有关的设备和系统。并有望在近期进行点火试车。 



试制海水浓缩燃料

  林教授和他的团队根据他的发明专利,研制了多级离心和电渗析海水浓缩设备,并从广东川岛附近海域采集海水,进行浓缩实验,成功地研制出第一批海水浓缩燃料.

       经过中国工程物理研究院材料研究所氘氚燃料循环工程技术研究中心的测试。未经浓缩的海水含氘量为1.03%,经过多级浓缩的海水燃料可达到22.7%,如果多次循环,含氘量最高可达到80%~90%。根据理论计算,含氘量达到20%以上就可以参与聚变反应。现在,广州同合能源公司已将此产品作为正式产品推出,每瓶浓缩液为500毫升,其反应后所产生的能量相当于150升汽油或柴油所产生的能量,该产品10瓶为一个包装,一个包装为5升浓缩燃料,售价约为7300人民币。用于汽车可以行使1.5万公里,用于发电可发出1.5万度电。

  林教授的主要精力是放在冷聚变反应腔的研发上,按照理论计算,氘原子产生聚变的条件是两个原子之间的距离要接近飞米级,这个条件比较难。一般来说,要达到这个距离,需要一亿摄氏度的高温或施加10万个兆帕以上的压力,在地球上想达到这种条件是比较困难的,所以用高温高压的方法产生聚变,目前的进展不大。林教授巧妙的运用自然界上普遍存在的μ粒子参与聚变反应,从而解决了在常温常压下实现冷聚变的难题。海水浓缩液,经过雾化处理送到反应腔,在高频电场的作用下抱团转动。一般四个粒子对称组团,期间μ粒子居中,μ粒子是在大气电离层产生的寿命极短的粒子,其寿命只有皮秒级。当μ粒子突然消失时正在组团运动的氘原子突然因填补μ粒子消失的空间而互相靠近。当两个原子距离到飞米时,聚变发生,产生二千摄氏度左右的高温,通过空气热辐射穿到反应腔外壳,μ粒子并不参加反应,它只起催化的作用。聚变反应腔的海水浓缩液中的氘原子在腔内发生聚变反应产生热量,相当于海水在腔内燃烧发热,所以也称为海水燃烧器。

研发冷聚变锅炉

  林教授将冷聚变反应腔按照有规律的排列在轻水锅炉内,由于反应腔的温度能达到上千摄氏度的高温,因此锅炉内的水可以加热到500摄氏度左右的温度,达到蒸汽临界温度。此时锅炉内的压力可达到16.5个兆帕,水温可达到550摄氏度。这种锅炉就可以推动30万千瓦左右的蒸汽轮机发电机组了,林教授还计划进一步改进冷聚变锅炉,把锅炉的温度提高到600摄氏度以上,完成冷聚变超临界锅炉的研发项目,届时,就可以推动上百万千瓦的蒸汽轮机发电机组。

  按照科研计划,林教授还继续研究冷聚变汽车发电装置,这项技术运用了多项专利技术。他首先把聚变反应腔小型化,并研发液态金属换热装置,加热低熔点的金属(例如金属钾、金属钠或低熔点的锡圆合金),使这些金属液体化,并保持在500摄氏度左右的温度,用这种液态金属去加热温差发电元件的热端,温差发电元件的冷端,用循环水冷却。经过对温差发电元件的电压输出端进行适当的并联或串联组合,即可完成一个120千瓦左右的直流电源,将此电源装在普通中级轿车上,将轿车上原有的发动机拆除,装上相应功率的电动机。保留原汽车上的转向系统、减震系统、底盘系统和冷却循环系统。这样就可以做成一辆使用海水燃料的汽车,这种汽车的特点是,使用海水浓缩液作为燃料。这种汽车无辐射、无污染零排放,而且续航能力比较强,一个50公升的燃料箱所装载的海水浓缩液可以使汽车连续行驶15万公里。

  林教授认为,冷聚变如果研究成功,可以广泛用于发电、取暖、轮船、汽车、航空等产业,形成一个数万亿的产业链。

推广与普及前景

  有记者问,林教授能否谈谈冷聚变的普及和推广前景。林教授说,目前冷聚变技术还不够成熟,估计再经过五年的发展,就会逐步完善和成熟,到那时候,就可以普及发展相关产业。

  (1)发电产业

  全国有一百多家燃煤发电厂和热电厂,如果用冷聚变发电技术来新建或改造这些电厂,就会大大的减少污染物排放,对于履行巴黎公约,有着重要的意义,同时也可以大幅度的减少煤炭的产能,减少以至消灭煤矿事故。

  (2)发展冷聚变动力汽车

  在全国范围内,建设一百多条年产量为二十万辆以上的冷聚变动力汽车生产线,使全国冷聚变动力汽车的产能达到两千万辆,用五至十年时间,逐渐淘汰所有使用汽油或柴油的汽车,使城市的汽车废气排放量降为零排放,从根本上解决城市污染问题。

  (3)发展冷聚变动力远洋轮船和大型舰船

  由于冷聚变的燃料是来自海水,所以舰船的燃料可直接从海水中提取,这样的舰船在无需加油的情况下,就可以环游世界,大幅度减少运输成本和增加舰船的续航能力和自我保障能力。

  谈到冷聚变技术发展有什么困难的时候,林教授话锋一转说,冷聚变技术目前还不够成熟,还得不到大多数人的认识和认同,所以发展缓慢。支持力度小,自从爱因斯坦提出相对论的理论以来,核科学技术得到了迅猛的发展。例如,1945年第一颗原子弹爆炸后,不久就出现了民用型的原子裂变反应堆,并研制出了裂变核电站。但是1953年第一颗氢弹爆炸以后,经过50多年,民用型的聚变核装置和聚变核电站至今还未出现,说明核聚变发展缓慢。核聚变技术目前分为热聚变和冷聚变两大领域。由于从事热聚变研究的科学家较多,立项时间较长,因而各方面的支持力度也较大,而冷聚变是近期才发展起来的学科,从事这方面研究的科学家比较少,立项时间比较短,所以各方面支持力度较差,林教授认为,科学技术的发展,也有一个公平竞争的问题,在自然界中,达到同样的目的会有不同途径和可选择的方案,就冷聚变技术而言,也有不同的方案,除了用氘作为燃料的冷聚变以外,也还有用镍氢作为燃料的冷聚变方案。目前,林教授依靠微薄的退休金创办的中国广州冷聚变实验室,正在艰难的运转着,不断地研究出新的专利和研究出新的成果。林教授最后叹了一口气说,发展经济和发展科学,还得依靠大众创业、万众创新,垄断是没有出路的。


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事实上,就在冷聚变被世界各地科学家们炒得火爆时,反对者们的意见一直在持续着。4月12日,就在冷聚变研究高潮之中,在意大利埃里斯的“世界实验室”主持召开的首次国际冷聚变讨论会上,大多数学者们持有保留态度,他们对冷聚变实验提出了四个带有关键性的问题:

①为什么实验中观测到的热效应与中子产率不相符;


②所观察到的大量热能到底从何而来;


③为什么实验中要使用重水而不是普通水;


④到底是核反应还是化学反应。



与此同时,世界上有数百个研究组与研究机构,特别是一些世界一流的研究机构,都未能重复出庞斯和弗莱希曼的实验。例如,美国布鲁克海汶国家实验室与耶鲁大学的联合小组、美国麻省理工学院、英国哈韦尔实验室等,他们分别宣布,在冷聚变实验中既没有观察到特殊的热效应,也没有观测到中子。


4月25日,乔治亚理工学院首先声明,撤回他们以前关于测到中子结果的报导。他们指出,以前测到的“中子”,是由于仪器对温度敏感导致出错误的结果。


4月27日,庞斯和弗莱希曼也撤回了他们投向英国《自然》杂志的关于冷聚变的文章。因为他们不能给出审阅者所要求的用普通水实验的对比数据。


5月1日,在美国巴尔的摩召开美国物理学春季年会上,有1500名代表参加,除了少数几名代表发言支持庞斯和弗莱希曼的结果外,大多数物理学家都持否定态度。会后,有记者问到会的9位负责人,是否认为这次会议已对庞斯、弗莱希曼的实验结果宣判了死刑,其中8位表示举手赞成,剩下1位虽然没有举手,却不意味他支持这个实验结果,只是庞斯和弗莱希曼没有到会辩护,认为缺席裁判是不公正的。


5月7日,在洛杉矶市召开157届美国电化学学会春季年会,使同行们感到遗憾的是,庞斯和弗莱希曼非但没能给出新的实验结果,反而承认他们在γ射线和中子测试方面有错误。


舆论普遍认为,他们过去的冷核聚变的声明是错误的。劳仑斯-利弗莫尔国家实验室甚至提出希望庞斯和弗莱希曼高价出售他们的实验设备和重水介质,以尽快解开冷核聚变之谜,这一倡议竟得到1600多位与会者的热烈响应。


5月23~25日,美国能源部和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合在美国新墨西哥的圣塔菲召开一个规模巨大的专题讨论冷聚变的国际会议。来自20多个国家和地区的450位科学家出席了cc会议,其中也有中国的代表。庞斯和弗莱希曼虽被邀请,却未出席该会。大会提交的讨论报告有100多篇。代表来自的科研领域很广,学术气氛也很浓。发言和讨论的情况表明,一小部分仍对庞斯和弗莱希曼的实验结果持肯定态度;大部分则认为,即使有冷聚变,由于反应速率很低,只能产生极少量的中子与热量,离实用相差甚远;还有一小部分认为不存在有冷聚变。


事情发展到这一步,似乎怀疑者又占了上风。在短短的几个月的时间内,冷聚变研究从陡然出现的高潮到迅速降温,其间充满了戏剧性。希望与失望、肯定与否定、支持与怀疑起伏跌荡,一时间真假难辨,前景莫测。但是,有一点是肯定的,这就是人们对核聚变的态度,已经从最初的狂热走向了成熟,冷核聚变也像其它一些学术问题一样,被人们认真严肃地探讨着。



2.关于冷聚变的争论

庞斯和弗莱希曼冷聚变的实验结果与传统的物理观念有很大的不同,物理界,特别是核物理界对这一发现大多持怀疑态度。在意大利埃里斯“世界研究室”1989年4 月12日召开的首届国际冷聚变讨论会上,学者们提到的几方面问题最具有代表性。几年来,冷核聚变的理论与实验研究也始终围绕着这些问题进行着。

(1)关于冷聚变的热效应

庞斯和弗莱希曼实验最引人注意的结果是,重水电解过程中所产生的大量的热。输出的热竟然比输入能量高出4倍,每立方厘米的钯能产生10瓦以上的功率,放热效应能持续120小时以上。

他们认为,不能不把这些能量的释放归结为核聚变的结果。然而,任何一个对核物理稍微懂行一点的人,都会感到疑惑,为什么所观测到的中子数却与如此强的热效应不相符合呢?如果这个热效应确实是由氘-氘聚变反应引起,相应的中子产率应为1013/s,而在实验中却只观测到104/s。


对这一问题,反对者们的意见很强烈,支持者们却给予了种种方式的解释。例如,麻省理工学院的彼得·哈格斯坦,X射线激光的发明者,提出了一种解释,他认为,氘-氘聚变产物是激发态氦,它的能量被传送到钯晶格生热,只有少量的激发态氦-4分裂成氦-3和中子。庞斯在1989年4月17日又通过新闻发布会宣称,他们已经从电解池中测量到了大量的氦-4,其产率为1012/s,与观测到的热相匹配。然而,加州理工学院的路易斯却认为,这一含量与空气中含量相似。因为实验中用氦作冷却剂,周围空气中的氦未除净,所以庞斯测到的氦-4是来自环境空气。


(2)关于与普通水对比实验的争论

在意大利埃里斯召开的首届冷聚变讨论会中,不少科学家提出,为什么庞斯和弗莱希曼的实验只用重水不用普通纯水。庞斯投向英国《自然》杂志的文章也因为没有给出普通水对比的实验数据而被退回。庞斯后来用普通水做了对比实验,只产生很少的热。同样,德克萨斯A&M大学研究小组以及斯坦福大学的哈里斯等人也都证明,他们在普通水的实验中,只观察到极少,甚至没有热效应,对这一现象仍不能做出很好的解释。


(3)关于γ射线的测量

   聚变反应的证据除了强热效应就是中子产物,而产生中子的证明又与γ射线直接相关。庞斯与弗莱希曼指出,他们在2.22MeV附近,测量到了γ射线的能谱峰值,认为这是氘-氘聚变产生的2.45MeV的中子与溶液中质子的聚变反应生成的,从而证明了反应物中子的存在。然而,一些研究小组对此提出质疑,例如,麻省理工学院研究小组指出:①庞斯和弗莱希曼所观测到的γ峰宽度仅只是仪器分辨率的一半,这是不可能被测到的;②中子与质子反应所产生的γ射线,应该在1.99MeV附近,有一个康普顿边峰;③在由γ射线的强度计算中子产率上也有错误,计算值比应有值大了50倍;④根据电视录下的γ射线谱图估计,γ射线峰应在2.25MeV位置上,而不是2.22MeV上。根据上述理由,他们认为,庞斯和弗莱希曼实验中所谓γ射线很可能是一个假信号。多伦多大学研究小组则认为,庞斯和弗莱希曼实验中的γ射线是氡衰变产物铋释放出来的。因为氡一般在地下室存在,庞斯和弗莱希曼的实验正是在地下室进行的,犹他州又有较多的铀矿,氡在地下环境中含量较大。


(4)关于中子的测量

庞斯和弗莱希曼宣称,他们是用三氟化硼中子测试仪测量冷聚变中子的,中子产率为43104/s。然而大多数研究组却指出,他们所做的实验却没有测到或测到极少的中子。例如,布鲁克海汶国家实验室和耶鲁大学联合研究组在7天内只测到2个中子。一些小组还指出,三氟化硼测试仪对温度很敏感,重水电解时,又使周围的温度、湿度发生变化,因此,不适宜用它对冷聚变中子进行测试。1989年5月7日在洛杉矶召开的第157届美国电化学学会春节年会上,庞斯和弗莱希曼也承认他们在测试γ射线和中子产率上有错误,原因是测试仪上出了问题。


3.关于μ子催化冷聚变研究

还有一种冷聚变设想,认为μ子催化可引起常温下核聚变发生

早在1948年,中国物理学者张文裕利用多层薄膜的云雾室研究宇宙射线与物质相互作用时发现,在μ-粒子低速 穿透物质时,受到原子核的正电吸引,被俘获后,代替电子绕核旋转,形成μ子原子。正是他们的这一发现,导致了关于μ子催化冷聚变的设想。一些著名物理学家,例如英国的夫兰克(F.C.Frank)和前苏联的萨哈罗夫(Sakharor,Andrey Dmitriyevich 1921~)曾预言,在生成μ子原子时,μ-还可能催化引起核聚变反应,而无需用高温等离子体。他们认为,把μ子注入氘气,所形成的μ子氘原子在与氘核接近时,由于前者电中性,不受核库仑斥力,因而可能进一步形成“μ子分子态离子”。在通常的氘气中,两个氘核平均距离为0.74,发生氘-氘家聚变反应的速率极小,但是在“μ子分子态离子”中,由于μ子质量是电子的212倍,两个氘核结合要紧密得多,平均距离将相应减小为原来的二百分之一,这就使聚变反应速率提高了80个数量级,因而有可能实现冷聚变,这就是μ-子催化核聚变的思想。

在实验上,首次发现μ-子催化核聚变现象的是加州大学伯克利实验室的阿尔瓦雷茨(Alvarez Luis Walter 1911~)。1937年,阿尔瓦雷茨从芝加哥大学获得博士学位。二战期间从事原子弹与雷达方面的工作。在加州大学伯克利实验室工作期间,曾利用格拉泽(Glaser Donald Arthur 1926~)在1952年研制成功的气泡室(格拉泽因此项发明获得1960年诺贝尔物理学奖)测定出大量寿命极短的共振粒子。为解释这些共振粒子的存在,导致美国物理学家盖耳曼(Gell-Mann,Murray 1929~)和以色列物理学家尼曼(Ne′eman,Yuval)几乎同时独立地提出关于重子分类的理论。由于在粒子物理方面所做出的决定性的贡献,以及在发展气泡室和数据分析技术的应用中所发现的大量的共振态,阿尔瓦雷茨获得1968年诺贝尔物理学奖。盖耳曼也因对基本粒子相互作用及分类方面的贡献而获得1969年诺贝尔物理学奖。

1957年,阿尔瓦雷茨研究组在伯克利实验室利用液氢气泡室,研究了K介子相互作用。当时K介子束流的质量较差,混有大量的μ子,然而,正是这些不受欢迎的μ子,导致了惊人的发现。在实验中,π-介子衰变为π-→μ-+ ,反应中释放的μ子应该具有4.1MeV的能量。令人惊异的是,阿尔瓦雷茨观察到所释放的μ子出奇地具有相同的能量,即都是5.4MeV。这实际上是μ-子诱发质子-氘的聚变反应。当μ-在液氢中慢化至能量只有几个电子伏时,先形成μ-氢原子,μ-+H→(P?)+e,由于液氢中含有氘分子,随后μ-转移到氘上,形成μ-氘原子(p?)+d→(d?)+p0(d?)与氢原子相碰,形成(pd?)分子,μ子比电子重约200倍,使μ-束缚的分子(pd?)尺寸很小,两个核非常接近,容易发生核聚变反应,(pd?)→3He +μ-+5.4MeV,所释放出来的μ-重新再引起新的一轮核聚变反应。由于μ-起到了像化学反应中催化剂那样的催化作用,称这类核聚变为μ子催化核聚变。μ子催化核聚变的发现,曾一度燃起人们的希望,但美国普林斯顿大学杰克孙研究的结果却给人们泼了一盆冷水。1957年,杰克孙作出估算,μ子的寿命为2.2310-6s,它一生中只能催化100次核聚变,获得的总能量输出最多只有2GeV,但是若用加速器束流来输入能量,每产生一个μ-子,得需要10GeV的能量。这表明,输入要大于输出。如果再计入核聚变释放的核能转换电能使用的其它能量损失,输出的有效能量就会更小,显然用μ子催化核聚变方式,解决人类能源匮乏的问题还有许多问题有待解决。

70年代末,又有一个新的理论预言,在氘-氚混合体中,有可能完成快速的μ子催化核聚变。1982年,美国洛斯阿拉莫斯介子物理实验室在氘-氚混合体中观察到了每个μ子催化的聚变反应平均达150个,聚变产额甚至超过了理论预期值。尽管机制还不很清楚,这个结果却又重新激起人们对μ子催化核聚变的希望。目前,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、英国卢瑟福-阿普尔顿实验室、加拿大三所大学的介子实验室及日本的高能物理实验室正进行此项研究。μ子的半衰期太短,尽管由它催化的核聚变反应离实用还太远,μ子催化实验却给人们以有益的启示,即启发人们寻找寿命更长、带负电且质量较大的准粒子,以进行大规模的催化聚变反应,这一课题已成为当前受控核聚变研究的热点之一。


3、其他新近的冷聚变途径

(1)气泡中声空化实验中的低温核聚变

20世纪30年代,德国科学家发现,当声波穿过液体时,如果声音足够强,在适当频率将产生声空化现象:在液体中产生细小气泡,气泡随即坍塌为一个非常小的体积,内部的温度可超过10万摄氏度,并发出瞬间闪光。这种现象称为“声致发光”。产生的气泡越大,坍塌后的温度就越高——甚至可高达1000万度,足以引发核聚变反应。2002年3月8日《科学》杂志报道,美国橡树岭国家实验室的科学家塔利亚克汉用氘化丙酮作为实验材料,用中子脉冲轰击丙酮液,使其内部产生了微小气泡,并利用声波促使这些气泡保持快速而稳定增长。当声压达到一定值时,丙酮液体中这些微小气泡便迅速膨胀后突然崩溃,产生千万摄氏度的高温与局部高压,同时伴有强大的冲击波、闪光以及巨大能量的产生,这种状态大约持续了1微微秒,他们判断很可能发生了核聚变反应。这一研究成果公布后,立刻引发了科学界的广泛争论。

然而,论文提交后,他们在重复实验中并未能获得能量为2.45MeV的中子,因而对上述研究成果提出质疑。如果两个氘原子发生核聚变,那么将产生氦-3原子和能量为2.45MeV的中子,或者产生氚原子和能量3.02MeV的质子。质子会很快被丙酮液体吸收,因此能探测到的就是2.45MeV的中子。塔利亚克汉在论文中认为,他们在使用闪烁计数器时探测到了这个能量的中子,而且事后在丙酮中也发现有氚含量的升高。

塔利亚克汉实验小组自得到美国高级计划研究局资助后,使用脉冲器件公司研发的改进设备进行了更为精确的试验,从而给出了进一步的证据。该实验结果发表在2005年《物理评论E》上。美国国家物理声学中心主任巴斯说:“塔利亚克汉获得的新证据非常、非常令人印象深刻。”但仍有物理学家对塔利亚克汉的最新实验表示怀疑。加州大学洛杉矶分校的普特曼说:“某些新的数据相当令人激动,但在没有其他独立实验证实他的实验结果前,我仍将持怀疑态度。”

新一轮实验中,塔利亚克汉小组用灵敏度极高的设备,可探测到更多聚变迹象——氚和中子。新实验还增加了一个2002年没有的控制实验。过去大部分气泡核聚变实验用的都是直径为2英寸的玻璃圆球或圆柱。脉冲器件公司为新实验提供了直径为9.5英寸的铝球,其外壁可承受1000个大气压。普通的声致发光,仅在1-2个大气压下,就产生大量的能量,如果产生的气泡越大,那么它坍塌后的温度就越高。如果在1000个大气压下,气泡内将有更多的气体达到聚变临界条件。




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1 刘山亮

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