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！
金英一[98,99]把团簇形成称之为玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate，简称为BEC）[100,101]，这也许就是NAE。他认为在小的PdD粒子表面可以形成这种类型的结构。因为键能太小以致该类结构在高温下无法存在，典型的BEC只能在绝对零度附近才能观测到。即使没有发生LENR，在用于触发LENR的温度下形成BEC是令人惊奇的。但金英一认为在晶格中存在特殊条件允许BEC稳定存在。即使BEC可以引发聚变，如何解释能量释放到晶格中而不产生可检测的辐射仍需要很多假设，这也违反要求5。
2.3.8. Rossi和Piantelli的理论
Piantelli等[102–112]在一系列文章中描述了深度处理后Ni-Cr和Ni管暴露在H2中如何产生能量、辐射和嬗变产物。他们认为在350 °C以上高温时该过程是表面的Ni团簇与溶解在金属中的H-离子相互作用使镍转化为铜。作者还为此反应提出一个机理。
Rossi [113]利用特别处理的镍粉提高了Piantelli等人得到的功率，并且也提出相同的能量来源机理。此外，Rossi [114]相信铜的放射性同位素释放出正电子，正电子湮灭后产生511 keV辐射，铅屏吸收这个辐射并加热了装置。但没有证据支持这个不可能的断言。相反，Piantelli报道测得744 keV的g辐射，这与正电子湮灭的说法不同。
Piantelli或Rossi对过程的描述还算不上理论。他们提议的过程既与观测结果不符，也与上述要求矛盾。即使显著的库仑势垒可以克服，嬗变也不会是显著能量的来源。只要一个Ni核发生嬗变，只有另外的H或D加入固定靶核才可以持续产生能量。这样的过程最终将会产生放射性元素，但这并未测到。此外，每次嬗变释放的能量很小，要求大量的活性位点来产生高的反应率以符合测得能量[16]。解释如此多的活性位可以在普通材料中形成是一个巨大的挑战。但这两人都成功地创造出足够多的NAE位点且利用普通氢产生了显著的能量。
2.4. 探索LENR解释的过程
在前面几节中，我们讨论了一个理论必须满足的要求、需要解释的行为以及一些理论的缺点。现在的挑战是提出一个模型可以与这些要求和行为一致。
我们以一个合理的NAE的一般特征为探索的开始。目的是利用这些要求排除大多数环境并集中于少数几个。环境生存过程可以检测提出的机理中哪种联合可与大多数观测一致。其目的是利用尽可能少的假设。
不同作者共提出4种不同类别的NAE。
一、原子和电子的普通排列产生的晶格结构，即体原子，包括非金属空位或金属子晶格。纯的或非纯的体PdD是这种环境的一个例子。这违反要求1。
二、目前不存在的新奇原子排列，如BEC结构、里德堡物质[115,116]、纳米结构[117–119]、钻石或沸石型分子[120,121]、裂缝[122–124]或碳纳米管[125]是这种条件的变种。此外，因为要求的催化剂单独出现，NAE还可能在形成Hydrinos [126]的地方。如果使用好几个合理的假设，不违反任何要求。
三、具有不同能量或电子浓度的两种材料间的界面，例如两种不同晶体材料相互接触的表面。这包括两个不同相的界面，如气\固界面或液\固界面。该条件违反要求3。除非再作其它假设，否则还有可能违反要求4和5。
四、材料的空隙，如结构中的裂缝、缺口、空隙[123,127–129]。碳纳米管或固体中的应力裂缝就是合理的例子。这种结构的维度和形状会决定它的行为。下文会说明这个条件不违反任何要求。
有人提出纳米尺寸维度的颗粒参与了LENR，但在该讨论中没有把它作为独特的环境。这种纳米粒子，至少在尺寸上可用于LENR，即仅仅因为它具有高的表面积而与普通材料不同，这会形成大的界面并可把它们划归到第三类NAE中。如果尺寸非常小（微米以下），它们将不会像普通材料那样，而应该归入到第二类NAE。因为快速烧结的存在，当温度远高于150 °C以后纳米颗粒不会在材料中长期存在。
第四类NAE是最有希望的。大多数金属与氢作用时会使晶格膨胀而产生应力，应力还会释放，该过程可产生不同尺寸的裂缝。裂缝的数目受限于处理过程和材料本身，因此产生NAE数目存在自然上限。裂缝或空隙有潜力作为共振过程的位点而不受化学晶格性质的限制。因此，裂缝具有合适的形状和尺寸作为LENR发生的位点。虽然合适的裂缝可在所有材料中形成，但产生很少，浓度有限。时至今日，成功产生LENR还主要依靠运气和这类结构的随机形成，这可说明为什么重复性常常成为问题。
如果确定了貌似合理的NAE，到底什么机理引发了核反应？为使探寻成功，我们必须在正确的逻辑顺序下遵循一系列模棱两可的线索。第一个线索是寻找氚及其形成过程。因为它明显与氦在材料上的相同区域形成且未产生可检测的热聚变核产物，可以设想氚与氦来自相同的机理和NAE。缺少中子可以排除热聚变过程中的D + D直接聚变。还有哪些反应源？似乎H和D都存在时产生氚[130]，但简单聚变会产生3He，正如许温格[17]在1990年最早提出的[131]。因为测到的3He只与氚衰变量相一致，所以可排除这个反应，这意味着氚在3He前形成。如果在H + D聚变反应中吸收一个电子则可形成氚，此后电子再通过正常的b衰变而离开。让我们看看这个过程是否有用。
表1. 电子参与的氢同位素间核反应
| d + d + e = 4H = 4He + e | Q £ 23.8 MeV |
| d + p + e = T = 3He + e (18.6 keV) | Q £ 4.9 MeV |
| p + p + e = d | Q = 1.4 MeV |
| d + t + e = 5H = 4He + n + e | Q £ 18.1 MeV |
| p + t + e = 4H = 4He + e | Q £ 20.4 MeV |
如果不涉及同位素仅考虑电子吸收是一个普适过程，那么可以给出表1所示的反应。在每种情况下，除了氚和氘，电子从核产物中弹射出去会很快以至于检测不到其半衰期[18]。此外，像氚一样，这类b射线的能量会很低以至难于检测。事实上，如果不是因为氚的缓慢衰变，这种在反应过程中添加一个电子的设想既无法直接观测也违反一般行为预期，所以人们肯定会忽略这种设想。接受了这个线索以后，才能设想更一般的聚变反应模式。此外，可以提出一个机理但它不会仅仅在聚变反应中加入电子，必须解释产生的能量是如何释放的。但首先需要处理的是与预期行为间的矛盾。
这种与传统理解的矛盾包括中微子的作用。把电子加入到核内会引起电子中微子的发射。就像在b衰变中发射电子同时发射一个反中微子一样，中微子带走大多数能量，这些能量永远不会以热的形式出现。如果该解释正确，表1所列反应根本不会产生计算所得能量，甚至连反应也不会出现。然而，与“普通”核反应不同，这里认为LENR过程是逐渐发生的，在电子被最终核吸收之前聚变释放了大多数能量，然后释放中微子。因此，中微子可带走的能量也许很少。无论如何，LENR过程提供了测试中微子产生和发射的试验。换句话说，LENR可以提供标准模型的测试，类似于加州理工用不同核反应做的测试[19]。此外，如果传统信条是对的，4H衰变应该产生氚和中子[132]而非4He。问题是：“设想LENR产生的4H会如愿衰变抑或通过b衰变来衰变？”
在展开下一条线索之前，设想列于表1的反应发生了，让我们看看是否提议的过程有助于解释观察到的行为。首先，如果当氚产生时出现一些中子是讲的通的话[20]。在氚聚集时，t + d + e聚变会出现并引起非常小的但变化的中子流，相应的n/T小于10-6。Mosier-Boss等用CR-39探测器给出支持这个反应的证据[133]，他们发现少量具有d + t聚变能量期望值的中子[21]，可惜他们未测量氚浓度。其次，每个反应的能量期望值（Q）可用于解释其它行为[22]。注意p + p + e聚变反应释放能远小于d + d + e反应的。因此，与用氘相比，前一个反应会需要更多的NAE位点以产生相同的功率，即d + d + e聚变反应更容易测量。所以，在用氢作对比实验时测不到超热的原因仅仅是因为NAE位点太少，以至于很难测到p + p + e反应热。事实上，F-P宣称在对比实验中使用H2O时获得的超热可以理解为在一些情况下存在足够多的NAE并产生了可观测的热量。因此，轻水明显的毒性仅仅是因为其功率远低于重水的，而不是因为完全终止了LENR[23]。最后，正如实验报道的，重水池中弱的b辐射可以偶尔产生低水平的轫致辐射[134]。
到底哪种机理和NAE与观测行为一致？热聚变过程和m介子催化聚变都要求核足够靠近到强力作用范围。结果是能量突然释放自然引起高能粒子发射，这在LENR中不存在。因此，一定有不同的机理在起作用。为了避免可观测发射，核反应能量释放过程可以包含很多原子的发射，这样每个原子只带走少部分能量。这个想法——也有他人提出——要求很多（> 10,000）原子的集合，在一个非常快过程中这些原子能够得到自己要求的份额。因此，正如前面总结的，这个方法似乎不可信。
本文提出氢弦中发生共振，弦由氢核和电子相互间隔组成。类似于激光中发生的，当共振发生时，辐射相干光子（X射线）。在这种情况下，能量不是来自外源，而是来自氢核进入其它元素后的逐步转化，干预电子可以吸收入最终核内。因此，当两个核靠得足够近时质量转化为能量。明显地，核与干预电子的关系不是传统意义上的。这个非传统的关系受裂缝壁的限制，核过程出现在其中。Brian Scanlan在以后的文章中将详细探讨该过程。
其它模型也能描述这个过程。Sinha与Meulenberg [135]提出一个结构，命名为Lochon，可描述电子与氢核间的独特关系。Kim与Ward [136]提出BEC中氘核间的共振过程，BEC在纳米PdD颗粒表面形成，该过程也可在裂缝或纳米管内起作用。
Chubb [137]应用粒子向波转化的说法，即氘核波逐渐转化为氦波同时能量从波结构失去。明显地，在此阶段这个过程对好几个解释都是开放的。
哪种证据可用来表明裂缝确实存在？首先，材料内部形成的裂缝是否可用？众所周知PdD可以形成裂缝[138,139]。钛是另一种与氢作用容易形成裂缝的金属。当用钛作为阴极在重水中电解时，就有超热和嬗变的报道[140–144]。此外，当钛在氘气中高低温循环时测到中子发射[145–147]，进一步表明活性裂缝的形成，但不必然产生LENR。镍暴露于氢气中不容易产生裂缝，但在氢中热与压力循环时[102,103]可望在表面产生裂缝。能通过电迁移作用而产生LENR的氧化物[148–150]都具有钙钛矿晶格结构。该结构容易在小的组分改变时扭曲变形进而引起局域裂缝。通过施加电压引起小的氢流让氢原子向这些位置移动可加速LENR过程。Patterson [151]和Miley [92,152]先后把钯膜应用到各种材料上，发现与氢作用后破裂。Celani等[153]也把这些可能含有裂缝的膜应用于丝上。在这种情况下，发现通过丝的电流可以增强效应，可能是使氘核更容易进入裂缝。超声聚变[154]中气泡在靶金属上坍塌时也可能在金属内产生裂缝。此外，对于应力引起的裂缝，已知所有的材料都包含缺陷——除非采取措施消除它们。当存在大量的活性缺陷时可产生明显的功率。如果有足够多的氘离子并且可以精确测量，普通材料中的少量缺陷也可产生可观测的、意外的LENR。估计制造纳米管比较困难，但可能存在并且偶尔有活性。
还有一些偶尔观测到的行为也与裂缝作为NAE的推测相一致，这些结果进一步支持本文的设想。例如，把X射线底片放在活性电解池附近显示的X辐射只有很狭窄的束宽度[155,156]。气体放电也产生类似于激光的紧聚焦X射线束[157,158]。这样的行为要求定向辐射，而定向辐射要求定向的结构。作为传统经验的例子，类似于裂缝的小尺寸结构可观测到激光辐射[159]。测不到辐射的原因可能是多数X射线已让材料完全吸收了，或因为多数射线束偏离了探测器。当存在很多裂缝并且针对随机方向时会产生弥散辐射源。因此，激光类辐射很稀少且很难测到，只有把探测器放在合适的地方或辐射源都针对相同的方向才有可能，所以这种情况只能偶尔发生。
岩村康弘等人[160]的研究提供了一个检验裂缝在嬗变中作用的机会。正如在前面解释过的，他们在Pd上沉积了40 nm厚的CaO/Pd多层膜，此后把各种元素沉积在表面。当氘扩散通过该三明治结构时，沉积核素通过吸收多个氘核发生嬗变。令人惊奇的是，只有沉积元素经历了嬗变，而不是表面浓度大得多的钯元素。此外，CaO层在该过程中起关键作用。如果在CaO与沉积靶元素间的钯薄膜内形成应力裂缝，也可解释这种行为。沉积材料填充了裂缝入口，从而密封裂缝并制造了氘核可以聚集和共振
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