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日志

 
 

从声致发光看“常温核聚变”  

2014-06-10 19:43:19|  分类: 未知科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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核聚变一定联系着高温等离子体吗?2002年3月8日“科学”发表了声致发光的最新成果[1]。它引发了一系列科学的争论。因为在氘代丙酮中发现了氚和中子辐射。在多数人心目中,氘的核聚变必然与高温等离子体相联系。因此,总想找到一种模型来计算声致发光中产生高温的机理
太阳上的核聚变和氢弹中的核聚变使人们产生了一个错觉:以为核聚变一定要在高温下进行,以为是高温等离子体中的动能克服了静电斥力的位能才导致两个带正电的原子核的融合(聚变)。其实,氘-氚之间的静电(库仑)位垒高达200keV以上,而1亿度高温等离子体中的动能也不过是 10keV。真正造成聚变反应大量发生的原因是“共振”,而不是“高温”。当氘-氚之间相对运动的动能接近於发生“共振”所必须的能量时,“共振”机制就会使聚变反应大量发生。为什麽“共振”有这麽大的威力呢?其实,我们的收音机就正是靠“共振”的威力来接收微弱信号的。当远地电台的电磁波与收音机中调谐回路发生共振时,电磁波的信号就会越振越强,就好像荡秋千的小孩会越荡越高一样。只要小孩使劲得当,哪怕每次只使上一点儿劲,秋千就一定会越荡越高。同样道理“共振”机制也会使聚变反应大量发生,这是因为“共振”机制会使氘核的波在氚核内越振越强,从而使氘-氚聚变反应大量发生。哪怕静电(库仑)位垒挡住了大部分氘波,靠着“共振”机制,氘波还会越振越强。
这样一种“共振”机制已被多数科学家接受,并以为只要选对了能量,“共振”机制就会起作用。往往被忽视的却是“阻尼”在“共振”中的作用。通常以为“共振”只会选择频率,而“阻尼”是越小越好。其实,这又是一种错觉。当我们在调谐收音机时,的确是在调频率,不同的频率对应于不同的电台。“阻尼”是不用调的。人们总以为“阻尼”大了,不利于“共振”;却没有想到“阻尼”小了,反而不利于观察 “共振”。设想一下,如果“阻尼”真的完全为零,虽然“共振”可以达到最佳,却是根本听不到播音。因为要想听到“共振”,就必须从“共振”中提取能量(信号)。这种提取本身就是一种“阻尼”。同样的道理,氘核波函数在氚核内发生聚变时,氘核的波就消失了,这就是“阻尼”。 如果“阻尼”完全为零,这就意味着氘-氚永远不会聚变,那么,即使“共振”可以达到最佳,我们却观察不到一点聚变的产物。因此,可以猜测:必定存在一个不大不小的最佳“阻尼”,使观察到的“共振”效应最强(聚变反应产物最多)。换言之,“共振”不仅会选出一定的频率,还会选出一定的“阻尼”。也就是说“共振”引发的聚变反应还会选出一定的聚变反应率。聚变反应率太大或太小都不行。
正是这样一种“共振”的选择性决定了:常温核聚变中不会有中子和伽马辐射!因为产生中子和伽马辐射的反应道属于强相互作用和电磁相互作用,这些相互作用都比较快,也就是说属于比较强的“阻尼”。强阻尼会削弱共振的效应。常温下入射氘核的能量很低,氘核遇到的库仑位垒又高又厚,氘波透过库仑位垒后变得很微弱。要想靠“共振”来增强氘波,就必须让氘核在有足够时间来回振荡。就像小孩荡秋千一样,小孩的力量越微弱,就必须有更多一点时间来回蹬秋千。“阻尼”太强,氘波过快消失,就振荡不起来,就看不到聚变反应。所以常温核聚变中不应该看到中子和伽马辐射,而应该看到比较慢的相互作用(如b衰变或k俘获等弱相互作用)。
选择性共振隧穿模型的第一次检验——滞后发热和三氘反应
选“阻尼”这一想法,固然能说明“常温核聚变”中总也测不到中子这一已有的实验结果。但是,能不能预测一些实验结果呢?
设想一下,如果一个氘核在穿透库仑位垒后能够与另一个氘核生成一个长寿命的复合态,那时,如果再有一个氘核入射,就会看到三个氘核聚变的产物。由于两个氘的复合态寿命的长短直接决定了三氘反应的产额,而两氘复合态的寿命又能从“常温核聚变”的其他实验中测定。这样,就有可能从实验上来检验选择性共振隧穿模型。
早在1993年Pons 和Fleischmann就公开了一个重要的实验结果,他们称之为“滞后发热”(Heat after Death)[3]。在他们电解重水的实验中,曾经观察到电解液因沸腾而蒸干,这时,电解电流为零,完全没有电功率输入,可是电解池却继续维持在摄氏100度,时间可长达三小时之久。估算表明:即使钯阴极内已吸入的氘气完全燃烧所放出的化学热,至多也只能维持几分钟。因此,可以认为在钯阴极内存在着一种长寿命的核反应态,此态的寿命就是三小时左右。假如,在电解重水的实验中,确实在钯阴极内发生了“共振隧穿”,并生成了氘-氘复合态,那么由“共振隧穿”所选择的“阻尼”就决定了氘-氘复合态的寿命是三小时左右。
凑巧的是日本大阪大学的Takahashi教授在实验中确实观察到了三氘核反应的产物:等量的氚和氦-3(能量都是4.75MeV)[4]。他用钛吸入了大量的氘作为靶,再用150keV的氘束去轰击,主要的产物当然还是氘-氘二体反应的产物(中子,质子,氚(1.01MeV)和氦-3(0.82MeV))。然而,偶尔也会有三体核反应的产物,但是,这种机会是微乎其微,大概每10^30对氘-氘二体反应才会有一次机会发生三体核反应。这是因为通常两个氘核在一起,经过10^-21秒就会发生核反应,寿命非常短,几乎没有机会看到第三个飞来的氘核。可是大阪大学的实验中将钛靶冷却以防止氘束轰击发热,这时却发现大约每10^5 对氘-氘二体反应就会有一次三体核反应,这相当于两个氘核在一起的寿命要长得多,才有机会产生这麽多的三体反应(长了约10^25倍,因为10^30/10^5=10^25)。因此,相应的寿命为10^4秒(10^25*10^-21秒=10^4秒),这正好与“滞后发热”所要求的氘-氘复合态的寿命(3小时)一致。
选择性共振隧穿模型的又一次检验—氘-氚热核聚变截面
从共振隧穿的观点来看,常温聚变与热核聚变都有赖于共振隧穿。差别只在于入射能量的高低。入射能量低,对应的库仑位垒高,共振隧穿选出的反应道是反应速率很慢的反应道,也就是不发出中子和伽马辐射的反应道;入射能量高,对应的库仑位垒低,共振隧穿选出的反应道是反应速率较快的反应道,也就是能发出中子和伽马辐射的反应道。从理论计算上应该是同一个模型。应该可以用实验加以检验。在氘-氚热核聚变反应中有一个著名的110keV共振峰,能不能用共振隧穿模型正确地算出氘-氚热核聚变反应截面就是对选择性共振隧穿模型的又一次检验。
检验的结果竟是出乎意料的好[5]。它表现为下列四个方面。
(1) 选择性共振隧穿模型的计算值与8keV-280keV内17个实验数据点相比较,误差小于4%,而实验数据的误差本身是1.5%。
(2) 美国Los Alamos 国家实验室的G.Hale曾将全世界的2600个有关的实验数据点整理成著名的ENDF/B-VI数据表供全世界使用[6]。他采用核反应的R-矩阵理论,用108个参数拟合。然后,将实验数据向低能外推到200eV. 居然与选择性共振隧穿模型的计算值仍然符合良好,误差仍在4%以内。
(3) 美国海军研究实验室曾经编辑过一本手册(NRL Handbook),其中对氘-氚热核聚变反应截面数据给出一个经验公式[7]。被热核聚变界广泛应用了28年。它包含了五个经验参数,可是它算出的氘-氚热核聚变反应截面在200eV处竟比G.Hale的数值小了100倍。而选择性共振隧穿模型只包含两个参数,却符合得很好。
(4) 美国Brookhaven国家实验室曾在1996年发表了一整套氘-氚热核聚变反应截面数据,其中在100eV处出了一个大错[8]。居然在100eV处出现了又一个共振峰。如果这个数据是对的,那麽全世界现有的热核聚变实验装置上早就应该实现聚变能源得失相当的目标了。没想到,竟是我们用共振隧穿模型指出了这个错。因为共振隧穿模型预言了100eV处的共振行为。1999年在我们指出这个错误后一周内,Brookhaven国家实验室国家核数据中心作出了纠正。
决定性的检验─测量中微子
经过十三年的探索,“常温核聚变”中观察到的现象比1989年所知道的要丰富得多。特别是氚。1989年世界闻名的电化学教授Bockris就已报道在电解重水时测到了氚,哪怕争议激烈,他仍坚持己见[9]。1989年美国能源部专家组的蓝皮报告中没有判“死刑”,就是因为专家组两组长之一Ramsey(Nobel奖获得者)坚持对氚不宜过早下结论[10]。1990年美国冷聚变研究所被迫关闭。可是所长,Will,在该所关闭一年后出席第二届国际冷聚变会议时认真地介绍了该所测氚的成果。他们在重水电解和氘气放电中都测到了氚(在钯阴极中)[11]。此后,美国Los Alamos国家实验室的Claytor用更精密的测量证明:钯针尖作阴极在氘气中放电时会产氚[12]。此后,Stringham发现超声波能使重水中的钯产氚[13]。2001年加拿大McMaster大学的Clarke以精湛的质谱技术确认Arata 的复合阴极中的钯黑,在电解重水后有氚产生[14]。在此期间,俄罗斯的Romodanov也一再宣称,在氘气放电中会有氚产生[15]。因此,这次美国橡树岭国家实验室在声致发光中测到了氚,对于“常温核聚变”研究多年的人来说,并不新奇。问题在于从选择性共振隧穿模型来看,氚又意味着什麽?
设想一下,如果氚并不是来自热聚变,而来自共振隧穿。那么,质子与氘的共振隧穿是一种可能的反应。质子来源于空气中的轻水,因为重水有很强的吸水性。质子隧穿库仑位垒后,可以发生beta正衰变,质子放出正电子后与氘结合生成氚。计算表明,此反应速率仍太快,“阻尼”太强。实验中并没有看到正电子所对应的伽马射线,也说明产氚不是靠的beta正衰变。但另外还有一个更慢的反应道,那就是K电子俘获。产物是氚和中微子。测量中微子可以再次证明:选择性共振隧穿确实选出了较慢的弱相互作用的反应道。但是,测量中微子要求很高的投入,还必须借助于国际合作。可是,这一实验的重要性难道不足以激励我们试一试吗?!
诺贝尔获奖者,Schwinger,的遗言
一辈子培养了70名博士(其中出了三名诺贝尔获奖者)的Schwinger 没能出席1993年的冷聚变国际会议就去世了。留下一篇发言稿:“我的研究历程:冷聚变理论”[16]。他正是以声致发光为例说明两个不同尺度的运动是可以相互影响的(光子的频率为每秒10^15次,而声子的频率每秒10^4次)。那么,分子晶格尺度的运动也应该可以影响原子核尺度的运动。共振隧穿理论正是强调了共振条件下这种相互影响会大大增强。最近的核物理实验又一次地加强了我们的信心。2000年Kishimoto用实验证明共振条件下核外电子退激可以引发原子核内能级的跃迁[17]。同年,Carreyre用实验证明共振条件下原子核内能级的退激可以引发核外电子的跃迁[18].为什麽共振条件下分子晶格中的氘核不可以穿入核内的能级呢?至今仍然认定核聚变就一定与高温等离子体联系在一起,就一定会发射中子的人,难道还不应该改变一下观念吗?!
只要改变了观念,开发核聚变能而不带来强放射性的新途径可能就正展现在我们面前。
引文[冠以*号者为SCI引用的期刊]
*[1]R.P.Taleyakhan et al.,Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation, Science 295,1868(2002)
[2]汪承灏,张德俊,声学学报,1964年 第1卷 第2期 61页。
*[3]M.Fleischmann, S.Pons, Calorimetry of the Pd-D2O system:from simplisity via complications to simplisity, Phys.Letters A 176(1993) 118.
*[4]Y.Isobe, A.Takahashi et al.,Search for Multibody Nuclear Reactions in Metal Deuteride Induced with Ion Beam and Electrolysis Methods, Japanese Journal of Appl.Physics, 41(2002) 1546.
*[5]X.Z.Li, et al.,Study of Nuclear Physics for Nuclear Fusion, Journal of Fusion Energy, 19(2000 @2002)163.
*[6]H.S.Bosch, G.M.Hale, Improved Formulas for Fusion Cross-Sections and Thermal Reactivities, Nuclear Fusion 32(1992) 611; see also: G.M.Hale,Proceedings of International Symposium on Nuclear Data Evaluation Methodology, BNL, Upton, NY, USA, 12-16 October 1992, ed. C. L. Dunford, World Scientific (Singapore), p.306;
[7]D.L.Book,NRL Plasma Formulary, NRL Publication 177-4405, Naval Research Laboratory, (revised 1998), p.44.
*[8]X.Z.Li, Nuclear Physics for Nuclear Fusion,Fusion Science and Technology, 41(2002) 63.
[9]J.O'M.Bocris, Communicated by Letter to J. Bigeleisen, Aug. 7, 1989.
[10]J.Bigeleisen,"Tritium Enrichment in the Eelctrolysis of D2O" Workshop on Cold Fusion Phenomena, Santa Fe, NM,22-25 May 1989.
*[11]F.G.Will et al.,Studies of Electrolytic and Gas Phase Loading of Palladium with Deuterium, J. Electroanal. Chem. 360, 161 (1993).
[12]T.N.Claytor, Tritium production from a low voltage deuterium discharge on palladium and other metals ,Journal of New Energy, v.1,no.1,Jan. 1996 Fusion Inf. Center, Inc. p 111-118 1086-8259 .
[13]R.Stringham,The Cavitation Micro Accelerator, Proceedings of the 8-th International Conference on Cold Fusion, edited by F. Scaramuzzi, Lerici(La Spezia), Italy, 21-26 May 2000.
*[14]W.B.Clarke, et al.,"Search for 3He and 4He in Arata-Style Palladium Cathodes II: Evidence for Tritium Production", Fusion Science and Technology, 40(2001) 152
[15]V.A.Romodanov, et al.,"Tritium Generations in Metals at Thermal Activation," Proceedings of the 7-th International Conference on Cold Fusion, edited by F.Jeager, Vancouver, Canada, 19-24 April 1998.
*[16]J.Schwinger,Cold Fusion Theory--A Brief History of Mine, Transactions of Fusion Technology, 26(1994),Xiii.
*[17]S. Kishimoto,et al.Phys. Rev. Lett.85,1831 (2000).
*[18]T. Carreyre,et al.Phys. Rev. C 62,024311 (2000).
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