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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。

图A：Biberian所用实验装置。

图B：氢气中照射Pd膜后的中心点SEM图像。

图D：CR39测量结果。

　　俄罗斯的Savvatimova（女）用Pd和Ni片（f20 mm ´ 0.1 mm）分别在氘气和氢气中辉光放电40 hr，Pd-D放电参数为2.5 kV，4 ~ 20 A，17 ~ 63 MHz，Ni-H放电参数为0.5 ~ 4 A，1.25 ~ 2.5 MHz。用ICP-MS测量Pd和Ni在放电前后的元素，所得结果是15次测量的累加值。结果发现Pd片表面的重元素Pt和Pb减少，如下表A所示。放电前没有的W放电后出现了，如表B所示，作者认为是Pt与D反应生成了W。Ni片是放电后表面的Fe、Zn和Cu杂质也减少，奇怪的是⁵⁴Fe同位素丰度增加了约3倍，⁶⁴Zn同位素丰度增加了一倍，⁶³Cu丰度也增加（与后面印度Kajeev组结果一致），且都是最轻同位素增加最多，如表C、D所示。Pd和Ni同位素也有变化，笔者认为不太明显，所以未转载[35,2B-OR06]。在另一篇墙报中，Timashev和Savvatimova等人认为低温等离子体中3 ~ 5 eV能量的电子可激发非核亚稳态，该亚稳态有10 min左右或更长的寿命，是一种松散的核结构，容易进一步发生核反应并可解释前述实验结果[50,P-07]。

图A：Savvatimova实验中的Pd-D放电。

表A：Pd片在D₂中放电后Pb和Pt的减少。

表B：Pd片在D₂中放电后W的出现。

表C：Ni片在H₂中放电后Fe和Zn的减少。

图D：Ni片中Cu的同位素变化。

　　田坚回顾了自己Pd-D₂(H₂)的超热并对未来工作进行了展望[P-40]。

2. Ni-H系统
2.1. Ni-H₂O系统

　　美国布里渊能源公司（BEC）的Tanzella这次主要关注各种材料测量技术[4,2A-PL06]，他提到用ICP-MS测得⁶⁴Ni丰度从天然值的0.91%变到3.99%，而⁶²Ni丰度明显降低，结果见下表。另一表的结果只有⁶²Ni丰度降低类似，其他只是稍有增多。到目前为止，Ni-H系统的核产物一直无定论，该结果只是顺便提到，录以备考。

　　印度IIT Kanpur的Kumar等（Kajeev组）[34,2B-OR05]使用纯Ni、纯Cu、Ni-Fe合金(Ni93%，Fe7% WDS）和 Kanthal 合金(Fe74%、Cr 21%和Al 5%)作阴极，高纯石墨(99.99%，杂质< 0.01% WDS)作阳极，1 M K₂CO₃（99.995%）水溶液作电解质。用EDS、WDS和TOF-SIMS表征电解前后阴极上的元素组成和同位素变化。结果表明，合金比纯金属更容易诱导核嬗变。纯镍在水中电解后用EDS和WDX都测到表面产生了Cu、Mg和Fe，见下图A。TOF-SIMS测量表明这些元素分布在距表面200 nm深度内，如下图B所示。TOF-SIMS测量还表明产生的铜同位素与天然值不同，如下图C所示。图D ~ F分别是纯Cu、Ni-Fe和Kanthal 合金电解后的结果，合金电解时间比纯金属少一个量级，可见更容易发生嬗变。Kumar在会议上很活跃，经常提问。

图A: 纯镍在30 V，2.5A电解11 hr前后表面4个点的元素变化，电解后产生了Cu（20%），Mg（3%）和Fe（4%）。

图B：纯镍在25 V，3.5A电解10 hr后用TOF-SIMS测量的元素深度变化。

图C：用TOF-SIMS测得的表面铜元素同位素分布，最右侧是天然值。

图D: 纯铜在30 V、3.5A电解12 hr前后表面5个点的元素变化，电解后产生了Mg和Fe。

图E: Kanthal合金在30 V、3.5A电解1 hr前后表面5个点的元素变化，电解后产生了Cu（20-53%）和Mg（6-11%）。

图F：Ni-Fe合金在25 V，3.5A电解1 hr前后表面5个点的元素变化，电解后产生了Cu和Mg。

　　日本岩手大学的山田弘（Hiroshi Yamada）用下图 A所示塑料管（容积8 ml）做电解池，上部是ϕ0.5 mm铂丝阳极，电解液是Li₂SO₄+H₂O，底部是5 μm厚镍膜阴极。镍膜下是闪烁体，计算机模拟表明，α粒子至少要达到~ 3 MeV能量才能穿透镍膜并到达闪烁体。共进行了6轮实验，每轮实验分前后两次，前次是每24小时电流从3 mA逐步倍增到160 mA，共持续7天。然后停止10 min，添加水进行后次实验，从5 mA逐步倍增到160 mA，共持续6天。因此，单次运行的电解持续进行13天。在暗室中用肉眼观察闪烁，在电解过程中的任意时间连续观测10 min，统计闪烁次数，通常在24小时内进行两次。闪烁颜色是白光夹杂着少许蓝光，闪烁前后的时间间隔也变化很大，每次强度也不同。把每小时的平均闪烁次数定义为闪烁频率，闪烁频率随电流值而增加，如下图B所示。在后次实验中160 mA时，1030 min总观察时间内共有15次闪烁，求得闪烁频率为0.9/h。相反，在对照实验中，在900分钟内观察到不明原因的闪烁2次，对应于0.1/h。结果表明，电解能显著提高闪烁频率。作者认识为电解中发生的低能核反应产生带电粒子引起闪烁[47,P-4]。

图A：山田弘所用电解池结构示意图。

图B：山田弘所用电解电流（左）和闪烁频率（右）。

　　俄罗斯的Klimov用Ni(0.9999) 阴极水中等离子体脉冲重复放电(100 A, 10 μs, 2 kHz)，用EDS和ICP-MS测量后发现，主要元素Ni未变，但杂质元素Fe，Cu，Si，Ca等减少乃至消失[23,2B-IN16]。在另一篇墙报中，Klimov等报道异构烃等离子体（Heterogeneous Hydrocarbon Plasma，HHP）射流与Ni片相互作用发生低能核反应，COP = 4 ~ 10，还用EDS观测到Li、Al、Ca等产物[53,P-10]。Klimov在会议上很活跃，经常提问。

图：Klimov在Ni阴极上放电前后的表面元素对比。

2.2. Ni-H₂系统

　　Parkhomov参加了会议并由同组成员Belousova（女）代讲[6,2B-PL07]，但主要讲述冷聚变中的核产物特点，未报道新结果。其中提到Pd-D系统需要300°C样高温，Ni-H系统需要1000°C以上高温。此外介绍自己的理论模型，认为电子参与重核聚变形成诸多核产物。

　　意大利Mastromatteo也从事冷聚变工作多年，他用7 cm ´ 0.8 cm ´ 0.125(5) cm镍带，镍带两侧各电沉积200 nm厚钯膜，样品重0.63 g，温度为22°C。结果在真空室中充入氢气后压力明显下降，如下图所示。在2.5 hr内，气压从315 mbar降为147 mbar，下降了168 mbar，如果只是Pd吸H最多只能下降3 mbar，根据体积与气压变化求得H/Ni = 0.6，这是纯镍片不曾发生过的现象。此外在吸氢开始后还观测到比本底高80%的中子信号，并维持了好几个小时[40,3B-OR11]。在冷聚变研究中，Pd-H系统的材料研究得最多，但很少观测到超出传统物理理解的内容。Ni-H系统超热报道过不少，很多人只是猜测Ni大量吸氢，但无明确证据。如果这个研究得以进一步证实，意义很大（笔者建议作者用称重法，电阻法，XRD等方法验证结论，他回信说设备简陋，无法实现）。

图：Mastromatteo观测到的Ni镀Pd膜吸氢过程，红线是另一个钯膜电阻的变化。

3. 合金-H(D)系统
3.1. 日本联合实验

　　日本已用相同样品多家独立重复的方法交叉验证冷聚变，高桥亮人综述了其结果[3,PL-04]。最好结果是200 W/kg-sample持续数周，反复煅烧可显著提高PNZ（Pd-Ni/ZrO₂）和CNZ（Cu-Ni/ZrO₂）样品的超热，氢气或氘气，压力0.1 ~ 1 MPa，室温到500°C都可产生超热。在ICCF-21以后，有16个小组验证了超热，产生了比Pd吸H所放热量高10,000倍的超热，典型值是200 MJ/mol-D，所用样品及反应釜见下图A，反复煅烧样品（下表r数目表示煅烧次数）结果见下图B和C，一般煅烧3次后超热饱和（见下图D），不再增加。CNZ样品累积超热见图E。温度越高，超热越大。用小样品在DSC上也测到超热。

图A：东北大学和神户大学所用的样品与反应釜。

图B：煅烧次数对PNZ超热的影响。

图C：煅烧次数对CNZ超热的影响。

图D：煅烧次数对CNZ超热影响的直接比较。

图E：CNZ7样品的累积超热。

　　东北大学的代表是岩村康弘（Y. Iwamura）、笠木治郎太（J. Kasagi）和伊藤岳彦（T. Itoh）[2,PL-03;24,IN-18;78,P-33]，他们在25 mm × 25 mm × 0.1 mm的Ni片上用氩离子束或磁控溅射法交替沉积6层Cu(2 nm)/ Ni(14 nm)多层膜，如下图A所示，先烘焙，然后在250°C条件下充入200 ~ 300 Pa氢气并维持约15 hr，然后迅速加热（500 ~ 900°C）并抽真空（10^-5 Pa，6 hr – 5 d），结果有氢气时观测21 keV/H-atom或2.0 GJ/H-mol的超热。只用纯Ni片时无超热。他们采用辐射法量热，当样品温度从942增加到992 K（约等于670升温到720°C）时，有氢样品辐射量比无氢样品增加6.2%，对应于6.0 W的超热（见下图B）。除了稳态超热外，还有脉冲超热（见下图C），不同位置测温表明超热来自表面层，脉冲超热还伴随有核辐射。笠木治郎太给出的超热是2 ~ 6 W，120 hr内总超热0.72 ± 0.22 MJ或3.8 ± 0.31 keV/H-atom（原文如此，两组数值的相对误差矛盾，前者31%，后者8%）。超热随时间衰减。温度越高，超热越大。初步证据表明，氘气也可产生类似的超热。岩村康弘这次没用多数日本人使用的新氢能，而是用了量子氢能（Quantum Hydrogen Energy，QHE）。

图A：东北大学使用的实验装置及步骤。

图B：东北大学的稳态超热实验结果。

图C：东北大学的脉冲超热实验结果，下图是上图局部。

　　早稻田大学小林（Tomotaka Kobayashi, 内藤健（Ken Naitoh）组博士生）报道了小体积反应釜中镍粉和Pd-Ni-Zr粉的温度变化[31,1B-OR02]，反应装置结构图、实物照及反应釜照片见下图A。一例3 g镍粉的结果见下图B，在240°C，0.5 MPa压力下使用氢气比氮气的高4 K，不同温度和压力的温升比较结果见下图C，可见温度和压力升高都促进了异常温升。使用Pd-Ni-Zr材料的只报道了下图D一例结果，虽然初始温升12 K，但200 s后随时间下降。总的来看，有异常现象，但结果粗糙，需细化。

图A：早稻田大学实验装置结构图（左）、实物照（中）及反应釜照片（右）。

图B：早稻田大学的一例镍粉实验结果。

图C：早稻田大学镍粉在不同温度和压力下的温升比较。

图D：早稻田大学实验中Pd-Ni-Zr粉在95°C，0.5 MPa下的温升。

3.2. 其他小组结果

　　印度辨喜瑜伽大学（S-VYASA (Deemed-to-be) University）能源研究中心的Ramarao报道了他们的超热[11,1A-IN03]，其装置结构见下图A，使用类似于水野忠彦的镍网附钯，钐作为活性材料（未见具体细节），充入氘气。一例结果见下表A，输入50 W时COP = 1.98，反应釜表面温度比标定值高19°C。输入50到300 W的不同输入功率皆有超热出现，氢气与氘气相比结果相差无几，详见表B。

图A：辨喜瑜伽大学的反应釜及空气量热计装置。

表A：辨喜瑜伽大学的一例热测量结果。

表B：辨喜瑜伽大学不同气体的标定和热测量结果比较。

西安秋然实验室的张航（由陈思用英语代讲）报告了重复水野忠彦实验的结果[32,2A-OR03]，采用塞贝克量热计并用水流式量热计做辅助测量，量热计原理及实验装置见下图A，实验结果见下图B，结果表明在10 Pa氘气压力下，输入功率为150 ~ 250 W时产生1.5 ~ 2.5 W的连续超热。

图A：秋然实验室量热及反应釜结构示意图。

图B：秋然实验室量热结果。

　　意大利的Celani继续研究其康铜（Cu₅₅Ni₄₄Mn₁）丝-氢气系统[22,2B-IN15]。现在使用下图所示的同轴线设计，即直径0.2 mm的康铜丝外包绝缘层绕在铁管上，置于H₂和Ar混合气（几个bar）中，施加高电压（± 600 V），低电流（几个mA）脉冲（50 Hz）。作者的目的是在丝内形成高电势梯度导致H流动，引发核反应。还需要表面层是低的功函数镀层等。作者说可产生稳定的异常热，但未见明确的热测量结果。

图：Celani实验示意图。

4. 束靶反应、超密度氢（氘）及其他
4.1. 束靶反应

　　波兰什切青（Szczecin）大学的Czerski继续报道金属中束靶反应屏蔽效应增强[13,1B-IN05]，结果表明晶格缺陷和杂质导致屏蔽能增加，但靶表面杂质导致屏蔽能降低。

　　兰州大学的王铁山多年从事束靶反应研究[2A-IN14]，他这些年尤其关注于金属含氘靶中氘分布的问题，在束靶反应测量中金属靶中氘的密度和分布是动态的，这导致核反应截面及屏蔽能等计算存在很大不确定性，为了避免该问题，他们用锂靶代替金属含氘靶。两例结果如下图A所示，可见在相变前后，液态锂靶的产率明显大于固态锂靶，计算表明，⁶Li+d反应屏蔽能增加了235 eV，而⁷Li+p反应屏蔽能增加了140 eV，这与Kasagi在ICCF-14上报道的结果定性一致。计算表明，液态锂靶上⁶Li(d,a)⁴He反应屏蔽能随温度增加而降低，如下图B所示。