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！
的空腔。估计这个共振过程可以释放能量并使氘核进入位于空腔末端的核——即沉积靶。根据该模型，只有在准确位置出现的核可以嬗变。Patterson [151]的结果提供了进一步支持，当他在塑料微球上镀Pd和Ni膜时产生很多裂缝。Miley [152,161]在这些膜上发现很多嬗变元素。很明显，因为在某些宽度会形成普通氢分子导致无法聚变，所以裂缝的宽度很重要。可以设想引发LENR的困难与在正确的维度上形成密堆积有很大关系，此后才有足够的D和H离子作为聚变反应的燃料。自然地，这些要求会对条件和处理方法非常敏感，因此重复嬗变结果的困难也肇始于此。
在病毒与其它单细胞微生物中可能发生核反应的断言对任何解释都是一个挑战[162]。很明显，在无机晶体中的化学环境和应用于晶格结构中的机理与生物细胞中的大不相同，也不能指望上述机理可以应用于后者。另一方面，可以设想复杂的蛋白质分子也会产生空腔，在其中的氢离子也会发生共振。这些设想当然没有证据，但总可以尝试。
没有单独的观测可以作为确切的证据。但对所有观测结果和模式的总分析引导我们得出貌似有理的结论——特定尺寸和形状的裂缝或纳米管就是NAE，这与已有的材料知识不矛盾，允许貌似真实的机理工作，并导向可验证的预言，许多与我们已经观测到的行为一致。对于在裂缝内机理运作的清晰描述仍然是一个谜。当应用一个发现的机理时，后续的数学处理可用于支持该模型并产生另外的预言。
2.5. 可检测的预言
作为进一步研究的指导，该模型提出如下可检测的预言：
（1） 裂缝产生X射线，裂缝内核的质量部分决定了X射线波长，裂缝轴向的反方向是其发射方向。该过程类似于激光，一些辐射似乎由轫致辐射引起。
（2） NAE内的H/D与氚产量密切相关。
（3） NAE内的D/T比与中子产生密切相关。
（4） 普通氢产生能量，还先后产生氘、氚，然后是少量但不断增加的中子流。
（5） 材料中有合适的NAE时，H或D扩散通过材料并进入NAE中会引起可观测的LENR。增加D2或H2气压具有相同的效应。
（6） 激光照射相当于为共振过程注入能量，所以可增加LENR产率。提高温度具有相同效果，但不像激光那样有局域性且有降低H或D浓度的负效应。
（7） 位于裂缝或纳米管末端的核偶尔会经历嬗变反应。
（8） 使用氘的LENR反应率会逐渐降低，因为活性NAE位使不可移动的氦堵塞。当用氢时这个寿命问题变得不太显著，因为产生的D和T可以移动到NAE外或进入后续聚变过程中而不会堵塞位点。无论如何，D浓度的增长会增加共振的活化能，降低反应率，产生束缚氦。
（9） 纯D和纯H要求的聚变反应条件之间没有区别。但是，与D相比，H需要更多的NAE位点以达到可检测能量。
（10）NAE中H和D的混合会使LENR更难开始（增加活化能），因为混合物由不同质量的核组成，破坏了共振。其后果就是反应“中毒”。在裂缝位置上加入激光能量可以降低破坏效应。
（11）一个可以产生显著功率的材料可以自加热并达到稳定的温度，其数值取决于氢在该温度到达NAE的效率。NAE数量愈多，温度上限也愈高。
（12）只要形成NAE，任何可催化氢分子分解为离子的金属或合金都可产生LENR。
3. 总结
本文基于几个有限的假设建立一个模型并得出所有报道的观测结果。认为LENR过程不是发生在晶格结构中，相反，这些过程必须发生在一个新奇而罕见的结构中。对于LENR的反应而言该结构是通用的，而与反应物、核产物、所用方法无关。这个结构的一般名称是核活性环境（NAE），我们认为它的具体形式是传统材料应力释放形成的裂缝或缺口。
我们提出氢同位素的聚变反应出现在相同的NAE中。p + p + e聚变生成氘，d + p + e聚变生成氚，d + d + e聚变再b衰变生成氦，相对速率由NAE中的氢同位素相对含量决定。当氚产生后，偶尔的t + d + e聚变产生中子。材料中的活性位点数目、温度和/或施加能量、氢同位素浓度等因素决定每种反应的速率。通过氢核和参与电子的共振过程向周围环境释放能量，能量以类似于激光的X射线沿裂缝轴的反方向辐射。要求创造共振的条件迫使氢—电子排列在它们所在的结构内。这个结构由裂缝或纳米管构成，必须具有亚微米以下的临界尺寸。
这个模型是基于实验观察结果而非现代科学认可的物理或数学模型提出的。如果该设想行为的结果可能与传统科学的结论相矛盾，本文确认重要证据并试图解决该矛盾。如果正确，本模型为导致核过程的机理确立了边界，解释了为什么测不到高能粒子，并显示为什么这类反应并非如传统科学认为的不可能。如果提出的模型是对的，我们随后将会利用数学工具进行分析。
本文提出的模型可马上用来理解Rossi宣称的结果。他说用所谓E-cat的装置通过转化镍为铜而获得显著热量。正如在本文中讨论的，这种能源是不可能的。另一方面，基于p + e + p = d反应的能源可能出现但不足以作为有用的能源，因为中微子辐射带走了大多数能量，这是标准模型所要求的。因此，仔细研究包括氕在内的产能反应是非常重要的，其意义不仅在于理解LENR也在于理解标准模型。
致谢
笔者在此感谢Brian Scanlan，没有他的财政支持是不可能进行本分析的，还感谢他对电子与氢核在特殊环境下相互关联的洞察。通过对笔者想法的反复挑战，Abd ul-Rahman Lomax和Bill Collis使本文表达更易理解。Carol Storms[24]和Ruby Carat发现一些常见的打印错误提供了很多有益的建议且使笔者把论点集中于正确方向。
参考文献
[1] Fleischmann, M., S. Pons, and M. Hawkins, Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. J. Electroanal. Chem. (1989) 261: 301-308 and errata in (1989) 263, 187-188.
[2] Storms, E.K., The science of low energy nuclear reaction. 2007, Singapore: World Scientific.
[3] Rothwell, J., Cold fusion and the future. 2007: www.LENR.org.
[4] Sheldon, E., An overview of almost 20 years’ research on cold fusion. Contemp. Phys., 2009. 49(5): p. 375.
[5] Krivit, S.B. and N. Winocur, The rebirth of cold fusion; Real science, real hope, real energy. 2004, Los Angeles, CA: Pacific Oaks Press.
[6] Simon, B., Undead science: Science studies and the afterlife of cold fusion. 2002, New Brunswick, NJ: Rutgers University Press. 252.
[7] Close, F., Too hot to handle. The race for cold fusion. second ed. 1992, New York: Penguin, paperback.
[8] Mallove, E., Fire from ice. 1991, NY: John Wiley.
[9] Peat, F.D., Cold fusion: The making of a scientific controversy. 1989, Chicago: Contempory Books. 188.
[10] Camp, W.J., Helium detrapping and release from metal tritides. J. Vac. Sci. Technol., 1977. 14: 514-517.
[11] Storms, E.K. and C. Talcott-Storms, The effect of hydriding on the physical structure of palladium and on the release of contained tritium. Fusion Technol., 1991. 20: 246.
[12] Dash, J., G. Noble, and D. Diman. Changes in surface topography and microcomposition of a palladium cathode caused by electrolysis in acidified light water. in International Symposium on Cold Fusion and Advanced Energy Sources. 1994. Belarusian State University, Minsk, Belarus: Fusion Information Center, Salt Lake City. p. 172.
[13] Miguet, S. and J. Dash, Microanalysis of palladium after electrolysis in heavy water. J. New Energy, 1996. 1(1): 23.
[14] Storms, E., Ways to initiate a nuclear reaction in solid environments. Infinite Energy, 2002. 8(45): 45.
[15] McKubre, M.C.H., et al. New hydrogen energy research at SRI. in Sixth International Conference on Cold Fusion, in Progress in New Hydrogen Energy. 1996. Lake Toya, Hokkaido, Japan: New Energy and Industrial Technology Development Organization, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan. p. 75.
[16] Storms, E.K., The nature of the energy-active state in Pd-D. Infinite Energy, 1995. 1(#5 and #6): 77.
[17] Tanzella, F.L., et al. Parameters affecting the loading of hydrogen isotopes into palladium cathodes. in Sixth International Conference on Cold Fusion, in Progress in New Hydrogen Energy. 1996. Lake Toya, Hokkaido, Japan: New Energy and Industrial Technology Development Organization, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan. p. 171.
[18] Storms, E.K., Relationship between open-circuit-voltage and heat production in a Pons-Fleischmann cell. in The Seventh International Conference on Cold Fusion. 1998. Vancouver, Canada: ENECO, Inc., Salt Lake City, UT. p. 356.
[19] McKubre, M.C.H., et al. Concerning reproducibility of excess power production. in 5th International Conference on Cold Fusion. 1995. Monte-Carlo, Monaco: IMRA Europe, Sophia Antipolis Cedex, France. p. 17.
[20] Sarto, F., et al. The Role of Cathode’s Surface Properties in the Electrochemical Deuterium Loading of Pd Foils. in 15th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science. 2009. Rome, Italy: ENEA, Italy. pp. 148-153.
[21] Castagna, E., et al. Metallurgical characterization of Pd electrodes employed in calorimetric experiments under electrochemical deuterium loading. in 14th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science. 2008. Washington, DC: www.LENR.org. pp. 444-450.
[22] Dardik, I., et al. Report on electrolysis experiments at energetics technologies. in International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, ICCF-13. 2007. Sochi, Russia: Tsiolkovsky Moscow Technical University. p. 325.
[23] Zhang, W.-S. and J. Dash. Excess heat reproducibility and evidence of anomalous elements after electrolysis in Pd/D2O + H2SO4 electrolytic cells. in International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, ICCF-13. 2007. Sochi, Russia: Tsiolkovsky Moscow Technical University. p. 202.
[24] Chicea, D. Comment on carbon production In deuterium-metal systems. in Tenth International Conference on Cold Fusion. 2003. Cambridge, MA: World Scientific Publishing Co. p. 475.
[25] Chen, S.-K., et al., The microstructure of electrolytically deuterium-loaded palladium rods. Fusion Technol., 1996. 29: 302.
[26] Szpak, S., P.A. Mosier-Boss, and F. Gordon. Precursors and the fusion reactions in polarized Pd/D-D2O systems: Effect of an external electric field. in 11th International Conference on Cold Fusion. 2004. Marseilles, France: World Scientific Co. p. 359.
[27] Szpak, S., P.A. Mosier-Boss, and J.J. Smith, Deuterium uptake during Pd-D codeposition. J. Electroanal. Chem., 1994. 379: 121.
[28] Mosier-Boss, P.A., et al., Review of Twenty Years of LENR Research Using Pd/D Co-deposition. J. Cond. Matter Nucl. Sci., 2011. 4: 173-187.
[29] Sankaranarayanan, T.K., et al. Evidence for tritium generation in self-heated nickel wires subjected to hydrogen gas absorption/desorption cycles. in 5th International Conference on Cold Fusion. 1995. Monte-Carlo, Monaco: IMRA Europe, Sophia Antipolis Cedex, France. p. 173.
[30] Rout, R.K., et al., Copious low energy emissions from palladium loaded with hydrogen or deuterium. Indian J. Technol., 1991.
在病毒与其它单细胞微生物中可能发生核反应的断言对任何解释都是一个挑战[162]。很明显，在无机晶体中的化学环境和应用于晶格结构中的机理与生物细胞中的大不相同，也不能指望上述机理可以应用于后者。另一方面，可以设想复杂的蛋白质分子也会产生空腔，在其中的氢离子也会发生共振。这些设想当然没有证据，但总可以尝试。
没有单独的观测可以作为确切的证据。但对所有观测结果和模式的总分析引导我们得出貌似有理的结论——特定尺寸和形状的裂缝或纳米管就是NAE，这与已有的材料知识不矛盾，允许貌似真实的机理工作，并导向可验证的预言，许多与我们已经观测到的行为一致。对于在裂缝内机理运作的清晰描述仍然是一个谜。当应用一个发现的机理时，后续的数学处理可用于支持该模型并产生另外的预言。
2.5. 可检测的预言
作为进一步研究的指导，该模型提出如下可检测的预言：
（1） 裂缝产生X射线，裂缝内核的质量部分决定了X射线波长，裂缝轴向的反方向是其发射方向。该过程类似于激光，一些辐射似乎由轫致辐射引起。
（2） NAE内的H/D与氚产量密切相关。
（3） NAE内的D/T比与中子产生密切相关。
（4） 普通氢产生能量，还先后产生氘、氚，然后是少量但不断增加的中子流。
（5） 材料中有合适的NAE时，H或D扩散通过材料并进入NAE中会引起可观测的LENR。增加D2或H2气压具有相同的效应。
（6） 激光照射相当于为共振过程注入能量，所以可增加LENR产率。提高温度具有相同效果，但不像激光那样有局域性且有降低H或D浓度的负效应。
（7） 位于裂缝或纳米管末端的核偶尔会经历嬗变反应。
（8） 使用氘的LENR反应率会逐渐降低，因为活性NAE位使不可移动的氦堵塞。当用氢时这个寿命问题变得不太显著，因为产生的D和T可以移动到NAE外或进入后续聚变过程中而不会堵塞位点。无论如何，D浓度的增长会增加共振的活化能，降低反应率，产生束缚氦。
（9） 纯D和纯H要求的聚变反应条件之间没有区别。但是，与D相比，H需要更多的NAE位点以达到可检测能量。
（10）NAE中H和D的混合会使LENR更难开始（增加活化能），因为混合物由不同质量的核组成，破坏了共振。其后果就是反应“中毒”。在裂缝位置上加入激光能量可以降低破坏效应。
（11）一个可以产生显著功率的材料可以自加热并达到稳定的温度，其数值取决于氢在该温度到达NAE的效率。NAE数量愈多，温度上限也愈高。
（12）只要形成NAE，任何可催化氢分子分解为离子的金属或合金都可产生LENR。
3. 总结
本文基于几个有限的假设建立一个模型并得出所有报道的观测结果。认为LENR过程不是发生在晶格结构中，相反，这些过程必须发生在一个新奇而罕见的结构中。对于LENR的反应而言该结构是通用的，而与反应物、核产物、所用方法无关。这个结构的一般名称是核活性环境（NAE），我们认为它的具体形式是传统材料应力释放形成的裂缝或缺口。
我们提出氢同位素的聚变反应出现在相同的NAE中。p + p + e聚变生成氘，d + p + e聚变生成氚，d + d + e聚变再b衰变生成氦，相对速率由NAE中的氢同位素相对含量决定。当氚产生后，偶尔的t + d + e聚变产生中子。材料中的活性位点数目、温度和/或施加能量、氢同位素浓度等因素决定每种反应的速率。通过氢核和参与电子的共振过程向周围环境释放能量，能量以类似于激光的X射线沿裂缝轴的反方向辐射。要求创造共振的条件迫使氢—电子排列在它们所在的结构内。这个结构由裂缝或纳米管构成，必须具有亚微米以下的临界尺寸。
这个模型是基于实验观察结果而非现代科学认可的物理或数学模型提出的。如果该设想行为的结果可能与传统科学的结论相矛盾，本文确认重要证据并试图解决该矛盾。如果正确，本模型为导致核过程的机理确立了边界，解释了为什么测不到高能粒子，并显示为什么这类反应并非如传统科学认为的不可能。如果提出的模型是对的，我们随后将会利用数学工具进行分析。
本文提出的模型可马上用来理解Rossi宣称的结果。他说用所谓E-cat的装置通过转化镍为铜而获得显著热量。正如在本文中讨论的，这种能源是不可能的。另一方面，基于p + e + p = d反应的能源可能出现但不足以作为有用的能源，因为中微子辐射带走了大多数能量，这是标准模型所要求的。因此，仔细研究包括氕在内的产能反应是非常重要的，其意义不仅在于理解LENR也在于理解标准模型。
致谢
笔者在此感谢Brian Scanlan，没有他的财政支持是不可能进行本分析的，还感谢他对电子与氢核在特殊环境下相互关联的洞察。通过对笔者想法的反复挑战，Abd ul-Rahman Lomax和Bill Collis使本文表达更易理解。Carol Storms[24]和Ruby Carat发现一些常见的打印错误提供了很多有益的建议且使笔者把论点集中于正确方向。
参考文献
[1] Fleischmann, M., S. Pons, and M. Hawkins, Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. J. Electroanal. Chem. (1989) 261: 301-308 and errata in (1989) 263, 187-188.
[2] Storms, E.K., The science of low energy nuclear reaction. 2007, Singapore: World Scientific.
[3] Rothwell, J., Cold fusion and the future. 2007: www.LENR.org.
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[6] Simon, B., Undead science: Science studies and the afterlife of cold fusion. 2002, New Brunswick, NJ: Rutgers University Press. 252.
[7] Close, F., Too hot to handle. The race for cold fusion. second ed. 1992, New York: Penguin, paperback.
[8] Mallove, E., Fire from ice. 1991, NY: John Wiley.
[9] Peat, F.D., Cold fusion: The making of a scientific controversy. 1989, Chicago: Contempory Books. 188.
[10] Camp, W.J., Helium detrapping and release from metal tritides. J. Vac. Sci. Technol., 1977. 14: 514-517.
[11] Storms, E.K. and C. Talcott-Storms, The effect of hydriding on the physical structure of palladium and on the release of contained tritium. Fusion Technol., 1991. 20: 246.
[12] Dash, J., G. Noble, and D. Diman. Changes in surface topography and microcomposition of a palladium cathode caused by electrolysis in acidified light water. in International Symposium on Cold Fusion and Advanced Energy Sources. 1994. Belarusian State University, Minsk, Belarus: Fusion Information Center, Salt Lake City. p. 172.
[13] Miguet, S. and J. Dash, Microanalysis of palladium after electrolysis in heavy water. J. New Energy, 1996. 1(1): 23.
[14] Storms, E., Ways to initiate a nuclear reaction in solid environments. Infinite Energy, 2002. 8(45): 45.
[15] McKubre, M.C.H., et al. New hydrogen energy research at SRI. in Sixth International Conference on Cold Fusion, in Progress in New Hydrogen Energy. 1996. Lake Toya, Hokkaido, Japan: New Energy and Industrial Technology Development Organization, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan. p. 75.
[16] Storms, E.K., The nature of the energy-active state in Pd-D. Infinite Energy, 1995. 1(#5 and #6): 77.
[17] Tanzella, F.L., et al. Parameters affecting the loading of hydrogen isotopes into palladium cathodes. in Sixth International Conference on Cold Fusion, in Progress in New Hydrogen Energy. 1996. Lake Toya, Hokkaido, Japan: New Energy and Industrial Technology Development Organization, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan. p. 171.
[18] Storms, E.K., Relationship between open-circuit-voltage and heat production in a Pons-Fleischmann cell. in The Seventh International Conference on Cold Fusion. 1998. Vancouver, Canada: ENECO, Inc., Salt Lake City, UT. p. 356.
[19] McKubre, M.C.H., et al. Concerning reproducibility of excess power production. in 5th International Conference on Cold Fusion. 1995. Monte-Carlo, Monaco: IMRA Europe, Sophia Antipolis Cedex, France. p. 17.
[20] Sarto, F., et al. The Role of Cathode’s Surface Properties in the Electrochemical Deuterium Loading of Pd Foils. in 15th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science. 2009. Rome, Italy: ENEA, Italy. pp. 148-153.
[21] Castagna, E., et al. Metallurgical characterization of Pd electrodes employed in calorimetric experiments under electrochemical deuterium loading. in 14th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science. 2008. Washington, DC: www.LENR.org. pp. 444-450.
[22] Dardik, I., et al. Report on electrolysis experiments at energetics technologies. in International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, ICCF-13. 2007. Sochi, Russia: Tsiolkovsky Moscow Technical University. p. 325.
[23] Zhang, W.-S. and J. Dash. Excess heat reproducibility and evidence of anomalous elements after electrolysis in Pd/D2O + H2SO4 electrolytic cells. in International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, ICCF-13. 2007. Sochi, Russia: Tsiolkovsky Moscow Technical University. p. 202.
[24] Chicea, D. Comment on carbon production In deuterium-metal systems. in Tenth International Conference on Cold Fusion. 2003. Cambridge, MA: World Scientific Publishing Co. p. 475.
[25] Chen, S.-K., et al., The microstructure of electrolytically deuterium-loaded palladium rods. Fusion Technol., 1996. 29: 302.
[26] Szpak, S., P.A. Mosier-Boss, and F. Gordon. Precursors and the fusion reactions in polarized Pd/D-D2O systems: Effect of an external electric field. in 11th International Conference on Cold Fusion. 2004. Marseilles, France: World Scientific Co. p. 359.
[27] Szpak, S., P.A. Mosier-Boss, and J.J. Smith, Deuterium uptake during Pd-D codeposition. J. Electroanal. Chem., 1994. 379: 121.
[28] Mosier-Boss, P.A., et al., Review of Twenty Years of LENR Research Using Pd/D Co-deposition. J. Cond. Matter Nucl. Sci., 2011. 4: 173-187.
[29] Sankaranarayanan, T.K., et al. Evidence for tritium generation in self-heated nickel wires subjected to hydrogen gas absorption/desorption cycles. in 5th International Conference on Cold Fusion. 1995. Monte-Carlo, Monaco: IMRA Europe, Sophia Antipolis Cedex, France. p. 173.
[30] Rout, R.K., et al., Copious low energy emissions from palladium loaded with hydrogen or deuterium. Indian J. Technol., 1991.
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