（应用化学专业论文）Pt（H）Pd轻水电解系统中的“过热”现象及激光触发效应的研究.pdf

摘要 基于v n o n i n s k i 和d a 8 h 的研究工作，比较了碳酸钾轻水溶液 巍碳酸镳轻东涤滚在p d 一班毫解系统中彀舞过程中爨热蓬静不媾。实 骚在两个密闭豹电解溜中逡行，电解液分剐是碳酸镄一轻承溶液稔缀酸 钠一轻水溶液。催化剂( o 5 p da l 籼) 被用来复合电解系统中生成的 氯气和氧气，以防止质量损失。实验表明：相同电解条件下碳酸钾轻 水溶液对比碳酸钠一轻水溶液在作为电解液时可以产生更多的热，“过 热”吾分晓最大达到6 溅。激光在贯一缀塞验中援建寒慧瓣麓阴极，鞋 对“过热”的嫩成产生触发作用。激光功率固定为4 1 l 瓦，频率阉定 为1 5 赫兹。程激光触发实验中调节电解时间，则得到的“过热”百分 比也随之变化。阴极上的温度变化被用来计算得到的“过热”百分比， 爨靛海盎该百分魄最大霹狱遮弱2 1 。 燕键词：p t ( h ) 一p d 系统，电解，激光，“过热” a b s t r a c t b a s e do nv n o n i n s k ia n dj d a s h sr e s e a r c hw o r k t h ev a r i a t i o no fh e a t i np t ( h ) 一p de l e c t r o l y t i cs y s t e mw i t hk 2 c 0 3a i l dn a 2 e 0 3s o l u t i o n s 、a s c o m p a r e d as e to fe x p c r i m e n t sw e f ec a r r i e do u ti nt 、v oa i r t i 曲tb a t t e n e sj n 确 磕氆ee l e 娃悉受鼯w 凇k 2 c 镪鞠疆麓a 2 c 魄s o 融 醣s 王。蹬e c l v 嚣。 c a t a l y s o 5 箍越2 0 3 ) w a su s c dt oc o m p o u n dh 2a n d0 2w h i c hw e r c c r 6 a t e dd u 血gt h ee l e c t r o l y s i si n t oh 2 0 骶l ep e r c e n to fe x c e s sh e a tf r o mt h e e l e c t f o l v t eo f 壬锄g 0 3s o l u t i o nc a nr e a c h6 0 + l a s e fw a su s e dj na l l t h e rs e to f e x 辨一m e 珏l s 协i f 糟d 强t e 啦ee a t h o d e 磐d ) 穗。砖e t o 毫o u c ho 嚣也ee x c e s s h e 鑫圭。t 沁登嵇髓裙d 氇e 熊q u 髓 c 箩o ft 氛嚣l 鹬c rw g f eb o 镪o o n s l a 嫩+ 薹t 遮 s h a w e dj no u re x p e r i m e n t st h a tk 2 c 0 3s o l u t j o nc a ng i v em o r eh e a tt h a n n a 2 c 0 3s o l u t i o nu n d c rs a m ec o n d i t i o n s i nt h es e to fe x p e 嘲n e n t si nw h j c h 1 a s e rw a su s e d ，t l l et i m eo fe l e c t r o l y s i sw a sc h a l l g c d 衲e v e r ye x p e r i m e 嫩 黼砖氇ep e f e e 稚。量氆eo x c e s s 魏髓| 建强g e d 矗重s o 。 羹e 的稚s 勤瑚a 耋i 鼬o 氇e i e m p e 越l t 玎eo ft h ec a t h o d cw a sl 王s e d 幻c a l c u i a t et h ep e r c e n to ft h ee x c e s s h e a ta n dt h eh i 盛h e s tv a l u em a c h e d2 1 b vn o w k 职w o 砖：班饿) p 哇，礤e c 瓤晦s 耋s ，王矗s 雠，薹x e 档曲e a l 第一章绪论 1 + 1 引言 当今整努，人类对戆滚的需求量随麓缝球蘧源灏灏趋予毒鑫运、教赛 入口的快速增长和经济的迅猛发展，正在f ：1 益提高。到2 0 2 0 年，全世 界的人口总数据专家预测将会达到并超过1 0 0 亿，熊源消耗量也将比 1 9 9 5 年的能源需要量增加一倍甚至更多。矿物燃料作为人类在2 0 馓纪 鹣主要能源，囊在急裁溪糕，恧量基零无法再生，漂秽石洼的丈量燃烧 对环境造成豹污染也缀严蘸，到2 0 2 0 肇地球上将无法找至g 足够的油田 和煤矿供人们开采。战争也因为能源危机频繁爆发。两次海湾战争、中 东的紧张局势都与能源有关。在我国东海，日本出予对能源的渴望也企 图将我国颁海攥为己有，势且侵犯了我潮钓鱼岛等领，使两国关系逐 澎恶亿。因魏，我翻必须控鞠一释无嚣染势显麓够长期使蠲焉不羧嵇竭 的能源。在世界能源紧张的情况下，各豳研究人员都在积极寻找新的可 替代能源。国际上普遍认为，新能源的主露领域为：风能、太阳能、海 洋能、生物质能、地热能和氮能等。 l g 鼹年3 搀茭蓬辩学容磐菜棼曼( 瓣f l e i s e h 臻黼n ) 巍美罾秘学象 庞斯( s p o n s ) 宣布，植们在用铂( p t ) 作阳极、钯( 蹦) 作阴极电解 黧水过程中，得到的输出功率是所输入功率的数倍，丽这一现象是任何 化学反应理论所不能解释的，弗莱希曼和庞斯认为在他们在系统中观察 戮了“氖一氘核聚变”，在当潜弓l 起了全越界科学爨躲藏褪“1 。我髓翔遴 热孩聚交溢度邋常接近l ，毽弗莱蒂曼等久所骰安验中静反瘟澈度 怒低于1 0 0 豹常温，对魄之下，人们将此现象称之为“冷聚变”( c 0 1 d f u 8 i o n ) 。在我国，被称为“常温核聚变”。“常温核聚变”( “冷聚变”) 凝蠢无污染、低自源成本、离源产出盼优点，这一谍题的发现饺人们 囊霹藐在二毽纪开发窭无污梁、燕投入、褰产密、霹持续蹙翔瓣薮 黧能源。 “常温核聚变”在实粥化方面具有方便灵活的特点，如果能实现室 温条件下的梭聚变，便意味磐将来在实验蜜里就能很方便地获得无穷无 尽熬无污染熊澡，那将是人类粒一次疑瓣孳念。对魄之下，人类一嶷零 麓实现对热较爱应匏稳定掩制，虽然邑经取得了一些逡震，但是半个世 纪以来一直没有获得非常理想的成果，因为它所要求的实验设施非常庞 大，条件很苛刻弗且特别昂贵。热核聚变反应堆的自持反应要求单堆容 撼必须要达到爵万千瓦的数爨级才可能安现，同时还鬻耍耗瓷巨大的毵 马克装置( 磁约束) 或者超大功率激光器( 惯性约束) ，而且它对其它 种类能源的依赖性也比较强。由于在发生意外肘，反应堆有可能需要重 新鏖溯，辑以反应撼掰在静电网是宓须配备西力手瓦以上黪发电秘组。 毫予以上这些疆髑，久韶还不畿蠢定建说它懿熊源生产成本定低予煤 和石油等常规能源的成本。虽然“常温核聚变”也会产生少量带放射性 的氚( 半衰期为1 2 2 6 年) ，但避比热核聚变所产生的放射性物质( 如 中予、各种带电粒子以及射线等) 要少得多，就君前的实骏情况来看， “鬻溢孩聚交”爨产生熬氯是专分少量豹，基本上壤难溅定它的猴确量， 因此有观点认为根本不存在“常濑核聚变”，蔟实这正是“常温核聚变” 的优点安全并且无污染。“常濑核聚变”一旦达到实用化，其所需设 备、度应过程与热梭聚变相比都要简单很多。在“常温核聚变”最初的 磅究巾，爨月静方法有利用键( 黝) 弱壤毫甥窳敷豫锺( l i ) 溶滚戆 方法，粪空气体镶舔辉光放鬯狻o ”3 等等。米尔斯( 雏i l l s ) 和奈齐耘 ( k n e i z y s ) 等人扁朱用镍( n i ) 作为阴极电解碳酸钾轻水溶液也获得 了“过热”。这种方法成本较低，因为用轻水替代了昂贵的蓬水，而且 钾资源在地壳内含激丰富，比较充足，可以实现长期持续後藤，因此具 毒一定俊势。翳本秘掌家爱该方法重复实验获褥了3 0 蹶麴“遗熬”鲎蛳。 “常温核聚交”目前仍属非熬识的研究领域，但是从溜求创新的角 度出教，或者从追求无污染、低成本能源的角度来说，这魑项值得去 探索褥课题。尽管表面上看来，它属于基础研究范围，其实它应该属于 应埂蒸溅疆究静莛酶，霆舞这凌戮突一量套了实缓性遴震，碍澄 羹姨实 琉大溪模生产开发。该研究魏栗穗够突破，我戮乃至整个世莽将走肉“经 济发展能源供应环境保护”良性循环的轨道，对整个人类社会来说 将产嫩一项意义深濑的变革。 。2 “鬻潼核聚交”戆疆突灏变酗翻 常温核聚变( 冷聚变) 的起源和发展经历很多波折。在1 9 2 6 年， 德国科学家潘尼斯和彼得斯进行过类似的实验，在用氢通过灼热的钯 ( p d ) 粉或钯( p d ) 石棉时他们观察剥了氦( h e ) 的产生， 【蚧门认为这属于核 蒙交臻象著在1 9 2 7 年懿英重 杂恚上发表了文章。缀是毯羲熬 观点袋到了当时一悠权威的怀疑与批评，看来遮篇文章被撤回。苏联物 理学祭萨哈罗夫1 9 4 8 年提出了h 予( 以前称为介子) 催化聚变的思想。 1 9 5 6 年，伯克利的阿尔瓦兹首先观察到p 子催化冷聚变1 。 1 9 8 4 年，弗慕零曼和瘫颠嚣贻了链识的“零瀣挟聚变”裳验。美国 扬镥蘩大学豹璩戆 甄发表遥一婆辑究结栗。l9 鹕年3 胃弗慕希曼和庞簸 的结蓉正式发表，“常温核聚交”引起了全球游遍的关注。很多研究小 组试图蘑复这项实验，很多人寅称已经证实了“常温核聚燮”。然而， 2 在4 月2 8 日，布鲁海文实验室经三周的实验观察，发表结果认为弗莱希 曼和庞斯的结果并不可靠。5 月1 8f 1 ，庞斯等得到的v 谱中存在的问题 被麻省理工学院指出。9 月，专门针对“常温核聚变”研究的国际会议 由美国能源部主持在圣塔菲召开。1 1 月，美国能源部( d o e ) 发表了蓝 皮书，对“常温核聚变”表示了否定态度。但是人们对“常温核聚变” 的研究始终没有停止过。 我国从1 9 8 9 年开始进行过一些关于“常温核聚变”的理论、实验 研究并曾经有一些报道。1 9 8 9 年以后，全世界始终没有间断对“冷聚 变”的研究，现在，每年都有一届“冷聚变”国际会议( i c c f ) 召开。 2 0 0 2 年在我国由清华大学主持召开了第九届“冷聚变”国际会议：2 0 0 3 年第十届“冷聚变”国际会议( i c c f l o ) 在美国由麻省理工学院( m i t ) 主持召开；i c c f 1 1 于2 0 0 4 年1 1 月在法国的马赛大学举行：i c c f - 1 2 于2 0 0 5 年1 1 月在日本的横滨召开。从第1 1 届开始，“冷聚变”国际会 议( i c c f ) 更名为凝聚态核科学国际会议( i c c m n s ) 。 1 3 “常温核聚变”研究的进展情况 1 3 1 将氢的同位素充入金属中的实验 经过一些实验研究，有人认为，如果我们增加固体中氘( d ) 与钯 ( p d ) 的比例，只有这个比例达到某一临界值时才能够得到所需的“过热” “。初期研究“冷聚变”的实验比较注“过热”与充氘率x = d m ( d 为氘原子数，m 为金属原子数) 之间的关系，认为要产生“过热”，充氘 率越高越有利。1 9 9 6 年，m m c k u b r e 总结了“过热”产生的影响条件后 提出“氘气要流通”的观点，但是没有找到进一步的证据。受此启发， 1 9 9 9 年，清华大学在进行“气体充氢( 氘) 法”研究基础上，开始进行 “金属中氘通量与过热的研究”。日本新氢能实验室( n h e ) 的研究 计划中也提到要使充氘率达到0 9 和如何保持此充氘率，但并未重视氘 的流动“。三菱重工高技术研究中心( m h i ，l t d ) 的v 1 w a m u r a “”设计了 一套气态充氘系统并测量了“氘通量”对核产物的影响。 1 3 2 改进了量热、核产物测量、数据分析等方面的实验方法 最初的“冷聚变”研究中，人们的视线主要集中于测量放射性反应 产物，特别侧重于中子的测量；这是由于该项测量具有高灵敏性并且可 以由此判断核反应类型。但是测量结果往往并不理想，宇宙射线的干扰 等问题使中予探测结果越来越少。现在，人们普遍倾向于对“过热”量 的测量。这里有两个主要原因，第一方面，因为额外的能量的输出才是 “冷聚变”吸引我们的主要特点；另一方面，有分析认为常温核聚变在 放出热量的同时会放出4 h e ，而放出的中子与质子并不多，因此在实验 工作中应当主要去测量“过热”而不是去测中子。v n o n t n s k i 和j d a s h 的电解实验都是以测艇“过热”为主。 1 3 3 改进了实验方法 磷究褪絮匏亳纯擎方法是褥萋本中豹氛( d ) 宠久键( 黝) 、馥( i ) 、 镖( n i ) 等金震，螽寒靛方法扩袋蜜包接电解、气俸反蕊、敞毫、逶过 半导体的质子传导以及气泡形成弓i 起的空他、机械形变、突然分解氢化 物生物系统等各种方法1 。我国九院利用放电法在不同形式的氘气( d 。) 中邀行离压放电，观察到气体辉悲藏电实验咿有持续的中予发射，通过 韬冀激淫礁设了中予信号，莠震中子嚣谱涯实了遮釜蔫号不是寒一蓑教 应所产生的热核聚变中子。意大聱l 磷究a 员捺金属钯密封在离压氘气瓶 中，将气瓶置于液飘中冷却再取出将其升温，反复进行温臆循环，观察 到中予的产生。采用铂、铌、钨、钯、银、锏、钼、铁为电极材料也可 羹鼹察劐孛予发射“”。 1 麓4 与本逡文耱关鸵主要实验 v n o n i n s k i 釉j d a s h 的实验也都是采用电解的方法寻找过热，其 中，v n o n i n s k i 的嶷验用镍阴极电解含k ：c 和n a 2 c 魄的水溶液，用热 量损失差值量热器测量实验结聚。当电磐碳酸钾溶液时，霹淡察到每瓦 臻攀输入帮会膏臻曼黪淫凌上嚣；薅毫瓣磙黢镳溶滚霹，羹q 蕊察不妥这 一效斑。在位静电辩过程中，电解碳酸镩溶液对，输出的热功率大致楚 输入均率的1 6 0 ，逮与本论文燕骏所得到的嫩大“过热”讨分比基本一 致：所不同的是，v n o n i n s k i 的实验采用的楚小电流长时问电解、容器 不密蠲、搬镦荛戮校耱毫舞方式，嚣奉论文实验采臻魏是大奄滚毫簿， 容器密愆、髓髅为骥辍黪方式。j 。d a s l 懿实验最初在冷聚变会谈上进孬 了消泳，得到了大约2 0 9 6 的过热，并于2 0 0 4 年l o 月上旬在长器理工太攀 生命科学学院实验宣成功地进行了重复。j d a 8 h 实验也采取大电流电 薅、容器密蠲豹形忒，所不网熬是毫瓣渡选样了逸s 毡一d 2 0 溶液，孬对比 电解造黥电簿滚为氇s o _ 麟滚。燕爨j 。熬s h 戆实验褥戮的“逑燕”璜 率桶跗较少，但怒通过对p d 片黼极表面的分析，蕊察到了核嬗变产物髂 存在，这对于证明冷聚变现象的存在也是很濑要的。 1 4 “耄浸核聚变”主要鹣反应物和产橼箍禽 本文黄重讨论爝电解靛方法进行霉溢核聚交实验。通常爝铤作为爨 极，瀚水( d 。o ) 作为电解液或用镍为阴极辍水( h 2 0 ) 作为电解液。遮 主翳趄因为这两种情况下产生“过热”的重篾翠较高。当然，许多其它 因素，翔电流、电烬时鞫等对瞧孵过程也毒不强魏影璃。 i 。4 。l 萋零 在j d a s h 的嶷验中使用的阴缀钯而电解液是h 。s 饶一d ? o 溶液。这种情 况下影成的氢化物是它具有耐心立方结构且品格中含有肇位( x ) 的 毒 bp d d ，。通常在微米深的某个隧域内可以形成不稳定的氢化物，这是 因为在阴极表面的商效氘( d ) 滔度( 或浓度) 非常高。农丽区域容易 沉淀捐当量熬杂矮从嚣影响氖( 挣) 黥活瘦弱各瓣复合甥的鞠对稳定性， 系统的、捩态并不稳定，所以造成了实验豹重复经魄较差。 到目前为止已经有50 篇“”以上的论文报道了可以薰笈产生“过 热”的实验，总体来说在“常温核聚变”的研究过程中人们直在不断 地改谶实验手段。我们必需要了解量热中可能出现的误差以及如何消除 误差，才l 罄更壤确静理群“豢浚孩聚变”。魄建，在霉滠孩聚交翡最 初研究中人们大多使用开放电躲池，如同琼斯( j o n e s ) 等人指出的， 其中可能出现氘气( d ：) 和氧气( 0 z ) 复合，在这个过程中可以使用量热器 收集得到大小不等的能量，而这部分热量有可能就是所产生的“过热”， 爨叛凌在大多数研定都采翅翔合激鬓遗戆方式，或者毖较狻确豹测量氖 气氧气( d ：一吩复合的数量。 肖个典型的问题是，在无搅拌的量热器中存在温度梯度。为了解 释这个问题，弗莱希曼和庞斯等人证明了电解产生的气泡引起的溶液搅 拌足以消除她们愈锵池中比较大姻滠度梯度。另步 ，人们对电解池内壁 熬熬嚣经的嚣羲迄绘予了足够瀚藿褫，该层懿尺度受毫释涎癌滚动模式 的影响很大，因此这类恒温外套式璧热器的准确性可通过改变搅拌率和 改变气泡产生量来综合验证。另外，在有气濑产生的电化学条件下，没 有气泡产生的内热源所作的刻魔滗法使用，即仪用气泡搅拌的量热器或 墨瓤缓援搏率不确怒豹 毒嚣f 缀赡霹菜些潺瑷送行译接。鞠爱，菜些学 者所设计酶量热器融完全清除了漱凄梯度酶影蹶，如流萤黧璧热器、硬 壁恒濑外套式量热器。有人认为，“过热”的产生需要一个平均 d p d ( 这个比值表示一个p d 原子周围有几个d 原予) 阈值，且谯 d p d 阈 焦丈予该蘧居，“j 建热”夔 d 3 【p d 比值豹增嬲面增热。魄漉也有同样 静效痰，韶存在一个电流阙篷，彀滚低手这令穰时我鬈j 蠢不嚣“蓬熬”。 这个问题在“过热”与 d p d 】的比值和电流的关系上是敬的。常温 核聚燮的研究可以概括出如下缡论：电流必须维持相对较长的时间； 电流密度必须越过菜个临界馕； d p d 比必须超过一个临界值； 套辩逶过在电鳞渡孛燕入菜蹙焱囊可活斑揍瞧豹怒；努裳发热效应 仅仪出现在样品的一小部分嚣域。 i 4 2 轻水 猩j d a s h 的实验中用轻水( h ：o ) 来做参比池的电解液溶荆，而在 v 。n o n i n s k i 的实验枣疆本文的实验中嚣个电辫漶魇曩豹龟瓣渡溶裁都是 轻承。最初庞颓( s p o n s ) 宣狡电解轻零对褥捌了“遥熬”，疆嚣来擞 回了髂果。米尔斯( m i l l s ) 等利用轻水得到了可重复的“避热”，证明 了氯( h ) 也可能产生“过热”，并且可以得到不同的核产物。米尔斯 ( m i l l s ) 的实验被多次重复并且有证据证明“过热”来鼬于核嬗变， 并同时观察到在电解碳酸钾时在电极表面发生了电催化反应。 1 4 3 核产秘 1 氯( 常温核聚变中形成氚的量与电解池中的杂顺有关，还与阴极表面的 枝晶商关，往往产生氚的量比较少，而且主要存在于电解液中而不是以 d t 混会气体的形式存在。面以d r r 混台气体的形式释放出来的通常是原来 终为杂矮溶予列中瓣氖。这耱褒象凌鹅了鼹溅鍪l 戆氯与氯兹污染无关， 而且也不是在p d 体内形成的，只有表面形成的氚才可懿溶予电解液中。 可以用来说明在p d d ：o 系统产生异常氚现象并且比较热型的是威 尔( w i l l ) 等在前国家冷聚交研究所在与环境完全隔绝的情况下进行的 邀簸实验。在链秘鹣逛薅渣孛装蠢2 s 氇( 或h 。s 融) 邀解滚和笈合摧讫裁。 阴辍健瘸丽一蠢毛p d 祥晶，在个禽有鞫静奄躺漶中发瑗了7 l 酽2 1 l o “个氚原子“。而在含h 2 0 的电解池中氚暇予少于4 1 0 9 个( 检测极 限) ，而其它批p d 样品得到了低于检测极限的氚。由于钯( p d ) 样品中 t 嬲比远远离予电瓣液中的 t d 比，说明所产生的氖来自于钯 ( 憨) 。逶逮努餐袈缓来整蘑遵豹键 琵) 襻熬没蠢受囊戴澎染。 2 氮( h e ) 程常温核聚变的研究中人们直认为核产物中可能会旃h e ，但由 于4 h e 难于检测，所以这一点直剿米尔斯( m i l l s ) 的报道发表才得以证 实。魄凭学薅系孛4 e 豹产生在葵窀磷突串瞧螺经褥到涯实。 璐在已经诞蕊了有麓e 对照然有“过燕”产生，誓f e 懿数量与蘸一 氘反威定量相对应也已经被证窳。斯坦福研究所的m e k u b r e 和t a n z e l l a 在p d c 催化剂气态充氘实验中，用高分辨翠四极质谱仪对4 h e 进行了 在线测量。结果如图1 1 所示，反应室内( 3 ，4 a t m ) 压力撼予周围的大 气嚣( 1 8 掘) 。 计算表明：反成室内氦一4 浓度最高量不会超过】2 2 p p 这是由于 周围大气中的4 h e 向反应室内扩散。此时空气中4 h e 含量鼹5 2 2 p p m 。 测量时间为2 8 天，结果是氘瓶中4 h e 豹数爨远高于作为对照组的氢瓶 孛豹键e 魏差，逮远裹予窆气巾麓含量。2 2 p p 臻。 3 中予 有数以百计的文章曾经报蠛中子的测量镣果，但是只礴少数实验测 到了中予及其能爨。商桥量仁强电解池中得到“过热”的同时也测量 到了中予熬发射“叭删。蚀豹能港楚铡露n p 2 1 3 探头结台脉冲高度分摄 方法褥封静，薰在2 。4 5 麓e ￥、4 5 鹾e ￥藉7 鬻e v 辩逐出现骥爱豹耀。毒 其它些研究也报道了相似的能蹩值和反射率。尽管他的实验表明“过 6 图1 14 h e 的在线测量结果 热”与中子是有联系的，但多数研究在产生“过热”时没有测到中子， 当然，也有可能是仪器的灵敏度不够造成了测量的失败。也有可能中子 的产生与“过热”来源属于不同的反应，因此两种反应都发生时才能同 时观察到中子与“过热”。 4 核嬗变产物 米尔斯( m i l l s ) 和帕腾森( p a t t e r s o n ) 在流动的l i 。s o 。轻水溶液 中针对塑料球上的薄层进行了检验( 具体实验参见2 4 节) 。他们对使用 前和使用后的材料都进行了十分仔细的分析，排除了电解液的影响。通 过中子活化分析( n a a ) 、能量色散x 射线( e d x ) 、俄歇电子谱( a e s ) 和 二次离子质谱( s i m s ) 分析后测得了显著数量的f e 、a g 、c u 、m g 和c r ， 还有其它一些浓度较低的元素。以浓度对原子序数作图( 参见图2 8 ) 时 发现有4 个区域的浓度较高且在1 5 、3 0 、5 0 和8 0 号元素处于显峰。许多 轻元素可能是来自于局部的杂质，但大多数元素的浓度比较高，是不能 用杂质来解释的。许多检测到的元素表现出反常的同俄素比值，同时发 瑷在n i 层内部浓度较毫露在表露浓度e 鞍抵，这说明了这一现象并不是 疆j 毫镀形成魏。“”3 。 1 5 常温核聚变研究中的主要困难 起初常濑榱聚变遇到的最根本困难是没有合适的物理模型可以勰 器这耱塞滠下发生兹孩反应。覆子孩稻滚予静靛量差剩缀大，镀建在棱 物理与纯学之间架起常温孩聚变的桥梁。弗莱希曼( f l e i s c h 玎j a n n ) 、庞 斯( p o n s ) 、糕金斯( h e w k i n s ) 以及琼斯( j o n e s ) 镣人的实验结聚认 为常温核聚变的确存在，但建由于没有可适当的解释这些结果的已知理 论，一鞋又我不出囊麴理论寒支持这个终论，谴褥缀多辩学家谈爻鬻渥 核聚交是不存在鹩。两由予一些常温孩黎交实验静数撼并不精确盈冤法 熏复获得，也使得这些实验得说服力下降。固守在人们头脑中的核反应 的传统理论一赢占据着主露地位，也使得许多人不承认常温核聚变的存 程。 实验戆鬟笈经差是豢滏核聚交骚究豹难点之一。久霞l 逶逶对簸镶实 验条件盼逐步摸索，在这方面已经取得了一些成绩。研究者还发现， 对所获得数据的处理方法也很重要，合理的处理和总结可以使人们发现 熙多的规律，从而提高重复嶷验的可能饿。没有及时记录著控制一魑重 溪豹实验变鬃，藏缀容爨馒窍效豹实验炙法捧委重复。跑懿反应懿麓、 藏应温度、爱殿物耪蒺的繁酌多少等等，一些看来微不足道的参数墩有 w 能是重复实验所必需的，而且，各参数之间的匹配也是相当重要的。 在研究中，即使是很小的随机误差也有w 能导致结果的不同，常温梭聚 变实验对实验祭 睾、实验参数盼要求几乎是苛亥l 熬，遮氇正蹩研究忑搀 豹难熹所在。 1 6 本文的研究内容与意义 本文在j 姚s h 和n o n i n 8 k i 的工作基础上进行了扩餍。实验的基本手 羧仍然是疆羹热菇主，蘩黧测到较大弱“_ 遭热”量，嚣鼹予孛子发瓣、 梭嬗变产物的研究并没有深入进行，因为人们对“冷聚变”的主要必趣 溅是起源于“过热”的产生，而实验条件的限制使我们觅法对中子发射、 核嬗变产物进行准确的测定。本实验根据实验体系的热平衡关系，通过 测定辕入和竣燃体系的能爨对魄来诗算掰产生的“避热”。藏麓的实验 烹要是磅究大嘏流下碳酸铆轻承滚滚与躐酸镛轻承溶液戳秘兔陵极、& 为阳极电解时所产生“过热”量的差别，进一步的实验以碳酸钾轻水溶 液为电解液，仍旧以p d 为阴极、p t 为阳极进行电解，首先进行小电流长 时间的电解，将氯气充入p d 片，然后进行大电流电解，同时用较大功率 8 的激光照射p d 片，研究激光照射对电解中的p d 片的触发作用，在较大功 率激竞靛触发下鼹褰“过热”豹产生。舔究表磷，每邀簿碳酸镶较隶 溶滚稿院，在大窀滚毫解穰袋铎轻永滚液过程中懿矮可疆褥劐受多瀚燕 鬣，也就疑“谶热“， 而激光照射的确对于“过热”的产生有着触发作 用。 辱 第二章“常温核聚变”的相关实验 2 1j d a s h 的电解实验 j d a s h 的电解实验中，分别以钛和钯作为阴极，电解质包含为硫 酸与重水的复合液，其比例是o 0 1m 0 1h 。s 0 。：o 9 9m 0 1d 。0 ，采用恒 定电流( 电流密度2 a c m 2 ) 电解1 9 4 0 0 0 秒，“过热”以1 2 瓦的速率生 成。用s e m 和e d s 对电解前后的阴极进行分析显示电解过程中有一定浓 度的新元素( v ，c r ，f e ，n i ，z n ) 生成，从而形成了新的表面形貌特征。 并对电解重水后的钯的形态和微观成分进行了研究。表面出现的纤维据 观察随时间而变化。 实验过程中反应池与参比池两池温差在4 5 分钟内可达到稳定，在 稳定状态下钛阴极反应电池比参比电池温度高大约4 ，而反应电池输 入能量比参比电池低大约o 2 5 w ，这种温度差异持续了8 2 0 0 0 秒。钛阴 极在电解前后都以s e m 和e d s 检测。每次检测前阴极都以超声波清洗几 次，每次用去离子水清洗5 分钟。在电解过程中出现了各种浓度元素( s ， k ，c a ，v ，c r ，f e ，n i ，z n ) ，形成了新的表面形貌特征。 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 ： 釜8 b 4 2 0 m 2 图2 1j d a s h 实验量热结果 用钛阴极薄片得到的结果与用钯阴极薄片时相似，用h 。s 氓一d 扣电 解质( d a s h ，e ta l ，1 9 9 4 ) ，“过热”和新元素都可以重复实现。一个有 趣的不同点是用钛阴极时从电解一开始就有“过热”而用钯阴极时要经 过一段时间才有。出现“过热”时间的长短决定于钯片的厚度。厚度为 0 0 2 5 m m 时，出现“过热”的时间大约为3 6 0 0 秒，厚度为o 1 m m 时， 1 0 其时间大约为一天，相同条件下用钛好像比锻产生更多的“过热”。对 于钯和钛，阴极只有电解后的电极表面可观察到意外元素的微量碎片。 遂萼亍电瓣时电麓质使用洲缎较低的酸性魄烬物，内予在酸注电解 耪中遮磐萃争类静浓度魄较高，可以提高氢酶丽位索在强稷的流鑫量；著 将2 m m 赢径的钯阴檄改进为钯钛众属片厚度小于l m m ，这样减少了使钯 中氢的同位素含量饱和的时间。 j d a s h 所徽的实验褥出的绪论如下： ( 1 ) 无雪叁采溺铤或获薄冀终鞘稷，在电勰羧经重承嚣嚣产生“避 热”，且试验重复链很好。 ( 2 )电解后阴极表面上产生了新的元索。 ( 3 ) 在室温下即使电解已缀停止很长时间，钯阴极还礴一定变化。 ( 4 ) 电解结裘嚣太约7 个冀，在键弱掇淡嚣鼹溅窭| 露镪转变为镊 的渣苏。 2 2v n o n in s k i 的电解实骏”封 v n o n i n s k i 在不十分清楚棚干发应量子化学能的情况下，在美国 毒簧宽海文鏊家实验室( 8 臻) 按照毫键学夔爨毒摹竞藏了“邋熬”褒象 的实验。 矗 id 强2 2￥e ，n 辅l n s k i 豹毫瓣池装置 其中：1 真空杜瓦瓶2 温艘计3 p t 阳极4n i 阴极5 磁力搅拌f 6 电阻加热器7 胶寒8 聚四氟乙烯臀9 磁力搅拌器l o 铝筒 l l ? 莲 3 毒 s ， 他们的电解池如图2 2 所示，电解池与参比池是形状与尺寸完全相 同的两个2 0 0 m 】镀银的真空池装置。电极( n i 阴极、p t 阳极) 、电阻加 热器以及测量温度元件和搅拌速度都是相同的。 实验采用镍( n i ) 阴极电解含有碳酸钾( k 。c o 。) 和碳酸钠( n a 。c o 。) 的水溶液，利用热量损失差值量热器进行实验的测量。与量热器的实验 是一致的，当电解含有钾( k 。c o 。) 的溶液时，可观察到每输入l 瓦的功 率时，系统会有明显的温度上升；而当电解含有n c o ，的溶液时却观察 不到这一现象。 在0 0 8 3 a 电流下，将电解持续5 7 6 0 0 秒，可以得到电解碳酸钾时 系统的加热系数约为5 0 w ，而碳酸钾在电阻加热时系统加热系数约 为3 0 w 。通过计算得到输入到实验系统的能量约为4 8 0 0 j ，而从系统 中输出的能量约为8 0 0 0 j ，因此，得到的输出功率为输入功率的1 6 0 。 2 3 a r a t a 和张月嫦的电解实验” 图2 3 给出的是a r a t a 和张月嫦采用的电解池与钯阴极。其中钯阴 极外壳是金属钯( p d ) ，里面装有尺寸约是0 0 4h 的钯黑颗粒。电解液 是浓度为0 1 m 0 1 l l i o d 重水溶液。在电解的同时进行了量热学测量。 如图2 4 所示，实验中测到了大量的“过热”。在后两个星期的电解中， 测到的“过热”功率在1 0 w 9 0 w 之间上下浮动。a r a t a 和张月嫦还对 电解之后的钯阴极进行了成分分析。他们采用的方法是在高真空下( 3 1 0 呻t o r r ) 用高温( 1 3 0 0 k ) 烘烤电极，再用高分辨率的四极质谱仪 对电极中放出的残余气体进行分析。他们采用的四极质谱仪可以分辨出 4 h e ( 4 0 0 2 6 0 ) 和d ：( 4 0 2 8 2 0 ) ，也可以区分l h e 和h d 分子。 蕊2 。3a r a t a 和张胃嫦的电辫池与电极 妻 星 c 毋 l s l g i 端l i lb r l 图2 4“过热”测试嘲 么蝴j j l m u 山 。“苴舢甄从删 “。从“川刖。翩p 以丸 u。上l 上l 且腹硒1 l l 蓬2 。5 褰一4 濒试结鬃阑 i 4 ；h e d h；导8 d h 1 i 以一：月戌， 。 f 、， 一。 。，l 。 ，一：爿。 4 胁：d 2 一( 1 o 2 ) x 1 0 4 4 h e ? h e 。4 上述结果是原子数目比，此外，图2 5 、图2 6 也同样清楚地显示 出了实验结果。 2 ，4m ii e y 的电解实验”“ j m i l e y 的实验工作使用了j p a t t e r s o n 设计的电解池进行。流 程图与电解池如图2 7 所示。这个实验中电解池的特点在于内部放着大 量的直径约l m m 的塑料小球，在小球表面镀了一层金属n i 或p d ，或者 是n i ，p d 交替镀层，镀层豹厚度从几百到几千个埃( a ) 。m i l e y 以金属 铂作为阳极，镀了金属的小球作为阴极，轻水作为电解液溶剂进行电解。 在其中一次实验里，塑料小球表面所镀的镍层厚度为6 5 0a ，电解 液是l iz s 0 t 轻水溶液，浓度为1 m o l 几。实验时间共3 1 0 小时，整个过程 中测到了功率为0 5 o 4 w 的“过热”。电解之后利用中子活化分析技 术( n a a ) ，二次离予质谱仪( s i m s ) ，俄歇电子谱仪( a e s ) ，x 射线分 析( e d x ) 等分析技术对小球表面的镀层n i 进行了元素成份分析，结果 在镀层中发现原来含有的许多元素的量比在电解前有所增加，其中所含 的f e ，c u ，a g ，和c r 等元素，每一种元素所占的原子百分比均超过 2 。详细的结果可见图2 8 a j b 。在未进行电解的n i 镀层中，这些元素 的含量是极其微小的。以a g 和c u 为例：为电解n i 镀层中两元素含量 分别为1 2 5 4 p p m 和2 7 o p p m ，而电解后的船和c u 的含量却变成为 2 5 9 4 9 p p m 年口1 8 4 0 9 p p m 。 图2 7 am 订e y 电解实验流程图 1 6 l a t t e r s ( ml o w e rc e l l 1 1 l tt e l l l l _ ) e r a t m e 图2 7b 电解池结构图 】7 c k 簪? c d a 瓿 可 s u t o n c n 帅m 啊旺 匿2 8a 新元素产率圈承 p 岫“h 2 c “孥 掌 矗 警 孙 擘 雌 郴 s np b 肇 s b 图2 8b 新元素产率图示 l g m叠目口#*女￥* 实验中还进行了同一种元素各种同位素丰度比的测定，测定结果显 示，电解后的n i 镀层中新元素的同位素丰度比不同于电解环境中的丰 疫魄，这载蓑 除了污染或杂质沉积豹可能。骚i l e y 的实验也疑棒证硬了 电解j 筵程中存在棱建交瑗象，生成了薪酶元褰。 2 5m e n g o li 的隗解实验“1 n g o l i 的电解实验中既进行了重承与辍水的对比实验，又对不同 毫辍尺寸会有不两黪效应送行了磺究。实验中袋焉豹毫解滚鞠銎2 。9 瑟 示，采用钯作为阴极，镍作为阳极。m e n g o l i 一共进行了六次实验，采 用的电解液是浓度为0 6 0 1 几的k 。c 魄重水溶液，只在第六个实验室时， 换成拥应的轻水溶液。前三次实验中，钯阴极用相同厚度锻片，只是面 积不溺；实验强慕瘸曼殍一些熬镪片，瑟积与实验一孛镪篾糕霹；实验 五采瘸铯棒，实验六采用薄锶冀，蒋五次实验采用电鼹耋承，第六次实 验改用了轻水，六次实验的钯阴极尺寸依次如下： 实验一 1 3 2 5 o 0 2 c 栅3 0 7 8 9 蜜验二 1 3 l 。l x 0 0 2 洲3 灾验三 1 2 7 4 1 6 o 0 2 c m 3 实验瑟 1 3 2 5 0 0 5 斓3 熨验五啦o 4 锄1 + 4 5 洲3 0 3 稿2 9 1 2 2 6 9 l 。3 碡g 2 1 8 7 9 寥；垒岁 1 i 4 。3 x + 0 2 燃3l 。1 1 2 9 电解过程中电解液温度维持在9 5 ，结粜，在不同大小的电解电 流下，前五次实验都有不同程魔的测到了“濑热”，第六次实验也测到 极其微小的“过热”。详细的结纂见表图2 1 0 ，这说明实验的重复率是 鞠当寒瓣。 1 9 o 2 5 差o 。2 0 。1 5 o 1 o 0 5 0 0 0 5 _ o 1 o 图2 9m e n 9 0 1 i 的电解池 t i m e 艟n s o1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 0 0 u l o 如 图2 1 0 实验六的结果瞬 第三章典型的常温核聚变理论模型 3 。 分数氢( 珏y 蠢r o 魏eh y 蠢r o g e n ) 摸黧2 8 嘲翻 j 贝尔麦在1 8 8 5 年提出，可以用一个完全经验性的关系式来解释 氢原子发射谱中的谱线频率。后来，j 里德馕扩展了这一理论，提出可 以用下列方程表示飙原子的所有的谱线频率： 歹；霖x ( ( 3 1 ) n r 一胛j 其中：r 为里德堡常数，其数值为1 0 9 6 7 7 c m ；n 产2 ，3 ，4 1 9 1 3 年，n 玻尔提出了一令氯覆子豹瑗谂，毽绘邂麓携级与里德 堡方裰楚一致酶。1 9 2 6 年，蘸淹谔瓢不同鹣氮琢子理论蠢发，同样推 导出了相同的方程，w 海森堡也独立地推导出了这一方程。 坟磊去一半 3 。2 ) 其中；a 。为氢原予波尔半径，熊值为5 2 9 4 7 p m ；e 为电予的电荷量： c 。为真空介电常数；n = l ，2 ，3 分数氢是氢瘢予以低于传统“基态”( n = 1 ) 能量的分数慧予态存在， 其体强在( 3 。2 ) 式孛给窭懿黧簸子戆缀方程中，n 不仅仅疆予整数 n = l ，2 ，3 ：n 还可以取分数_ 德帮： 1 1 1 n 。j j i 该理论靛主要特征是所有粒予( 瓢原子到宏理粒子) 豁遵守该物理 定律。这一方程稷设静逮赛条佟蹩r 一一，瑶一0 ，这一熹奄簿定译方鬟 是不间的。利用这一边界条件，w 得到完全不同的粒子、原予和分子模 型以及不相同的物理概念。 将这个模型成用于本文实验，可以认为：在电解含有铘离子的水溶 滚孵产生了“过热”嚣毫瓣含镄凌子夔瘩溶滚帮没毒褥到，廷嚣必程电 解含脊钾离子永溶液中发生了魄倦亿反应，反寝中所放出的热量是由予 氢原子的电子转变成了比通常基森更低能量的辍子能级上( 这里的低能 量状态相当于方穰3 2 中的分数攫子能级) 。根据新理论，氢原子( n = 1 ) 转交戏更低豹能爨状态是由于共振l 量空穴( 麓称“能穴”) 酌存在丽 澎戒。蠢予氢器予的基态势麓为2 7 抛y ，在发生这穗蠢 鬣能状态转交 的过獠中，会释放出能量和相威地缩小氢原予的半径( r = n a ) 。例如： 由h 。转变到。时释放出4 0 8 e v 的能量( 参见方程4 2 ) ，而氢原子 2 l 的半径由a 缩减到a 2 。在此过稷中“能穴”为氢原子的转变起到了有 效的倦化作用。这种起“能穴”作用的催化系统包括钾离子( f ) ，由 于锣麴= 次电离能力必3 1 。6 3 e v ( _ 真空能级) ，这个能级对予2 7 。2 e v 的 共振嗷收来说太大；徨是当矿转变秀k 时释黢蹬4 ，3 4 e v ( 凑空缝级) 的能墩，综合k + 副胪和k + 到k 厢会有一个2 7 2 8 e v 的净能赞( 真空能 级) ，这个激发可用下式表示： 2 7 2 矿+ 要+ + 墨+ + 抒抽- l 扣。1 呻拦+ 譬2 + + 日l 。+ 4 0 y ( 3 3 ) 而嚣原子和足2 + 将商一个电子的转移，同时释放出能量： 譬+ “_ k + + 爱+ + 2 7 2 y( 3 。4 ) 总的僚亿反应为： h 。) 一日，l 。、+ 4 0 8 e y ( 3 5 ) ”。j ”一 聪此，每个基懑氢原子发生这种转变时都会释放出4 0 8 口矿的净能 量，警然雹寿哥藐发生冀它酶篷纯转交，餐蟊：撵= 言一专，寺一，。 这种转变通常发生谯镍( n i ) 阴极上。当电懈含有碳酸钾的水溶液时， 由h 。o 释放出的h ：中的一部分在催化表面上产蹦三氢原子( h ) 。在方程3 5 中攒爨了4 0 。y 楚攫赫。，。) 转纯成量子凝态戆器，；。瓣每个氢驻予 驴。三7 j 所释放出的能量，这个值为黼“m d f 。与燃烧m “h 。放出 2 8 6 u m o z 能量相比较要大得多。 褥假设钠离予( 舶+ ) 有2 7 。挽y 电催化菠应豹可能搜，弱+ 代 替爱+ 辩禳撵方程( 3 。4 ) 其反自爱斑翅为吸收4 2 1 5 p y ，瑟： 肋+ + 胁+ + 4 2 1 5 e 矿一胁+ 胁” ( 3 6 ) 骥实上，大多数的电解实骏与电解碳酸钠熄相似的，它们不能提供 约2 7 知y 的“能穴”，仅有少数熬电织液和电极的组合能趋捌催纯反应 两产黛“过熬”，镄躲碳酸镶麓滋供2 7 复y 蠡孽“憩穴”。 3 2 选择性共振隧穿( s e l e c t j v er e s o n e n tt u n n e li n g ) 模型 人们心中一童筇在一种误解，自然界中太阳上的核聚变鞠人造氢弹 孛鲍援聚交搜大翻慧是谈为：棱聚变定要农裹遗下送行，嚣显接蒙交 必然与高温和等离子体相联系，只有等离子体中的动能方熊克服两个带 电轻核之间的库仑斥力，才唷穿邀库仑位垒而发生聚变反应。而实际上， 克服库仑位垒可以依靠“共振”黼不靠动能，因为轻核之间的库仑位垒 高度在2 0 0 k e v 以上，而氘一氚聚变反应的截面却在l l0 k e v 处达到极大。 当入射粒子的动能比1 l o k e v 还高时，聚变截面越来越小。这一现象是 不能利用动能克服库仑斥力来解释的，也无法用一般的量子隧穿来解 释，而可以解释为是一种共振隧穿现象。“” 共振隧穿模型：此模型为两个带正电的轻核，在远处的相互作用是 库仑力，在近处是强相互作用的核力，可以用一个短程的方位阱加库仑 位垒来描述。在核力力程内存在聚变反应的几率，可以用一个核力位阱 的虚部来描写，虚部越大，对应的吸收越强烈，相当于该反应道的寿命 越短。这种复数位阱的描述既保留了波函数在穿透库仑位垒后对波函数 相位角的记忆；又保留了核反应速率对波函数寿命的影响。于是就能从 中找出与共振隧穿相匹配的反应道。这个简单的方阱模型被首先应用到 著名的氘一氚聚变反应，并取得了成功。 将这