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第23届国际冷聚变会议学术笔记 - 张武寿
2021-10-09 18:29:03   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

第二十三届国际凝聚态核科学会议(即国际冷聚变会议)已于2021年6月9 -11日顺利召开。因疫情的持续影响,ICCF-23办成了线上会议,这也是历届ICCF的第一次,主会场在厦门大学。第二十四届国际冷聚变会议ICCF24将于2022年在美国硅谷召开。


ICCF-23网络会议学术笔记
本文简化版发表于《分子催化》2021年35卷4期390页

张武寿 于2021年6月21日
 

  第二十三届国际凝聚态核科学会议(即国际冷聚变会议,ICCF-23,http://ikkem.com/iccf-23.php)已于2021年6月9 ~ 11日顺利召开。因疫情的持续影响,ICCF-23办成了线上会议,这也是历届ICCF的第一次,主会场在厦门大学,世界各地参加者通过Zoom加入会议发表演讲、远程观看并提出问题。因参会者分布在全球各大洲,时差很大,会议日程安排颇费周折,只能优先保证各地报告者和主持人在非睡眠时间参会。结果是上午、下午和晚上都安排了报告和讨论。

  本次会议共有32个国家的433名代表注册,其中本国193人,美国111人,日本20人,印度16人,意大利14人,俄罗斯11人,加拿大和法国各9人,瑞士7人,英国6人,澳大利亚、匈牙利、伊朗和新西兰各3人,其他19个国家有一到两人注册。

  ICCF-23由嘉庚创新实验室和厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室承办,宇石能源集团和美国New Energy Power System提供了赞助。因主办者免除了会议注册费,所以承担了绝大多数开支。会议主席是田中群院士,笔者和长春理工大学田坚教授、兰州大学王铁山教授、西安秋然实验室的张航及陈思高工赴厦参会。厦大作报告的有詹东平、胡晟和丁松园教授;一直参与冷聚变工作和本次会议组织还有时康教授和黄崇恩老师。清华大学李兴中教授在美国远程参会。中国科学院大连化学物理研究所的陈萍研究员、长春理工的王兴业博士和台湾大学的黄秉钧教授都通过Zoom远程报告。
会议接收摘要86篇,共安排了46篇口头报告(10个大会,22个邀请,14个口头)和40篇墙报。演讲者可实时进行,也可录制好带旁白的PPT或视频播放。每篇墙报都预录3分钟视频,在墙报时间由主会场循环播放。参加者提供的摘要和视频也同时上网,有利于参加者会后慢慢学习。


  笔者对本次会议的最重要印象是确证Pd-D和Ni-H并非天然配对,Pd-H(如SKINR电解实验、Miley气相充氢)和Ni-D(如Storms和Ramarao的实验)也可以产生超热,本总结Pd-D和Ni-H体系分类主要是顺从习惯。此外,从2002年岩村康弘的多层膜渗氘实验开始就一直存在的氧化物在冷聚变中有没有作用的问题,Storms的实验对此给出明确的正面回答,即氧化物有助于冷聚变,这是以后实验中需要注意的关节。
下面按报告顺序并结合体系分类介绍会议内容,方括号内为会议摘要集中的页码和报告顺序,如[8,3A-PL09]表示所介绍内容在摘要集第8页,3A表示会议第三天第一场(B、C分别表示第二和第三场),PL09表示第九个大会报告(按全部顺序排列),而IN表示邀请报告,OR表示口头报告,P表示墙报。笔者个人评论全部放在每段尾部。为省事起见,本文引用的图形没有按全文序数排列,而是附在所引正文后面以下图A、B、C的顺序出现。
 
1. Pd-D(H)系统
1.1. Pd-D2O (H2O)系统


  美国Storms用钯颗粒压成硬币大小的类似于泡沫镍的钯粉压饼,先在真空中900 ~ 1000°C下加热数小时,然后在空气中> 400°C氧化数小时后自然冷却(见下图A),孔隙率约50%,在重水电解和氘气氛中都用塞贝克量热计测得超热。量热在24 W内的标准偏差为± 5 mW(文中如此说,图中显示是± 8 mW)。结果表明,如果样品未在空气中氧化则不会产生超热。钯粉压饼与以前固体钯超热随温度变化的行为类似,都在28 ~ 31°C出现活化能的变化(见下图B)。钯粉压饼在电解条件下和氘气氛中的超热有类似行为,镍粉在氘气氛中也产超热,只是转变温度更高些,达72°C(见下图C)。Storms得出结论,只有在低温区产生超热需要高的D/Pd,高温区到了D/Pd = 0.01就够了。此外,高温区固体Pd超热受限于D在Pd中的扩散过程,所以活化能与D扩散活化能相同,而钯粉压饼中扩散不成问题,所以活化能显示的是其他过程的[8,3A-PL09]。

图A:Storms制作的钯饼及其SEM。


图B:不同条件下Pd粉压饼电极产生的超热对数随温度倒数的依赖关系,其中上部绿色方块是以前固体Pd电极结果。


图C:(左)Pd粉压饼在电解和D2中超热对数随温度倒数的关系;(右)Ni粉超热对数在D2中随温度倒数的关系。
 
  退休后回到新西兰的McKubre回顾了SRI和Energetics以前的超热结果,当D/Pd < 0.906时无超热,当D/Pd > 0.927时只有一例无超热,当0.906 < D/Pd < 0.927时有8/19实验产生超热[9,1A-IN01]。此处的D/Pd具体数值是笔者读图推算的,非原文所引值。此外,对照McKubre与Storms的结果可知,McKubre的高充氘率要求就是因为他使用的室温水流量热计限制了温度升高,困在材料学难题中,而Google资助的工作竟然还在追求高D/Pd比,所以笔者说他们遵循陈旧的技术路线导致失败。此外,笔者所在实验组二十多年来容易出现的超热正结果都是>40°C的,这也与他们的经验、教训相符合。
 

  美国密苏里大学SKINR(Sidney Kimmel核复兴研究所)的Hubler小组使用下图A所示的开放电解池并用水流法量热[30,1A-OR01]。本底噪声约5 mW,电流电压都用50 kHz的采样率测量,然后平均到1 Hz水平并记录,其他温度、流量、钯电阻等信号都采用1 Hz的采样率记录。

图A:SKINR小组的电解池及量热池结构。

  阴极是100 mm ´ 8 mm ´ 0.1 mm的Pd片,阳极是绕在4根柱子上的Pt丝,电解池是熔融石英,如下图B所示。溶液中添加直径9 nm的Pd粒子,钯阴极上下两端受张力以保证吸附在其上的纳米钯粒子不会因电极吸氢变形而脱落,电解开始时溶液是黑色的,电解2天纳米粒子沉积在阴极上后溶液变透明。
 
  产超热的电解液是0.1 M LiOD轻水溶液,最好的一例结果如下图C所示,图中绿线是输入功(多数时间约25 mA,输入功48 mW),红线是输出功。由该图可见,电解到160 hr时超热增加到稳定值并一直维持(PPT中说是60 hr,疑误)。在58天的时间内,超热达到90 mW,COP约2.9,总超热453 kJ。在最后的200 hr实验中,超热不随输入功减少和增加而变化。最后100 hr是中断电解还有超热,即出现了死后热(HAD)。根据钯电阻变化(见下图D)可知,电解30 min后电阻比即达到1.96然后降到1.95,在多数时间内根据电阻比求得的D/Pd = 0.65 ~ 0.7。虽然作者未明说,但在最后的100 hr内,电解停止,电阻比从1.9持续下降到1.25,但不影响超热,这是HAD过程中明确的电阻比测量结果,说明HAD也不需要高的D/Pd。当然,因所测是细长Pd膜的电阻,而超热可能来自纳米Pd颗粒,此处结论仍非定论。

图C:1500 hr全部实验时间内的热测量结果。

图D:1500 hr全部实验时间内的Pd电阻比变化。

  下图E是产超热电解池的照片,但未在其他电解池上看到这些异常沉积(含义不明,是没有沉积还是沉积形态不同)。

图E:产超热电解池在实验结束后的照片。
 
  他们尝试过LiOH+H2O、LiOH+D2O和LiOD+D2O电解液,一些产生过最多60 mW、COP = 1.2 ~ 1.6、持续几个小时到几天的超热。但Pd阴极没有受张力拉直,多数没有超热。LiOH+H2O无超热。LiOD+D2O电解液中尝试过50 nm Pd粒子,3 nm Au粒子加磁场极化,50 nm Pd镀Fe和50 nm Pd镀Ni,但都未测到超热。

  根据PPT中的引文可知,他们在2017年申请的美国专利(Katti et al,申请号20170009366)中即已使用上图B所示的电解池和纳米粒子,可见这个实验至少已经进行了5年。自2016年ICCF-20后,美国的ICCF-21和意大利的ICCF-22都没有SKINR的消息,原来他们一直关注于该电解系统。该工作目前还有很多疑问,如电阻比>1.9,这是只有PdDx可以达到的数值,PdHx最多只到1.8,但0.1 M LiOD轻水溶液中D同位素只占0.09%(即900 ppm,而海水中D含量是160 ppm),应该不会有多少D进入Pd。我问过Hubler,他说估计H进入Pd片,D优先进入Pd纳米粒子,这应该是拍脑袋的说法。此外,我问是否尝试过高温,他说用4He密封的电解池(即4He无法进出)试过65°C,超热为60 mW。上述最好的这轮实验持续时间达2月,周期长是该类实验进展缓慢的原因之一。
 
  美国的Miles回顾了NRL制作Pd-B电极的量热结果[20,2A-IN12],他提到是Fleischmann最早注意到在NHE实验中使用的Pd-B电极产生了超热。Miles估计了B引起超热的几个原因,如Pd中存在B时吸D正常但脱D困难从而使D留在Pd中,B+D核反应,B形成反应活性点等。他还认为Pyrex玻璃电解池能产生超热的原因就是玻璃中的B溶出后到了电极中。不过笔者自己和SKINR小组的电解池都使用石英,也可测到超热,因此这种说法有些牵强。
 

  我们(第一作者赵辉,系与防化院联培生)报道了用塞贝克量热计测量Miles提供的Pd-B阴极电解重水的超热结果[21,2A-IN13],发现Pd-B确实比Pd-Cu电极重复性好,前者超热为46 ± 3 mW,重复性 5/9;后者超热19 ± 9 mW,重复性2/9。Fleischmann-Pons和Miles都用等温外套量热法测量杜瓦电解池中的超热,2016年李兴中建议用我们的量热计直接验证Miles电极的超热,结果我们发现把杜瓦瓶直接放入量热计量热会遇到蒸发热功率的不确定性,最后我们把传统开放电解池改造为回流开放电解池(见下图),其最大特点是蒸发热功率在量热计外壳温度为25°C时可表为0.00979I且不随电解池温度变化,从而极大地简化了热测量。电解前后测重表明在1.3%范围内质量损失与理论计算结果一致,说明模型正确。当然,这样的电解池构型带来了LiOD(LiOH)容易与空气中CO2反应导致浓度不断下降等问题,不过该问题已通过电解前强制吹氮,将回流管与空气隔绝而解决。此外,我们在作对比实验时发现用Pt片阴极电解重水和轻水时都观察到超热,多个样品、多轮实验表明超热不是测量误差,Pt电解重水最大超热是79 ± 12 mW(输入功4.1 W),重复性12/19,Pt电解轻水最大稳定超热是156 ± 12 mW(输入功2.6 W),重复性3/3。原来我们以为开放电解系统比封闭系统更简单,实际上本身也存在很多复杂问题,为此在实验中走了很多弯路。
 

图:我们实验中使用的回流开放重水(轻水)电解池。
 
  此外,我组赵辉测量了LiOD重水溶液的电导率与温度和LiOD浓度的关系[70,P-25],该关系可用于实验中根据电导率反推LiOD浓度,在25°C时,LiOD浓度c(mol/L)与电导率k(mS/cm)关系可表示为c = 8.094 × 10-3 κ + 1.443 × 10-5 κ2
 
1.2. Pd-D2(H2)系统


  美国Inovl公司的Gordon报道了镀钯膜工作电极,在氢气中持续产生电流的晶格能量转换器(Lattice Energy Convector, LEC )[10,1A-IN02],装置示意图见下图A。工作曲线如下图B。Gordon估计气体中氢离子对为1010 cm-3,而气体离化率为1014 cm-3 s-1



图A:Inovl公司的晶格能量转换器。

图B:Inovl公司晶格能量转换器的V-I工作曲线。
 
  与上述结果类似的是法国David的聚变二极管,如下图所示。现在美国生产甜甜圈的企业Entenmann’s和上述Inovl公司都参与该技术研发[73,P-28]。前述晶格能量转换器和这里的聚变二极管都已研发很多年,笔者觉得他们在冷聚变界未形成影响力的原因是其表述一直在自说自话,未用超功率、总超热、比超热等简明参数描述其异常现象,导致大家不置可否。

图:David的第三代聚变二极管示意图(左)和氩气、氢气、氘气的输出电压比较(右),图中纵坐标每隔为100 mV,在氘气氛下可达0.4 V。

  美国UIUC的Miley报道了PdZrO2+H2系统的超热[12,1A-IN04;49,P-06],所用装置如下图A所示。使用测温法,比较常温下充氢与脱氢时放热与吸热差确定超热(见下图B)。超热与样品量和气压的关系见下图C,可见样品量越大,超热越多,但与气压关系不明显。笔者以为,这再次说明Pd-H系统也可产超热且与H/Pd关系不明显。Miley一直坚持自己的游动电子层(Swimming Electron Layer)理论,认为固体中的位错环或缺陷可束缚氢形成高密度的团簇从而引发核反应,用低温研磨法可增加缺陷从而形成团簇。

图A:UIUC所用实验装置。


图B:UIUC的超热计算方法。


图C:UIUC的超热与样品量(左图)和气压(右图)的关系。

  受意大利Mastromatteo工作(JCMNS 19:173)的启发,法国Biberian在1 cm2的氧化硅基底上先沉积Cr膜然后是350 nm厚Pd膜,放在石英管内,装置如下图A所示。在2 atm H2或D2气氛中用650 nm激光照射3个月,然后用SEM-EDS分析样品,中心是直径约200 mm的黑点,见下图B,中心处的1、2、3点都肯定存在N、O、Na、S、Mg、Fe和Ni,而Ca、Al、Zn和Mo则水平较低。圆圈处的4、5、6点也存在明确的N、O、S和Ni,而Fe水平较低。黑点外的7、8、9点则主要是Pd,只有少量的O,可能来自污染。在氘气中处理的样品没有可见的黑点,元素分析是Pd(99.78%),Si(0.12%)和O(0.01%)。放置了多片CR-39,下图D是Pd-H样品下面前、后两片的结果,前面信号比后面强8倍,作者认为是中子信号。他说结果与Mastromatteo 的正相反,氢气中异常元素多于氘气中的[15,1B-IN07]。

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