（材料物理与化学专业论文）充氢率、压力和激光对hpd气固系统“过热”触发的研究.pdf

摘要 本文在h p d 气固系统中，分别研究了压力和h e n e 激光两种外部 条件对不同充氢率( x ) 的含氢钯材的“过热”触发效应，以期找到某 些范围内系统产生“过热”的最佳条件。实验首先采用常温低压( p 1 a t n 法对钯丝进行气态充氢，然后分别通过改变系统压力和激光功率照射对 不同x 的含氢钯丝( p d l ；h x ) 进行“过热”触发实验。定义x = o 时的热 效应为系统的热平衡常数( k ) ，分别根据温度变化和k 的比值确定不同 x 的氢化钯触发后得到的“过热”量。实验结果表明：当系统压力以6 o 1 0 4 p 柏的速率减小时，x 为0 1 的含氢钯丝放热最大，系统的最大热 量为3 3 3 7 j ，相当于每个氢原子放出热量6 2 5 1 0 4 8 j ，系统不存在“过 热”现象；当不同激光照射不同x 的含氢钯时，有“过热”产生。当以 3 0 i i l w 功率的激光照射x 为0 4 6 的钯丝时，系统出现最大“过热”，“过 热”功率约为4 0 m w ，激光作用时问以3 6 1 0 3 s 秒计算，“过热”量约 为1 4 1 0 勺。平均到每个氢原子放出热量3 o 1 0 - 1 3 j ，由此可以推断， 在常温、压力减小速率在6 o 1 0 4 p 矾条件下，压力对“过热”的触发 作用不明显；对于波长为6 3 2 8 n m 的h e n e 激光而言，在激光功率 3 0 m w ，充氢率为o 4 6 时( o x 1 ) ，获得的“过热”最大。 关键词：氢钯气态充氢系统充氢率“过热”压力触发 激光触发 a b s t r a c t 1 1 lt l i i sp a p e r s o m ec o n d i t i o so f “e x c e s sh e a t ”t r i g g e r e db yp r e s s u r ea l l d l a s e rw e r es t i l d i e di nah y d r o g e n - p a l l a d i u mg a s1 0 a d i n gs y s t e m ，i n0 r d e rt o f i n dt h eo p t i i n u mf o rg e t t j n g “e x c c s sh e a t ”j nt h es y s t e m a tf i r s t ，1 h e e x p e r i m e n t w 够c a i e do u tb yc h a r g i n gh 2i n t op dl a t t i c ca tr o o m t e m p e 髓t u r e 托dh y p o a t m o s p h e r e t h e nb yd e c r e a s i n gs y s t e mp r e s s u r ea n d s p o t t i n gal 弱e rb e 锄o n ap dw i r cw i t l ld i f ! f e r e n tl o a d i n gr a t i o s ( x ) ，“e x c c s s h e a f w a ss t i m u l a t e d h e a 曲ge q u i l i b r i 砌c o e 伍c i e n t ( k ) w a sd e f i n e d 船 h e a t i n ge 琢；c tw h e nt h el o a d i i l gr a t i ow a sz e m ，“e x c c s sh e a t ，o fp a l l a d i 啪 0 f c o n t a i n i n gh y 出0 9 c n w a s嘲c i l l a t e db y c o m p 撕n gm ec h 锄g e o f t e m p e r a t u r ea l l d kt h er e s u ns h o w e dt h a t ：i t h ep r e s s u r es t i m u l a t i o n p r o c c s s ，也el a r g e s tq u a n t i t yo f “e x c c s sh e a t ”w a s3 3 3 7 j ，e a c hh y d r q g e n a t o mg a v eo u t6 2 5 1 0 1 8 ja v e r a g e l y ，“e x c e s sh e a t w 鹊n o ta p p a r e n ti nt h i s c a s e ；w h e nt h ep a l l a d i u mw n w j t hd i f f c r e n tl o a d j n gr a d i o sw a si r r a d i a t e d b yt h eh e n el a s c rw l l i d lw a v e l e n 垂h i s 6 3 2 8 n m ，“e x c c s sh e a t ”w a s o b t 萄n e d w h e nl a s e rp o w e rw a s3 0 盯】wa d1 0 a d i n gr a t i ow a so 4 6 ，t h e i a r 萨s t “e x c e s sh e a t ，p a w e ro f4 0 m ww a so b t a i n e d ，t h e “c x c e 蟠h e a t ” w a s l 4 1 0 2 j o u l e sw i t 蚯nl h el a s e ri “a d i a t i o n p e r i o d w a s3 6 1 0 3 s c o 玎c s p o d i n g t oe a c hh y d m g c na t o mg a v e3 o 1 0 - 1 j j a v e r a g e l y t o c o n c h l s i o n sw e i ed r a 啪f 如ma b o v e ：u n d e rm ec o n d i t i o no fr o o m t e m p e r a t u r c ，t h ep r e s s u f cw a sr e d u c e di nt h er a t eo f6 o 1 0 斗p a s ，“e x c e s s h e a t ”c o u l db es e e n ；t o6 3 2 8 n ml a s e rs t i m u l a t i o n ，t h em a x j m u m “e x c c s s h e a t ”c o u l do c c i l ii l it h es y s t e mw h e nt h el a s e rp o w e ri n p u tw a s3 0 m w 孤d l o a d j n gr a d i ow a s0 4 6b c t w e e t h el o a d j n gn d i or a n g ew a sf r o mz e r ot o o n e k e yw o r d s ：i i ，p dg a sl 吣d i n gs y s t e l n ，g a s i 魄d i n gr a t i o ， “e x c e s s h e a t ，p r e s s u l t r i g g e n 器 l a s e rt r i g g e r i n g 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展和人口的增长，使得人类对能源的需求量越来越 大，能源问题已经迫在眉睫。矿物燃料是人类现阶段的主要能源，但日 益增长的能源需求与日趋枯竭的矿物燃料之间的矛盾越来越明显，而且 大量燃用矿物燃料对环境已造成了很大的危害。大气污染、温室效应以 及光化学烟雾等现象对生态的破坏也已经越来越严重。从对能源利用发 展趋势来看，采用优质、高效、便捷、无污染的新能源取代污染严重的 矿物燃料是人类社会发展的必然趋势。某些预言家和科学家把希望寄托 在核能上。由于利用核裂变反应堆获得电力的方法往往产生大量的放射 性废物，这种废物的处置是个非常棘手问题，而且铀在地质中储量也是 有限的，目前人们正在加速研究增殖反应堆。尽管聚变材料氘和氚极为 丰富，但由于氘与氚发生核反应时，在反应堆中形成了非常强大的中子 辐射，从而引起感生放射性，它虽不像铀裂变产物放射性污染那么严重， 但仍存在放射性废物的处理问题，而且要达到实用化还需要一定的时 间。为了使氢原子核聚变反应链不产生中子，为了尽量降低核产物的放 射性强度，科学家们提出了两种新思路：一是改变核聚变材料，二是开 发“冷聚变”技术。1 9 8 9 年3 月英国科学家弗莱希曼( m f l e i s c h m a i l n ) 和美国科学家庞斯( s p o n s ) 【1 】在犹他州盐湖城犹他大学召开新闻发布 会首次宣布，他们在用铂( p t ) 作阳极、钯( p d ) 作阴极电解重水的过 程中得到了超过输入能量数倍的输出能量( “过热”) ，由于无法用化学 反应理论解释这一现象，m 用e i s c h m a n n 和s p o n s 认为在他们系统中发 生了“氘氘核聚变”，这一事件在当时引起了全世界的轰动。相对于近 亿度的热核聚变而言国外将此现象称之为“冷聚变( c o l df u s i o n ) ”，在 国内，钱学森先生称之为“常温核聚变”。按照目胁的核物理理论，核聚 变只能在极高压力和温度条件下才能发生，这对反应堆的设计和结构材 料的选择都是巨大的挑战。如果能实现室温条件f 的核聚变，便意味着 将来在实验室里就能提供取之不尽、用之不竭的清洁能源，这无疑将是 人类科学史上的重大突破。这两位化学家的i 作激起了全世界无数科学 家的兴趣，他们纷纷开始在实验室罩重复这项实验。然而，实验的结果 并不令人激动，只有少数科学家能够观察到窀温条件下“核聚变”的发 牛。美国能源部( d o e ) 根据许多失败的实验丐了一份报告，正式否定 了这项轰动一时的“科学研究”，结论为两位科学家测量错误和为获取研 究资金的不恰当动机。一项似乎能获得诺贝尔奖、并有可能改变人类命 运的科学研究就这样被打入冷宫。但是也有一些科学家并未就此罢休。 十多年来，不断有人继续探索“常温核聚变”的可能性。 目前多数人认为实验的缺憾不应抹杀这一研究的重要意义。“常温 核聚变”的问题既有系统性的，也有技术性的，其中系统层面包括研究 机构和政府的认识不足，研究资金支撑不够和国际闻合作缺乏等。技术 层面包括没有合适的测量仪器，缺乏对材料的系统分析和创新的实验， 以及苛刻的重复实验条件等。一些以前不具备的条件现在已经逐渐得以 完善。因此，一些科学家认为，现在到了对“常温核聚变”进行重新评估 的时候了。十几年来，许多国家投入一定数量的人力和资金，竞相开展 这项研究。科学家们通过多种途径进行探索并开展了广泛的国际合作。 “常温核聚变”作为一种获得能源的技术，在目前尚处于争论之中，但作 为一个未知的科学领域，在世界上仍有许多科学工作者在为之奋斗。一 旦成功，它将意味着矿物燃料时代的结束，还可以消除空气污染、全球 变暖以及西方对政治动荡的中东的依赖。这是一个凝聚态物理、核物理、 材料科学和电化学等几个学科交叉形成的新领域，对其深入的研究不仅 可开辟认知领域的新天地，而且为将来的能源开发与利用以及那些不可 预见的技术领域提供广阔的应用前景。它将把世界特别是首先开发这 种新能源的国家置于新技术时代的前沿。 近些年来国内外的一些研究成果，使我们看到“常温核聚变”实现的 希望，它的实现已经不是遥不可及的。我们需要做的工作将是如何提高 实验的重复性和找出高水平“过热”功率输出所需要的最佳条件。本文将 对不同充氢率下的压力、激光对系统“过热”的触发条件进行初步摸索。 希望能对这一非共识性的研究尽一份微薄之力，并希望它的成功能为人 类带来一种不带强放射性污染的核能源。 1 2 “常温核聚变”发展史 早在1 9 2 6 年，德国科学家潘尼斯和彼得斯就进行过类似的实验，他 们用氢通过灼热的钯( p d ) 粉或钯石棉时观察到了氦m e ) ，因而他们认为 发生了核聚变。他们的文章发表在1 9 2 7 年的英国自然杂志上。mr 他们的观点受到了被称为现代原子理论之父的劳卢瑟福的批评，一年后 他们撤回了这文章。1 9 4 8 年，著名的苏联物理学家萨哈罗夫提出了“ 子( 以前称为肛介f ) 催化聚变的思想。1 9 5 6 年，伯克利的阿尔瓦兹首 先观察到砧子催化冷聚变1 2 】，这是真正意义上的“常温核聚变”。 f 1 e i s c h m a i l n 和p o n s 在1 9 8 4 年就开始了他们的“常温核聚变”实验。 但直到1 9 8 9 年3 月他们的结果正式发表后，才引起普遍的关注。各国 研究机构纷纷重复他们的实验，并制定有关的研究计划。直到4 月2 8 日美国布鲁海文( b n l ) 实验室经三周的实验观察后，首先发表了负结 果，5 月1 8 日麻省理工学院的科学家指出了p o n s 等得到的丫谱中存在 的问题。9 月，美国能源部在圣塔菲主持召开了专门针对“常温核聚变” 研究的国际会议。1 1 月，美国能源部发表了蓝皮书基本对该项研究持 否定态度，从此“常温核聚变”的研究一直处于争论的状态。m a t a 和张 月嫦【3 l 在他们电解重水的系统中，发现有元素嬗变现象；r e j s c h m 锄n 和p s 【4 】在实验中发现有“滞后发热”( h e a ta f t c rd e a t h ) ；意大利科学家 m 髓胂l i 【5 】在用钯阴极电解重水时观测到明显的“过热”，同时提高了实验 重复性；以及k t t s 和c r a v e n s 【6 l 的实验用钯阴极电解重水，利用特定波 长的激光对阴极进行触发，可产生明显的“过热”现象。 中国的“常温核聚交”的研究得到了国家科技部及国家自然基金委 员会的一贯支持，使得该研究能在极为困难的环境条件下长期坚持下 来。从1 9 8 9 年开始，我国就有一些研究机构和高校进行有关的实验和 理论研究，并有一些结果报道。中国工程物理研究院院领导对院内“常 温核聚变”的研究也经常关注，并主持了院内“常温核聚变”研究的讨论 和考核。清华大学、北京航空航天大学、北京科技大学、中国科学院化 学所、高能所、四川联大等多个单位在“常温核聚变”研究方面也作了相 当多的工作，使中国的常温核聚变研究在核辐射、“过热”、“核嬗变”、 吸附循环气体中的氘核反应的实验和理论研究等几个方面有了一定基 础。2 0 0 2 年，清华大学在北京主持召开了第九届“冷聚变”国际会议 ( i c c f 一9 ) 。 美国、日本、意大利、法国、俄罗斯和中国等几个国家在“常温核 聚变”研究中占有重要地位。美国联邦政府及职能部门从来没有正式支 持过“常温核聚变”研究，但“常温核聚变”研究仍在美国最为活跃。b 本 通产省已经停止了对“常温核聚变”研究的投资计划，但是日本的一些高 校和研究所联合拟定了有关“常温核聚变”研究的有相当规模的基础研 究计划，因为1 9 9 3 年起开始投资的3 0 0 0 万美元给日本的“常温核聚变” 研究打下了坚实的物资基础。意大利仍然有人热衷于“常温核聚变”研 究，第八届“冷聚变”国际会议( i c c f 8 ) 于2 0 0 0 年在意大利举行。2 0 0 3 年第十届“冷聚变”国际会议( 1 c c f 一1 0 ) 在美国由麻省理工学院( m i t ) _ _ _ e 持召开；第十一届“冷聚变”国际会议( i c c f - 1 1 ) 于2 0 0 4 年1 1 月在 法固的马赛大学举行。第十二届“冷聚变”国际会议( i c c f 1 2 ) 已于今 年1 1 月在日本的横滨召开。值得指出的是，该项国际会议的名称从1 1 届起，由i n t e m a t j o n a lc o n f c r e n c eo nc o l df u s i o n ( i c c f ) 改为i n t e l l l a t i o n a l c o n f e r e n c eo nc o n d e n s e dm a t t e rn u c l e a rs c i e n c e ( i c c m n s 卜“凝聚态核 科学国际会议”。 1 3 “常温核聚变”遇到的主要问题 氘一氘聚变的主要反应式如下，其中括号内数字表不该粒子所携带 能量。 d + d _ 3 日叠( 0 8 2 脓y ) + 几( 2 - 4 5 拖矿) d + d 呻3 r ( 1 0 1 矿) + p ( 3 0 3 m 已矿) ( 1 1 ) ( 1 2 ) d + d - 4 胁( 2 6 胁y ) + y ( 2 3 7 胁y ) ( 1 3 ) 当年“常温核聚变”遇到的最大挑战就是没有可以解释这种现象的 物理模型。因为原子核和电子不仅在能量大小，而且在能量的释放时间 上都有着巨大的差别，所以核物理和化学占领着两个不同的世界。但 f l e i s c h m a n n 和p o n s 的观测结果以及琼斯( j o n e s ) 等人的独立工作表明 在这两个世界中存在一座桥梁。由于没有已知的理论可适当的解释“常 温核聚变”的实验结果，而且许多实验数据表述的很差并且难于重复， 使得多数主流科学家一直反对这种观念。这些实验所揭示的现象本质与 人们固守的传统观念间存在的矛盾也增加了人们接受它的困难。 “常温核聚变”遇到的另一个难题即实验的重复性。当对几个因素有 较好的了解之后，产生“过热”及核产物的成功率已有很大的改进。而且， 有些方法和结果在处理上需要技巧，这样可提高实验的可重复性。另外， 目前已经证实许多负结果是由于没有了解和控制一些重要的实验变量 而引起的。例如：在钯作阴极的电解池中，如果在重水( d 2 0 ) 巾掺入 很多的轻水( h 2 0 ) 效应就不会出现。事实上，许多早期研究用的开放 式的电解池容易从大气中吸收轻水。除了这些问题外，钯性质的高度可 变性也使得j 有一小部分样品具有必要的特征。当然，随机误差也是很 重要的， i l 通过不断的深入研究表明，误差不是出现正结果的t 要原因。 第二章“常温核聚变”国内外研究和主要进展 2 1f i e i s c h m a n n 和p o n s 的电解实验盼8 】 f l e i s c h m a n n 和p o n s 在1 9 8 9 年公布的电解实验是“常温核聚变”现象 的代表性实验，他们在进行电解的同时进行量热学测量，他们精心设计 了电解池，如图2 1 所示。其中电解液为o 1 m l j o d 重水溶液，重水组成 为：9 9 5 d 2 0 + o 5 h 2 0 ，电解电极采用铂作阳极，阴极用各种尺寸的 钯金属制作。对于周一尺寸的钯阴极，进行了三次实验，分别采用不同 的电解电流密度。实验结果如表2 1 所示。一次典型的实验结果是：钯 阴极尺寸f o 4 1 0 c r n ，电解的电流密6 4 m a c i l l ，测得“过热”功率1 7 5 1 w ， 折合功率密度1 3 9 w a n 一。实验中还发现了“过热”功率密度超过1 0 w c i n 。，持续时间超过1 2 0 小时，在这段时间内，每立方厘米钯至少放出4 m j 的“过热”，平均每个钯原子放出能量为3 7 0 e v ，这无法用化学能解释。 表2 - 1 凡e i s c h m a 和p o l l s 的实验结果 柱状 中o 1 1 0 0 0 2 1 0 中04 1 0 片状 02 8 8 块状 他们还在电解实验中发现电解池中电解液突然沸腾以全于完全焦 干的现象。从沸腾到完全蒸 一总共耗时约1 0 分钟左右，可以对这过 程进行量热学估算： 电解电流输入电能 热传导散火热量 蒸发过群汽化热 2 2 5 0 0 j 6 7 0 0 j 1 0 2 5 0 0 j l耋肌m坷mo心蚴 l 1 l 1 l 1 胍啪嘶螂螂观。啷 l o 0 0 o l o 0 o甜。矾。舛瞄mm瑚 幽2 1f 1 e i s c h m a n n 利p o n s 的电解实验装置图 所以，蒸发过程l f 产7 二的“过热”约是8 6 7 0 0 j ，换算成功率足 1 4 4 5 w 。电解中目的钯阴极尺、j 中2 1 2 5m m ，因此体积是0 0 3 9 2m 3 ， 可以算出功率密度为3 7 0 0 w ，这已经相当于快中子裂变反应堆中堆 芯的功率密度。电解r h _ r 分解重水的电能1 5 4 v 0 5 a 6 0 0 s = 4 6 2 j ，相 对于“过热”量是很小，可以忽略不计。 金属钯的密度 1 2 0 2 9 锄一3 钯原子量 1 0 6 + 4 钯的原子数密度 6 8 1 0 2 2 个锄3 在上述1 0 分钟内，“过热”平均到每个原子约为2 0 0 e v 。 1 5 9 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 0 1 6 1 0 0 0 0 1 6 2 0 0 0 01 6 3 0 0 0 0l6 4 0 0 0 0 1 6 5 0 0 0 0 1 6 6 d 0 0 0 m e ( s ) 幽22 “滞后发热”现象 电解液蒸干后，f 1 e j s c h m a n n 和p o n s 发现在电解电流为零的条件下， 钯阴极仍然维持在1 0 0 厶：卉的高温，此时的输入功率为零，维持时间 大约3 小时。在3 小时中，得剑“过热”为1 2 8 5 l d ，平均每个钯原子放 出的能量约为3 0 0 e v 。他们称之为“h e a ta f l e rd e a t h ”现象。如图2 2 所示。 2 2 a t a 和张月嫦的电解实验 9 ：l o a a t a 和张月嫦聚用的 u 孵池，钯阴极如图2 3 所示。钯阴极外壳 是会属钯，甲面装有颗粒尺、j i 士o 0 4 “m 的钯黑。中舶。液是o 1 m “o d 重水溶液。在电解的同时，还进行量热学测量。他们测到了大量的“过 热”，如图2 4 所示。在后两个星期的电解中，测到的“过热”功率在1 0 9 0 w 之问涨落。缶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 7 p a ) 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 m ( 4 0 0 2 6 0 ) 和d ：( 4 0 2 8 2 0 ) ，也司 以区分3 胁和肋分子。他们最终测得的结果是 4 爿叠：d 2 一( 1 o 2 ) 1 0 - 4 4 h e ? h e 一4 上述结果是原子数目比，另外，从图2 5 ，图2 6 中我们也可清楚 地看出实验结果。 o p e n 魄e c l o s e y p 。 acr o s ss e c l l o no fo n ee x a m p i eo fd s c a c h 。d e ( a n d ，o rd s v e s s e l ) b c 1 0 s e dc e ns y s t e m 图2 3a r a t a 和张月嫦的电解池与电极 幽2 4 “过热”测试h e f 0 】 h 图2 5 组e 测试结果图 图2 63 h e 测试结果蚓 2 3 三菱重工的最新“核嬗变实验【1 1 三菱重工的1 w a m u r a 通过实验得出在氘通量的作用下，钡( b a ) 转 化成钐( s m ) 令人感到意外的是：氘通量透过b a 时，竞使b a 增加了 6 个氘核。8 b a 变成了1 5 0 s m ，1 3 7 b a 变成了1 4 9 s m ( 请见图2 7 ) 。 1 0 】a s sc o r r e l a t i o nb e t w e e ng i v e n a n dd e t e c t e de l e m e n t s 图2 71 w a m u r a 核嬗变结果 2 4l e t t s 和c r a v e n s 的激光触发实验6 1 k t t s 和c r a v e n s 采用钯为阴极、金为阳极，经过1 7 步处理钯阴极 来改变其表而条件，再用不同波长的激光触发电解重水的钯阴极，并且 将阴极放置于磁场中，用半波阻滞器改变激光的极化方向，研究激光极 化方向与磁场方向关系以及对“过热”的影响。 他们的实验重复率很高。在这些实验结果中，用3 0 m w 的激光以 普通红光k 内的特定波长来照射阴极，可使后者产生5 3 0 倍于激光辐 射功二钲的“过热”。在2 0 0 0 年9 月到2 0 0 3 年3 月的干余次实验中，这样 的结果曾数次m 现。 陲i2 8 是用波长为6 3 2 8 n m 功率是3 0 m w 的h e n e 激光，对阴极进 行触发结果，山图可以很明显地看出，存3 0 点处打丌激兕电解槽开始 m 现“过热”f ! l l ! 象，其问最大的过热功率为3 5 0 m w ，到1 6 6j 、l 处关掉激 光，“过热”信写卜- 降到基线，这说明“过热”信号是确实存n 内。 一盘矗 li 。：j 嘏 k矽 t k _j - 1 【 ， l i 矸俐 t 1 3 l6 19 l1 2 l1 5 1 1 8 1 t 1 m e ( m i n ) 图2 8k t t s 文献中激光触发“过热”图 2 5 清华大学的气态充氢研究 从1 9 9 0 年始，从m i t 等离子聚变中心回到清华大学的李兴中教授 受唐有祺先生讲话的启示，开始用“气态法”进行常温核聚变的研究，并 于1 9 9 4 年开始公布取得的“过热”与“核嬗变”的研究结果。他们在理论 和实验方面做出的工作受到了国际上的广泛关注，主要实验包括以下几 个方面。 2 5 1 吁i 通量，( d 2n u x ) f 1 2 ，1 3 l 实验 清华大学参考了i ! = = l 本三菱重i ：王w a m u r a 的实验，自行设讣了一套可 使p d 品格中氘气流通的装置，如图2 9 所示。实验结果表明：只有在 p d 金属的品格中存在流动的氘通量时，系统在降温过程中才会m 现“过 热”现象。具体的实验过程及结果简述如下： 船动真空系统在室温将反应室抽成3 p a 左右的真空，然后关掉内室 真空裂并向反应搴充以1 2 a t m 左右的氘气；以2 m j n 速率将量热计月 温到2 7 0 ，恒温2 小时后关掉加热电源。使系统自然冷却。与系统温 度降列约1 5 0 时，热流曲线丌始爬升。到1 3 0 附近出现 个日月显的 放热峰，濉度降到1 0 0 片右时放热结束。此实验重复了3 次，每次郴 在降温赳样巾看到了类似的放热过程( 见图2 1 0a c ) 。 姗铷 卿 瑚啪m o 图2 9 氘气流通装置示意图 ( a ) 挪 m m 量i ! 三： 弛 ( c ) 图2 1 0 ( a - c ) 系统在2 7 0 自然降温过程中的“过热” 通过上述实验，清华大学成功地观察到“氘通量”与“热流量”的关 联，大约是1 m w “过热”对应的“氘通量”尚不到1 m a ( 约每秒1 0 1 6 个氘 原子穿过钯管薄壁) 。2 0 0 2 年5 月1 9 日到2 4 日，在清华大学第九届国 际冷聚变会议( i c c f 9 ) ，与会期间在清华大学展示了中国制造的“过热” 演示装置，即“氘通量”产生“过热流”的装置。 2 5 2 “泵浦效应”( p u m p i n ge f f e c t ) 实验1 1 4 】 清华大学在实验中发现系统“过热”与压力有直接的关系，于是采用 如图2 1 1 所示的实验装置进行d p d 系统中的“泵浦效应”的研究。所谓 “泵浦效应”是指实验采用恒温模式下，可以观察到维持系统热平衡的输 入功率在启动真空泉后降低，与此同时钯丝卜的温度反而升高的现象。 这种功率降低相当于功率密度存2 w c m 3 的“过热”。“过热”量为o 0 3 5 w ， 相当于输入功率( 0 2 4 w ) 的1 5 。实验是可以重复的，并能持续2 0 天之久。“过热”来自d p d 系统，它相当于3 0 0 e v a t o mp d ，这比任何可 想象的化学能源所能释放的能量都要大得多。实验过程中的压力和温度 的变化如图2 1 2 所示。 4 善； ll 山1 亳 呈 专 邑 h 圈2 1 1 “泵浦效应”效应实验装置图 0005 l0l5 20 2530 35 40 ( 1 0 。) t i m e 州e c o n d l 图2 1 2 钯丝濡度、充氘率和功率的变化 2 5 3 吲营后发热( h e a fa f t e rd e a t h ) 实验1 6 “滞后发热”是“常温核聚变”研究中最其吸引电是最难重复的个 典验现象。国外称之为“死 i 发热”。该现象是指系统在没有任何能量输 入的情况卜，系统中仍百热营发b 。这相当r 燃料在反应室内燃烧的情 肜。清华大学采用气态法研究h p d 系统中的“过热”和“滞后发热”实验 装置如图2 1 3 所示。具体过f 【| | ! 利基本原砰简述如f ：在钯丝两端加( ) 1 v 直流电压，钯丝中电流4 m a ，通电时渊持续了1 2 小时，在此期间，钯 丝的温度上升了约4 2 ( 见图2 1 4 ) 通过以下的公式汁算： f ，八7 _ e x c e s sh e a t = r 一( 二一，p 0 ) 卉 ( 2 1 ) j f 】 七 。“ 系统在这1 2 小时内的“过热”量为2 8 k j 。相当于每个钯原子放出的1 8 0 e v 的能量。最大过热功率3 2 8 w ，对应最大功率密度2 3 0w c m 3 p d 。 将钯丝上的电功率提高到o 4 5 w ，保持3 小时后切断电源，此时直 流稳压电源向系统输入的总能量不出超过1 0 j 。当切断电源2 ，5 小时后， 钯丝的温度突然上升到6 3 7 ，约一分钟迅速的回落，回落持续4 0 分 钟左右时，略有回升，回升持续2 0 分钟后又迅速下降，到3 3 4 时钯 丝温度下降的速率略显变慢，维持在3 3 0 附近达1 2 小时之久。随后 钯丝温度持续的下降，降温速率约为8 孙时，以此速率降温约1 0 小 时后钯丝温度在2 5 5 附近又出现了3 小时的平台，然后再继续以约 8 j 、时的速率降温1 0 小时，在后面的1 0 小时内钯丝降温速率逐渐变 小。当钯丝温度1 9 0 时，人为的停i 该实验。自“滞后发热”开始时刻 起，整个实验持续4 3 小时，过热总量约为2 m j ，相当于每个钯原子放 出的1 3 k e v 的能量，最大过热功率4 9 w ，对应最大功率密度 3 6 k w c m 3 p d 。整个滞后发热过程中温度、压力等参数的变化情况参见 图2 1 5 。 ji：i 1 i11 i8iff 茸il i l “m jij 且 f 刘呲” 岫：f 性 l 担小l 医_|匡判 旷耐慷 匕 眨 图2 1 3 “滞眄发热”实验装置 1 氯0 柄2 硼竹阀门3 机器泉4 嚣，表5 小锈钢反府室6 钯丝7 测 量反腑室温度的铂电阻温度训8 朴架9 钨丝1 0 测量艾验室温度的铂电阻温 度汁 4 l ，2 万用表 1 2 舣路m “i l ，圬 1 6 0 1 5 0 1 4 0 u 奄1 3 0 e - 1 2 0 1 1 0 1 0 0 15 l3 1 l o 9 毫 o 7 尝 o o5 皇 03 o l 一0 1 05 2 0 05 4 0 05 6 0 05 8 0 06 0 0 0 t i m e ( m i n ) 图2 1 4 “过热”中钯丝温度、功率和系统压力的变化 t p d t r t ( c ) 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o p ( p a ) p ( 弹) 4 1 3 6 3 1 2 6 2 1 1 6 l 1 0 6 0l 一0 4 5 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 0q n 0 0l0 0 0 0 t i m e ( m i n ) 图2 1 5 “滞后发热”现绦 本论文受i j e t t s 和李兴中实验的腐发住h p d 气固系统中研究压力 和激光对“过热”的触发作用。本文拟采朋7l 念允氨技术将氯原子引入到 钯晶格中，分别考察变化的压力和h e n e 激地对不同充氢率的含氢钯材 的触发作用，以期得到系统出现“过热”的鼓件餐件。 1 7 第三章“常温核聚变”的理论基础 3 1 “常温核聚变”的原理和影响因素 核聚变是两个轻原子氘核碰撞产生的反应，很类似双分子碰撞反 应。从微观上解释，原子核的能量只有大到一定程度，才能克服核间库 仑斥力发生碰撞反应。这个能量的平均值就是反应活化能。从阿累尼乌 斯方程： 尼= 彳e x p ( 一1 口r 丁) ( 3 1 ) 其中，k 是反戍速度常数，e a 是反应活化能，r 是玻尔兹曼常数，t 是绝对温度，a 称为 频率因子。 可见，若想提高核聚变速度，有两个途径：一是提高反应温度到近亿度， 就是研究多年的热核聚变，离工业上应用还很遥远，且设备复杂，投资 很大；另外就是设法降低反应活化能，本质是如何减少库仑斥力，增加 核碰撞机会，以便能在低温达到可观的速度，这是“常温核聚变”的基本 初衷。 如何降低核聚变反应活化能，从报道中归纳，大致主要有两种方法： 1 ) 采用“介子催化 伯明翰扬大学的琼斯认为介子的性质大体与电子相同，当氘中的 价电子被“子取代时，质量是电子2 0 7 倍的肛子将更接近原子核，好象 原子( 应是分子) 变小了。原予核彼此问的距离缩短，容易相碰，导致 聚变，释放能量，也放出子，子寿命是再力分之二秒，在湮没前可 诱发2 0 0 次聚变，为了使“子催化聚变能量平衡，肚子要诱发5 0 0 次以 上j - 彳亍。冈此，虽然“予可供核聚变的几率提高1 0 8 2 倍，但目前还不能 维持冷核聚变。 从目前r 解的事实来看，钯吸附氘后放m 中了的核反应与子无 关。从理论上分析，对“予的吸收几率与腺f 核内的质f 数成f 比， 子都被重金属的品格吸收了。 2 )晶格的影u f l e i s c h m a n n 和p o n s 【1 7 j 等人发现，令属钯或钛吸附氘以后，有超中 f 产生，说明发，| 了核聚变反应。我吲物理学家苟清泉教授认为，当氘 原子被吸进钯晶格的八面体削隙位置时，就要受周围六个钯原子核吸 引，使共价电子云扩展成一个大球，使核与价 乜子的结合变弱，行动比 较自出。由于氘核沉浸在电子云中，大大屏蔽了相邻两核的库仑斥力， 氘核能够靠近、碰撞产生聚变。有人| 18 】认为：氘进入钯晶格，价电子町 能与钯晶格原子的电子云形成一个共用电子云，氘核可以在晶格中作大 范围移动。从统计的观点上说，就是氘核的平均自由程度变大了。 总之，从后果上看，在特定的晶格空问里，或者氘核的库仑斥力减 弱了，只要克服较小的能量，就能使氘核碰撞：或者从晶格的应力中使 氘核获得了能量，晶格起了催化作用。从宏观上看，反应活化能降低了， 虽然温度不变，但可以发生可观测出的核聚变反应【1 。 3 2 钯氢化物的结构 钯晶体属面心立方( f c c ) 结构，每个单胞含4 个钯原子，4 个八面 体空位( o ) 以及8 个四面体空位( t ) 。晶格参数a 0 为0 3 8 9 0 i l m ( 2 9 8 k ) ， 吸氢时晶格发生等方性膨胀，但始终保持f c c 结构。在稀释相( a 相) 区域，2 9 8 k 时p d h x 的a 0 为0 3 8 9 4 n m ，对应的氯含量h p d 。0 0 1 5 。氢 化物中a 与b 相共存区的a 0 是o 4 0 2 5 n m ，当p h 2 = o 1 m p a ， 卯d o 7 时， a o = o 4 0 4 0 n m 。在单一b 相氢化物中的晶格膨胀将更大 1 7 j 。对p d h 在氢 含量相向时，膨胀会小一些【2 0 ”j 。两种相中的氢原子均是无序的。 后来发现体系中存在有序低温相，因此相图比简单的气一液型相图 更复杂”o ，如图3 1 所示： 6 0 0 5 0 0 4 0 0 蔺3 口0 卜 2 0 0 10 0 0 00 20 40 6 0 8 1 0 h ( d ) p d 幽3 】p d h ( d ) 体系丰 一冬| r u s b 等吲确定了低氢含量( 如h p d = 0 0 0 2 ) 的光学波振动频率， 表明此时h h 相互作用的影响并不艟著。氢在a 相中的e i n s t e i n 温度是 8 0 1 k ，氘的e i n s t e i 温度是5 4 0 k ，于是给出o o d = 1 4 9 而非预想的2 。 b 相中的氢和氘的e 分别是6 8 5 和4 6 0k l ”j ：这表明a 与b 桐的光学波 均存在非简谐振动。但应注意，o h f d l 明显依赖于钯中的氢含量，因为b 相保持着于a 相同的结构。 3 2 1p d h 结合状态 总能就是p d h 系统所释放的所有能量。氢钯结合的特征如下： 1 氢加入钯时，少量的电荷从相邻钯原子区域传输到相邻钯和氢 原子区域。由于氢的1 s 轨道和钯的4 d 轨道之间的相互作用产生了新的 结合状态( 比s d 结合低几个e v ) 。钯原子周围的电荷是像d 电子，而 氢原子周围的电荷则象s 电子，两个位置周围的电荷数量相当； 2 p d h 间的有效作用是短距离的，几乎不超过最近邻的钯原子； 3 与氢原子的杂化改变了4 d 电子的状态密度，使之变窄，包含的 电子态变少，并且它的重心向高结合能方向移动( 即增加了d 带填充) ， 以致于损失了结合力； 4 随着f e m i 能级的电子态密度减小，f e 瑚i 能增加； 5 严格的能带近似是无效的，因为只有一小部分由额外氢原子提 供的电子位于导带顶部。 3 2 2 氯在b 相氢化物中的位置 钯一氢体系多年来一直引起人们的兴趣，主要是因为气体原子在金 属中非同寻常的扩散特性。d a v i s 【2 ”的扩散实验认为氢原_ 了占据了钯晶 格的四面体位置。x 射线衍射研究表明，根据氢含量不同，体系中存在 两种不同的f c c 结构相。w o r s h a m 等吲利用中子衍射技术研究了氢和氘 原f 在p d h 和p d d 体系的a 与b 相中的位置。实验结果畏明b 相中 的气体原子是位于晶格的八面体位置，即o 位，如图3 2 所示。这与 d a v i s 预测的不一致。w o r s h a m 米能成功确定a 相中氢、氘的位置，因 为在室温下只有非常少的气体进入该相。 幽3 2h ( 或d ) 原子在b 相p d h ( 或p d d ) 中的位置模型 钯是一种良好的吸氢材料，吸收大量的氢或氘，吸收的多少可用充 氢率( l 0 a d j n gr a t j o ) x = h ( d ) p d 来表示，x 是钯金属中氢原子数与钯原子 数之比，钯吸氢后的组元( c ) 一压强( p ) 一温度( ，d 相图如图3 3 【1 8 】所示，降温 升压，系统吸气，升温降压，系统放气。 0 10 2 0 3 0 40 5 0 6 0 t 0 8 h p d 蚓3 _ 3 一p d 体系p c _ t 相幽 钯i 岐氧或氘以后电阻率会发：l 二很大变化，如图3 4 ，r o 是未吸氢 时令桎钯的电f j h ，r 足吸氢后余属钯的电阻，随着充氧：钲的增加，钯的 电阻半公增加，l 面当h p d 的值大】_ 0 7 4 咀后，电附率反m 会卜降，电 阻率 垤d 表现出一个单峰曲线关系，由此可以通过电阻率了解气体被 钯吸收的情况。 0 10 20 30 40 5 0 60 70 8 h p d 图3 4 钯电阻比与充氢率关系 3 _ 3 充氢率( 吲p d 原子比) 的测量方法 3 3 ，1 称重法 将吸氢后的钯丝从样品室中取出来用精密天平称其重量在减去吸 氢前的原始重量，即可得到吸入的氢气的质量，或将吸氢后的钯丝放在 电炉上烧烤电到质量1 i 再改变为止，测量改变量便可求出充氢率。 3 3 2 物态方程法 由克拉伯拉方程p v = n r t ，测出容器的容积，容器内的压强和温度， 便可求出容器内氧气的摩尔质量，不同时刻的摩尔质量差即为吸氯时。 因为测黾l 爪的j l 、力表能够反映m 容器内部氢气含量的变化，所以 物态方程法ju 太_ 、出吸氢的趋势，也i 叮以鉴别某些突变现象是j 吸 氧引起的，还心 r 实验系统的偶然因素引起的。 3 | 3 f 3 电阻法 由图3 4 曲线通过测量吸氢后钯的电阻便可推知其充氧率，该曲线 为钯吸氢后的电阻比一充氢率的变化曲线。电阻法可以在线测量，由其 阻值可知道任何时刻的吸氢量。由_ 二钯丝的电阻率很小，为了减小导线 与测量中引入的误差，本实验采用四线法( 见图3 5 ) 进行在线钯丝电 阻的测量。 图3 5 四线法测量钯丝电阻 此外，还有测量排出气体法，在密闭容器中将吸收气体加热排出， 测量排出气体的多少以获知 卯d 比。我们采用了第三种方法测定啪d 。 3 4 “常温核聚变”的研究方法 目前，“常温核聚变”的主要研究方法有电解法和气态法两种。电解 充氘是f l e j s c h m a n n 和p o n s