低能核反应(LENR)的一种解释 — 张武寿译
2018-01-07 12:02:37 来源：冷聚变世界 评论：0 点击：
本文译自E Storms: “An Explanation of Low-energy Nuclear Reactions (Cold Fusion)”, J Condensed Matter Nucl Sci 9 (2012) 86–107。文章由中科院化学所研究员张武寿老师翻译，是一篇了解冷聚变不可多得的文章。感谢张武寿老师提供资料！
低能核反应（冷聚变）的一种解释
[美] Edmund Storms著，张武寿 译 2012-10-6
目 录
低能核反应（冷聚变）的一种解释... 1
摘 要... 1
1. 引言... 1
2. 讨论... 2
2.1. 核活性环境... 2
2.2. 评估解释的进一步要求... 5
2.3. 已发表的解释... 6
2.4. 探索LENR解释的过程... 9
2.5. 可检测的预言... 13
3. 总结... 13
致谢... 14
参考文献... 14
译者后记... 24
摘 要
我们确定低能核反应（LENR）很可能发生在核活性环境中，这是通过排除各种可能性并鉴定所有成功LENR方法具有相同的环境而得出的结论。该环境与一个合理机制相结合能推导出很多可实验检验的预测结果。这些观点和建议有助于清楚理解LENR并为未来研究提供指导。LENR发生的共同环境应该是具有临界尺寸的裂缝，随后是一个共振过程，该过程由类似于激光过程的X射线发射来耗散能量。LENR的行为有可能用来检验核相互作用的标准模型。
关键词：CMNS；冷聚变；LENR；理论
1. 引言
自从Fleischmann与Pons（简称为F–P）宣布发现冷聚变——亦称低能核反应（Low Energy Nuclear Reaction，简称为LENR）——以来已经过去23年了[1]。该现象的两个独特行为挫败了所有的理论解释。首先，在看似普通的材料中，在不应该发生核反应的常态条件下产生了显著的能量和好几种核产物。其次，与传统核反应不同，释放能量的同时没有产生高能辐射。当实验中测到辐射时，其能量和强度都相对很低。甚至是已经验证的4He、氚和各种嬗变核产物都超出预料。令理论解释更具挑战性的是，无论使用氘还是氢都能测到后两种核产物。施加各种形式的外部能源并适当提高温度可增加反应率但并不需此来触发反应过程。换句话说，该过程与传统核聚变完全不同。
数百计重复性实验证明起初对冷聚变现象的否认是无说服力的[2]。这些研究表明四种不同的方法都能产生能量但其核产物不同。许多书籍介绍过LENR发现的历史[3–9]，并有好几个网站[1]提供了最新信息，视而不见不再是拒绝的理由。
本文致力于辨别材料中反应的位置，确定反应过程，以及导致聚变和嬗变反应机理的一般类型。目的是发现一个创新性的方法统一解释所有的观测结果，同时解决实验结果与基于传统核相互作用认识而得到的预期行为之间的矛盾。当然，不能设想所有的观测结果都是对的，但已经做得足够好的研究有可能使我们做出理性判断。除了LENR行为中已知的不确定性以外，在核相互作用的传统认识中仍会有瑕疵或鸿沟，特别是如何降低库仑势垒以及中微子在其后反应中的作用。因此，说明LENR究竟如何起作用可加深对核物理的认识。
很多理论工作者已经提出各种机理试图解释在PdD晶格中如何降低库仑势垒。这些模型一般涉及改变电子能量或局域电子密度。正如下文将表明的，化学效应会阻止这些过程引发核反应。相反，本文设想在LENR可能发生之前必须先在材料中形成一个异常的结构。引起核反应的机理只能出现在这个结构中，我们称之为“核活性环境”（nuclear active environment，简称为NAE）。当这个环境形成并有任一种氢同位素进入以后就会发生聚变反应。问题在于确定并尽可能多地产生NAE。当无论使用何种方法和化学系统都能找到所有成功产生LENR的通用条件时也就确定了NAE。当NAE确定以后，寻找产生LENR的机理就变得相对容易。许多解释LENR的努力所以失败就是因为把这个过程弄反了，即先在单晶——如PdD——内寻找机理而忽略了NAE的独特性质，这个性质可能出现在所有的活性材料中而与其组分和所用方法无关。
2. 讨论
2.1. 核活性环境
这个概念应用于某个位置或环境，引起核反应的机理必然在其中运行。因此，NAE必在机理开始作用之前形成，其数量限制了能量产率，其性质也将决定其中运行的机理。NAE还必须在化学上独立于普通化学环境。理解并接受这些要求是进一步讨论的基础。下文会说明其道理所在。
确定NAE的第一步是从成功的LENR实验中发现单一条件。另一个限制是要求NAE与众所周知的化学行为一致。产生这些限制的原因是电子与核的能量及其相互位置与它们在化学结构中的排列紧密相关。这种关系的任何改变都会导致化学结构的变化，这种改变需要能量，所以总是受到抵制。不能利用量子力学模型来简单地回避该要求。下文将进一步说明这种观点。
众所周知，甚至在高温高压下高度可变的化学结构也不可能导致自发核反应，这是基于地质时间得出的经验。也就是说，核反应很难出现并要求非常独特的条件。NAE就是这种独特条件。对NAE特征的进一步限制是要求NAE与核机理必须以合乎逻辑的方式协作。换句话说，物理和化学要联合来起来解决这个问题。
可以设想LENR包括三个主要步骤。第一步是形成NAE，第二步是氢原子进入NAE，最后一步是这些原子在其中相互作用并引起核反应。从形成NAE开始，每个步骤又可描述为独立的过程。估计NAE的缓慢形成是引起F-P电解过程中经历典型长延迟时间的原因。本文只概述这些步骤最一般的特征，更多细节留待后续文章讨论。
在设想一个NAE之前必须理解应用于任何NAE的一般原理。首先，必须形成NAE。因为它出现在化学环境中，所以不管它如何发生或其构型如何，其形成过程应该符合传统的化学行为并遵守控制这些过程的公认定律。如必须出现吉布斯能的降低并明确其降低原因。这种变化的典型原因包括组分变化、温度变化、应力集中。此外，形成NAE的过程可能是放热的。很明显，形成的NAE数目肯定有一个限制。否则，功率产生就会增加到破坏材料，实际并非如此。这种限制的原因必须是设想过程的一部分。
第二个过程涉及氢掺入NAE，也必须同样降低吉布斯能并且掺入速率需要活化能来控制[2]。这个方法允许利用热力学定律来预测原子集合的行为，而不需使用量子理论来描述每个单独原子的运动。也就是说，我们要像在化学中通常做的那样关注于一般行为，而非物理学偏好的，单独原子的量子行为。
第三个过程涉及实际核反应，要求反应是放热的并且产生已经出现的核产物。下文会详细讨论该过程。
让我们首先在NAE产生以后应用这些基本要求。估计有三个主要变量将决定产生功率的大小。
(1) 能出现核反应的位点的数量，即NAE浓度。很明显，活性位愈多，产生功率也愈高。
(2) NAE中H或D的浓度，在使用气体时这与施加的H2或D2气压有关，在电解中与化学活度有关。氢同位素浓度愈高，产生功率也愈高。
(3) NAE中的有效能量，这通常由温度决定。对于普通化学反应的典型影响，温度在有限范围内具有指数效应。有效能量也可以是施加的激光或其它外来能源。施加于位点上的能量愈高，每个位点上的聚变率也愈高，放出的功率也相应提高。
这些变量的不同组合会对每种方法造成不同影响。例如，电解法受困于相对的低温但得益于高的氘浓度。相反，气相法具有低的氢浓度但得益于高的温度。二者的NAE都浓度未知且高度易变。提高产能数值的最好方法是把这三个变量极大化。因此，LENR不像通常设想的那样必须要求高的H或D浓度来起作用。条件仅仅是需要联合这些因素产生现有仪器可观测的反应率。此外，这些变量以复杂的方式相互作用。例如，增加温度会降低氢的浓度，如果温度超过某个临界值，即使其它参数仍保持常数，也会导致功率降低。过高温度或局域高产能率皆可破坏NAE，并降低产率。
一旦形成NAE，随后在核水平上运行的机理可能非比寻常，但研究者无法影响该反应。它自发出现并自动维持。试图直接影响核过程就像点燃引信（产生NAE）以后影响爆炸过程一样。局域产生的能量实在太大以致在其过程开始后就难以控制[3]。因此，准确知道这个机理如何工作对于提高LENR的强度和可靠性没有用处。无论如何，这个认识有助于确定NAE和预期核产物，这很重要。
到底会出现多少种NAE与机理的组合方式？是否所有观察到的核产物都由相同的组合方式产生？基于目前的经验还难以回答这些问题，因为每种产生LENR的方法牵涉显而易见不同的化学环境。但是，一个过程是如此罕见和独特会使人期望只有一个、或最多有限的几种组合。关于NAE基本性质的线索以及它的位置可从F-P效应中推测出来：
(1) 氦几乎全部溢出到气相中。（表明氦产生于表面几微米深度内[10]。）
(2) 氚出现在电解液中而非逸出气体中。（即氚产生于非常近表面层，允许与到达的D+离子发生置换反应[11]。）
(3) 嬗变产物仅位于表面区。（表明一些反应发生在表面[12,13]。）
(4) 表面出现熔融区。（即主要产能反应集中在表面。）
(5) 用惰性基底上的薄钯膜能产生LENR。（表明不需要大块材料[14]。）
这些行为指出在电解情况下可以在表面区而不是阴极内部发现NAE。在电解阴极的表面会出现哪些物理和化学条件？许多该类表面的详细分析揭示形成一种复杂的合金，该合金包含锂、铂、氧、硼硅酸耐热玻璃容器的元素、电解液杂质，有时其中根本没有钯。该杂质层似乎是维持高氘浓度的必要条件[15]并且同时可能产生NAE。表面组分测量表明超过了D/Pd = 1.5[4][17,18]，这已经很高于测量到的平均组分值[17]。氘可以从该层通过裂缝持续流失，引起层内稳定但不均匀的氘核流[19]。更麻烦的是，高分辨SEM检测显示的复杂形貌包括枝晶、裂缝、具有择优方向的良好晶体结构[20,21]、以及不平整的布局[21–25]等各种形貌。用所谓共沉积过程形成钯沉积层的结构更加复杂[26]。在这种饱受摧残的形貌中根本无法确定NAE位置，只知道它尺寸很小，因为这类表面的特征尺寸都很小。估计观测到的能量来自众多活性位之和，它们之间相互独立。该类行为可从Szpak等[27,28]的红外图像中清楚地显示出来，图像上的闪光点随机分布，可看作是随机位置上局域加热—冷却循环的结果。近距离面对活性材料的照相底片感光也显示氚仅由近表面随机位点上产生。Mosier-Boss等[28]在从D2O中电沉积Pd以后发现这个效应，Sankaranarayanan等[29]用Ni丝在H2气中反复吸脱H也观测到相同的行为。其它研究也产生并用自显影术测到了氚，但我们不能确定LENR是唯一起因，因为使用的放电电压高到可引起一些热核聚变[30,31]。从这些观察结果我们可以得出结论，即NAE具有非常小的尺寸并且不均匀地分布在复杂的表面。可以推想，当NAE浓度非常高时出现了观测到的熔融现象。总而言之，这些观测结果皆表明NAE仅存在于近表面，它不是纯的PdD，测量到的D/Pd比太高不可能只来自于b-PdD。因此，一个模型如果基于体样品中的NAE并只要求具有D测量浓度平均值的PdD时，该模型必须抛弃。
荒田吉明[32]和Case[33]重点讨论小颗粒尺寸的重要性。通过把少量Pd原子放置在小的沸石内的原子笼中把这个想法推到极致[34]，但成效不显著。荒田吉明[35,36]提出通过氧化Pd + Zr合金形成Pd的纳米粒子。保留在最后ZrO2基体中稀的Pd–Zr合金会产生少量LENR[37,38]，但不足以说明小的金属颗粒尺寸是唯一的重要因素。Case [33]用的材料是典型的化学催化剂——负载Pd纳米颗粒的活性炭，除非使用特别的碳并经特别处理，否则它不起作用。我曾多次尝试把磨碎的Pd颗粒加入到碳等其它材料中，但皆未产生预期LENR。很明显，Pd颗粒尺寸不是该方法中的唯一重要因素。毕竟任何真实的纳米颗粒常常具有宽的尺寸范围，如果尺寸是唯一重要变量，总有一些会引起LENR和可检测的能量。当小尺寸有利时，可能是因为增加了表面积，总的经验表明这不是唯一重要条件。
简单地使氘扩散通过钯或其它材料明显可触发低水平的LENR反应。岩村康弘等人[39]将氘扩散通过CaO/Pd交替多层膜，必须存在CaO才会使各种表面沉积元素出现嬗变。该研究揭示出一个更复杂的过程，因为CaO层与表面上的靶材料之间隔着40 nm厚的Pd膜。CaO是否创造了特别的元素可扩散通过Pd而不发生反应但只引起表面沉积元素的嬗变？或者是否CaO引入的机械和电子应力导致在表面形成NAE？相反，刘斌等人[40]、Biberian与Armanet [41]能通过简单的D+扩散通过纯Pd而实现LENR，也只使用相对低水平的氘浓度。这些研究的特征可能是相同的，本文后面会再说。
2.2. 评估解释的进一步要求
切记需要甄别热聚变引发的行为并且不能用于解释LENR。因为热聚变与LENR可以出现在相同的材料中并且有时同时发生，所以需要区分这两个独立反应的结果。已知形成裂缝可引发含氘材料中的核反应。该过程就是断裂聚变[42–45]，在裂缝中产生短暂的高电压可引起热聚变过程并产生预期高能核产物，所产生的中子也是猝发式的，所以在把中子归因于LENR前必须仔细评估
相关热词搜索：低能核反应，冷聚变，LENR
分享到：
收藏
收藏
评论排行
- ·黑光能源公司 BlackLight Power, In...(4294967281)
- ·冷聚变技术可以结束当前的雾霾天气吗？(13)
- ·布里渊能源技术公司的CECR技术简介(9)
- ·Defkalion公司的5千瓦Hyperion冷聚变反应堆(8)
- ·截止2014年国内外冷聚变研究现状(8)
- ·美军宣称已成功将海水直接转化为燃料(8)
- ·关于近期对E-CAT真实性质疑的问题(8)
- ·中核研究院成功复制镍氢冷核聚变装置E-CAT(7)
- ·美预言家预测人类在未来18个月内实现冷...(6)
- ·黑光能源公司宣布改变能源领域游戏规则...(6)
- ·镍氢电能（E-CAT)研究中心落户天津(6)
- ·工业热力公司公告称罗西起诉没有任何价值(6)
- ·空中客车公司对冷核聚变研发感兴趣(5)
- ·1升水能让汽车跑5000公里(4)
- ·冷聚变开拓者：马丁. 弗莱希曼 和 斯...(4)
- ·世界上第一台冷聚变装置E-CAT的研发历程(4)
- ·冷聚变是伪科学吗？(4)
- ·冷聚变将引发环保和新能源技术新的革命(4)
- ·德国EGM公司的水基燃料技术(4)
- ·英国国防部最新报告：冷聚变技术将来会...(4)