常温核聚变研究进展评述_a清泉

1、文章编号 :1000-0364(2008 03-0467-06#综合评述 #常温核聚变研究进展评述清泉 , 张清福 , 孙 悦(四川大学原子与分子物理研究所冷聚变研究组 , 成都 610065摘 要 :早 在 1989年 清泉教授就以原子分子物理和晶 体物理为基 础提出了 冷聚变机理 的理论 . 按照 此理论 , 在晶体 中可以实现冷聚变 , 产生超热和 聚变产 物 4He. 在 此理论 提出后 , 我 们在实 验研究中 观测到 了 以 Pd 或 T i 为阴极电解重水过程中产生的明显的超热效应与聚变 产物 4He. 这表 明我们提出 的理论预 言是 正确的 . 在过去的 18年中我们进一步进

2、行了 反复深 入的理论 和实验 研究 , 所得 结果将 在本文中 进行系 统 总结和讨论 .关键词 :冷聚变 ; 冷聚变机理 ; 过热 中图分类号 :O621124 文献标识码 :AReview on the research progress of cold fusionGOU Qing -Quan, ZHANG Qing -Fu, SU N Yue(ColdFusion Research Group, Institute of Atomic and M olecular Physics, Sichuan University, Chengdu 610065, ChinaAbstract:T

3、he theory for the cold fusion mechanism is proposed early in 1989by Prof. Gou Qing -Quan based on atomic, molecular and crystal physics. According to this theory, the cold fusion may be arised in crystal with produce of excess heat and fusion products 4He. After this theory, the remarkable effects o

4、f excess heat and the fusion products 4H e w ere observed during the electrolysis of heavy w ater w ith Pd or Ti electrodes in our ex per -imental researches. These results indicate that the prediction in our theory is valid. The further theoretical and experimental research has been studied repeatl

5、y by us in the past eighteen years. T he results w ill be summ a -rized and discussed systematically in this paper.Key words:cold fusion, cold fusion mechanism, ex cess heat收稿日期 :2008-01-08基金项目 :国家自然科学基金 ; 国家科委专项支持项目 作者简介 :清泉 (1917- , 男 , 四川邛崃市人 , 教授 , 博导 , 长期从事原子分子与团簇物理及高温高压物理研究工作 .1 晶体中可以实现常温核聚变 (

6、冷聚变 原英国教授弗莱希曼和美国教授庞斯在常温 下实现核聚变反应的结果于 1989年 3月 23日公 布以后 , 引起了全世界科学界的强烈震动 , 并爆发 了一场全球性的大争论 , 当时有不少科学家持否定 态度 .清泉教授当时的态度是比较积极的 , 从原子分子和晶体物理出发进行分析研究 , 认为在晶体 中有可能实现常温核聚变 , 首次于 1989年 5月 4日在成都科技大学举行的科学报告会上 , 讲了他对 常温核聚变的看法 , 提出了在晶体中可能实现常温 核聚变的机理 , 并于 1989年 8月 8日在美国 U tah 大学冷聚变 (常温核聚变的简称 讨论班上作了类 似的报告 . 8月 11日

7、晚由美国回到北京后 , 及时于 第二天晚上向朱光亚同志汇报了他在美国了解到第 25卷 第 3期 原 子 与 分 子 物 理 学 报Vo l. 25 N o. 32008年 6月JOU RNA L OF A T OM IC AN D M OLECUL AR PHYSICSJun. 2008的情况 , 很受重视 . 8月 15日上午他又向钱学森同 志作了详细汇报 , 并说明了他对常 温核聚变的看 法 , 指出在晶体中常温核聚变是可能实现的 , 并阐 明这 种 聚 变 反 应 以 放 热 (过 热 为 主 , 同 时 放 出 4H e, 放出的中子与质子很少 , 不是主要的 , 在实 验工作中应当主

8、要去测量过热 (或称超热 而不是 主要去测中子 . 钱学森同志以极大的热情 , 听完了 他的汇报后 , 同意 这种核聚变应当 从原子分子物 理、 晶体物理和核物理相结合来进行分析研究 , 鼓 励我们继续前进 , 进行深入的理论和实验研究 . 同 时指出 , 这也是十分重要的物理力学问题研究 . 当 时陈能宽同志也在场 . 他们二位对 /过热 0特别感兴 趣 , 若能从实验上充分证明常温核聚变以放热 (过 热 为主 , 则可能是具有实用价值的新能源 , 从事这 样的研究十分重要 .他在 8月下旬回到学校后 , 即考虑要开展这 方面的实验研究 . 我们从 1989年 10月初开始 , 重 新组织了

9、室温核聚变实验科研组 , 以他提出的理论 为指导 , 精心设计和安装了室温电解重水的实验装 置 , 分成两组 , 采用了两种金属 (钯和钛 作阴极 , 以 铂丝为阳极 , 来电解重水 , 经过两个月的多次实验 , 直接测到了理论所预言的核聚变产物 4H e, 同时也 观察到了明显的过热效应 . 后来世界各国很多研究 机构相继都观察到 /过热 0现象与 4He 的同时产生 , 进一步证明了他提出的理论预言 . 1990年 5月我 们在北京召开的 /全国冷聚变对策讨论与学术报告 会 0上报告了产生冷聚变的可能机 理与同时测到 /过热 0与 4He 的实验结果 . 并于 1990年 7月在 5原 子

10、与分子物理学报 6上发表了题为 /重氢原子进入 钯或钛晶体中可能引起室温核聚变的理论探讨与 实验 研 究 0的 论 文 1. 1991年 3月 15日 美 国 5Chemical Abstracts 6摘要介绍了我们的这篇论文 , 题为 /Possible mechanism of cold fusion and ex per-i mental research 0. 1992年 8月在日本召开第三届国 际冷聚变会议之前 , 会议主席日本名古屋聚变研究 所 Ikeg ami 教授发来三次电传邀请 清泉教授出 席会议作 报告 , 并 称 :/We find your work is very i

11、mportant and w ould like to have it presented at the conference 0. 我们的工作日本学者比较早就十分重 视 .钱学森同志对冷聚变的研究一直很关心 , 1994年 3月向有关科技部门的领导写信反映情况 , 引起 了重视 , 促成国家科委和国家自然科学基金委决定 持的经费虽然有限 , 但也大大鼓舞我们下决心长期 进行深入细致的研究 .我们在 1994年的工作取得了一个重要发现 . 我们经过实验与理论分析 , 发现只有通过长时间的 电解 , 使晶体吸收大量的氘而引起结构变化形成离 子晶体后 , 才能引起显著的核聚变而放热 . 为此对 冷

12、聚变产生的机理必须进行更深入的分析 .1997年 9月 6日在国家科委和国家自然科学 基金委召开的汇报会议上 , 我们提出报告对 1989年提出的冷聚变机理进行了更详细的阐述 , 并在此 基础上根据新的实验结果进行更深入的分析 , 同时 提出研制冷聚变材料的设想 . 钱学森和杨立铭同志 看到我们的报告提纲后 , 都认为我们提出的观点很 重要 , 主攻方向是正确的 . 随后我们沿此方向长期 进行深入细致和扩大的实验与理论研究 . 不断取得 好进展 . 后来我们用两根钛棒并联做阴极 , 用铂螺 线管做阳极 , 做电解重水实验 , 多次测量到明显的 /过热 0现象 , 过热工率可达 100W 量级

13、, 得到了超 过 5倍于输入的能量 , 重复性也很好 . 并经过原子 能研究院测定 , 冷聚变后核产物 主要是 4He. 这充 分证明我们的理论预言是正确的 , 从而肯定了在晶 体中可以实现冷聚变 .2冷聚变机理的初步分析英国教授费莱希曼和美国教授庞斯关于在室 温下实现核聚变反应的结果于 1989年 3月 23日 正式发表以后 , 清泉教授就首先从原子分子及晶 体物理出发进行分析研究 , 初步提出了一个理论 , 阐明常温核聚是可能实现 的 , 并首次于 1989年 5月 4日 , 在成都科技大学举行的科学报告会上 , 提 出了他的室温核聚变机理 , 这机理指出 :当重氢原 子被钯吸收而进入晶格

14、的八面体间隙位置时 , 就受 周围六个钯原子实的吸引 , 使其价电子云扩展成一 个大球 , 从而使重氢核与价电子结合变弱 , 行动比 较自由 . 由于此时重氢核沉浸在电子云中 , 大大屏 蔽了相邻两个重氢核间的库仑排斥作用 , 且重氢核 在晶体中的振动频率很高 , 因而两相邻的近程碰撞 速率大大提高了 , 容易产生核聚变 . 见示意图 1. 根 据以上理论模型和反应机理进行估算 , 聚变速率能 达到可观察的水平 . 再简述如下 .过去有人算过 . 当重氢分子的核间距为 0174 ! , 两个氘 核 d-d 聚变的速率 很低 , 约为 10-70每 D 2分子每秒 . 当 d -d 核间距缩小一

15、半 =0137! U ,468原 子 与 分 子 物 理 学 报 第 25卷 图 1 钯晶体中的氘原 子状态 及相 邻两个 氘核 靠近产生室温核聚变的示意图Fig 11 Sketch of the state of deuterium atoms in pallad-ium crystal and the nuclear fusio n occur red at room -temperature as two adjacent deuterons clos -ing each other10-20个聚变 /d -d /秒 . 饱和时 , 每个立方厘米的 Pd 中有 n =618481022个

16、 d , 可观察到的反应率 :q c =nq =61848102210-20=61848102个反应 /秒 /cm 3.当 r =0137! U 014! 有显著的聚变反应 , 此 时库仑排斥势为 :U =2r =014105fm=36eV由于屏蔽作用与穿透效应 , 有效的势垒高度可能降 低为 :U c =2=20=118eV , 假设 E=20由于晶格振动引起两个 d 相距 r =014! 时的碰撞率为每秒 q =M 0e -2U c /kT , M 0=1012为氘核在晶格中的振动频率 .每个 d 至少有动能 2U c /2=118eV =2kT , y kT =112eV . 在室温时

17、, T =300K , 平均动能=01026eV , 碰 撞 率 可 粗 略 估 计 为 q =1012e -112/01026U 10-8.每个 cm 3中 d -d 碰撞数 (在 014! 每秒有 :q c =nq =61848102210-8=618481014次 /秒 /cm 3反应率 :q d q c , 假设 q d U 61012, 犹他大学实验 . 瓦 , 要求反应率为 10121013次 /d -d /秒 .每克放热功率约为 1瓦 .但特别注意 , 在上述情况下产生的核聚变与高 温 (高能碰撞下 所产生的聚变不同 , 此时由于是常 温下的低能碰撞 , 两氘核很难碰乱而产生质子

18、或中 子 . 两个氘核可复合成激发态的 4He 核 , 然后由于 它带正电与周围带负电的电子相互作用而把激发 能传给周围的电子而降低到基态 , 周围电子增加了 动能传给晶格而增加晶格振动 , 表现出温度上升 , 放出热 能 . 因 此 , 表 现 出以 放 热 为 主 , 同 时 放 出 4H e. 由于在常温下 的低能碰撞 , 两氘核很难 碰乱 而产生质子或中子 , 可能放射出的中子与质子就很少 , 不是主要的 . 只要我们能在实验过程中观察到比较明显的放热效应和 4He 的产生 , 就证明了这个 理论的正确性和室温核聚变的存在 . 室温核聚变问 题是原子、 分子 , 晶体及核物理有关的问题

19、 , 应从理 论与实验相配合 , 进行深入的综合研究 . 两个氘核 在晶体中相碰撞而产生聚变的示意图见图 2.图 2 两氘核在晶体中相互作用产生聚变的示意图 F ig 12 Sketch of occurr ing fusion due to tw o deuteronsinteracted in cr ystal我们提出的冷聚变机理模型是否合理 , 在计算 中假设 E =20是否合理 , 将在下节中详细阐述 .3 晶体中的屏蔽作用孤立的氢原子电子云径向分布如图 3所示 , r =015! 的附近 , 电子云分布最密 . 重氢原子的电子云分布也如此 . 当重氢原子被钯吸收而进入晶格469第 3

20、期 清泉等 :常温核聚变研究进展评述的八面体间隙位置时 , 就受周围六个钯原子实的吸 引 , 使 其 价电 子 的电 子 云球 扩 散成 一个 半 径为 1137! 的大球 , 如图 5所示 . 此时球面附近电子云 分布最密 . 而且电 子云的尾部将收 缩集中到球内 边 , 使电子云分布由中心为零逐步增大到球边为最 大 , 可简略地视为线性增大的 , 如图 4所示 . 若每个 间隙位置都吸收了重氢原子 , 则每个电子云球周围 有 12个电子云球与其接触 .图 3 孤立 H 原子电子云的径向分布Fig 13 Radial distr ibution of electronic cloud of

21、a singlehydrogen atom图 4 Pd 晶格中 H 原子电子云的径向分布简化图 Fig 14 Simplified radial distribution of electronic cloud o fhydrogen atoms in Pd cr ystal从图 4可以算出在半径 r =1! 的圆球范围内 的电子云分布等于面积 Ñ=01535, 其余部分等于 面积 Ò=01465, 两者相加等于 1. 当氘核在半径 r =1! 时圆球范围转动时 , 在 r =1! 处产生的势能为 e/r , 而球内的电子云在此处产生的势能为 -01535e/r 两者相加为

22、 01465e/r , 另外球外电子 云在此处产生的势能为 (¹/r 1+º/r 2+»/r 3+¼/r 4 e , 我们把球外的电子云分成 4层 , ¹、 º、 »、 ¼分别为它们的面积 , r 1、 r 2、 r 3、 r 4分别为它 们到球心的距离 , 故 r =1! 处的总势能为 :V =r-E 4i=1i r i 可粗略计算出 V =(1420 r, r=1! , 在此处以外 , V 更小 . 故 r =1! 附近 , V =E r, E 可粗略取为 20, 是合理的 .图 5 Pd 晶格中 H 原子电子

23、云立体分布简化图 F ig 15T hree -dimensionally simplified distr ibut ion of electronic cloud of hydrogen atoms in Pd cr ystal图 6 T iD 2的晶体结构示意图 F ig 16 Sketch of structure o f T iD 2crystal我们称图 4中电子云分布的第 Ò区为强屏蔽 区 , 即 r =1到 r =1137! 的范围 . 两氘核在此区 内相互作用 , 由于屏蔽作用很强 , 它们的有效碰撞 势垒高度将大为降低 . 如图 1所示 , 两电子云球接 触处电子

24、云密度最大 , 就是强屏蔽区 . 在常温下 , 两 相邻的氘核振动到此区域内可以克服很低的有效 470原 子 与 分 子 物 理 学 报 第 25卷 图 7 离子晶体 T iD 2每个晶胞中的 D -电子云分布 Fig 17 Distribution of electronic cloud of D -in each cello f the ionic crystal T iD 24He 核 . 然后与晶格相互作用 , 把激发能传给晶格而降低到基态 , 同时增加晶格的振动能 , 表现出温 度上升 , 放出热能 . 这说明在晶体中可以实现常温 核聚变 , 产生 4He, 同时产生过热现象 .图

25、8 PdD 离子晶体示意图 Fig 18 Sketch of PdD ionic crystal4 对冷聚变机理的进一步分析1996年 6月 , 我们的实验小组发现 6, 产生过 热后 的 T i 阴极 , 晶体 结 构 发生 了 变 化 , 转 变为 T iD 2. 清泉教授及时指出 , 这不是核聚产生过热 后引起的晶体结构变化 , 而是经过长期电解 , 使 Ti 晶体吸收大量的氘原 子 D 而引起晶体结构变化 , 形成 T iD 2的离子晶体后 , 才引起核聚变而放出过 热的 . 因为这时 D 在离子晶体中变为负离子 D -, 有两个电子围绕氘核转动 , 近一步增强了对两氘核 间库仑力的屏

26、蔽作用 , 使聚变易于产生 . 这说明 , 为 什么要经过长时间电解 , 才能产生过热 . 因为先形 成离子晶体 , 然后才易于产生核聚变 . 掌握了这个 . 此为指导 , 经多次实验 , 多次实现了这样的晶体结 构转变 . 同时使我们联想起了 , 为什么很多试验的 经验指出 , 钯作阴极电解重水时 , 必须氘与钯之比 大于 0189时 , 才能产生明显过热效应 .清泉认为这时晶体的大部分已形成氘与钯之比为 1的离子 晶体 PdD, 其中的 D 原子已变成负离子 D -, 也是 两个电子围绕氘核转动 , 增强了屏蔽作用 , 因此易 于产生聚变 2.5 钛阴极电解重水产生 /过热 0与核 聚变产

27、物的实验测量原英国教授弗莱希曼和美国教授庞斯在常温 下实现核聚变 (简称冷聚变 的结果于 1989年 3月 23日公布以后 , 引起了全世界科学界的 强烈震动 与争论 . 当时 清泉教授即指出 , 在晶体中常温核 聚变是可能实现的 , 而且阐明此种聚变反应以放热 (过热 为主 , 同时 放出 4He. 在 实验工作中应 当主 要去测 /过热 0(或称 /超热 0 , 用以判明冷核聚变的 存在 . 十多年来我们长期用钛棒做阴极电解重水的 方法来研究这种过热现象的产生 , 并不断改进实验 方法 , 准确测量了这种过热量 . 后几年我们用两根 钛棒并联做阴极 , 用铂螺线管做阳极 , 做电解重水 实

28、验 , 多次测量到很明显的过热现象 , /过热量 0功 率可达 100W 量级 , 重复性也很好 .我们用的量热系统是在文献 3的基础上自行 研制的大功率开 放量热系统 4, 用微机实时 采集 和处理实验数据 . 此系统可以测量 2W150W ?015W 的过热量 . 测量结果是准确可靠的 . 下面简 要介绍我们后几年来的部分研究结果 5.(1 实验表明经过长时间电解重水将氘充入钛 阴极表面层使其形成氘化钛 (TiD 2 后才有 /过热 0现象发生 . 见参考文献 2的论述 .(2 电解 /过热 0现象的大小与钛阴极表面积有 关 . 我们采用两根钛棒并联做双阴极的办法扩大阴 极表面 , 使 /

29、过热 0功率可达到 100W 量级 .(3 轻水电解与重水电解对比实验表明 , 电解 轻水无 /过热 0, 电解重水有 /过热 0.(4 电解后出现 /过热 0的钛棒材料经过 X 射 线衍射分析发现其表面层结构已经由原六方结构 变为氢化钛的正立方型 . 因为电解是在重水电解液 中进行的 , 所以实际上已经变成氘化钛晶体立方结 构 . 而且我们每次电解都重复测到同样的结果 . 立 方氘化钛晶体 (TiD 2 是离子晶体 , 其中氘是负离子 -471第 3期 清泉等 :常温核聚变研究进展评述472 原 子 与 分 子 物 理 学 报 第 25 卷 的屏蔽作用, 有利于两氘核间产生聚变反应. ( 5

30、 我们的结论是: 经过长时间电解重水, 使钛 阴极表面层变成立方氘化钛( T iD2 晶体结构, 即可 出现/ 过热0现象. 我们的实验结果很明显, 过热功 率达百瓦量级, 得到了超过 5 倍于输入的热能. 重 复性也很好. 并经过原子能研究院测定, 冷聚变后 的核产物主要是 4H e. 这充分证明我们提出的理论 预言是正确的. 致 谢 钱学森同志对常温核聚变的研究一直很 关心, 大力提倡, 对我国常温核聚变研究的开展起 了很大作用. 他以极大的热情关心和支持我们的工 作, 在此致以衷心感谢. 我们的研究得到了国家科 委和国家自然科学基金委的资助, 使工作得以顺利 进行, 深为感谢. 参考文献

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