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张武寿 NASA格伦研究中心冷聚变研究简评
2020-10-19 18:01:53   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

张老师简评:虽然NASA不是美国专门从事核物理工作的国家实验室(如LANL,但格伦研究中心的阵容齐整,理论和实验工作结合紧密,从笔者多年重视而自己无力继续从事的束靶反应入手,技术路线切合实际,我浏览完他们的工作后发自内心地感慨:大部队来了。


  2020年8月上旬,美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心(Glenn Research Center,GRC)以晶格约束聚变(Lattice Confinement Fusion,LCF)[i]为题介绍四月份他们在Physical Review C上发表的两篇关联文章,即Pines等人的理论工作Nuclear fusion reactions in deuterated metals(氘化金属中的核聚变反应)[ii]和Steinetz等人的实验工作Novel nuclear reactions observed in bremsstrahlung-irradiated deuterated metals(在轫致辐射氘化金属中观察到的新颖核反应)[iii]。美国核物理学会(ANS)[iv]和电气电子工程师学会(IEEE)[v]网站都予以报道。另一个网站的报道更直接,题目是《NASA宣布了冷聚变但未用其名》(NASA Claims Cold Fusion Without Naming It)[vi]。8月11日,中国核电网以《NASA称未来的航天器可能由晶格约束聚变提供动力》为题报道了该内容[vii]

  PRC实验文章大意如下。用2.9 MeV电子束照射氘化铒(ErD3)或氘化钛(TiD2),电子束在金属内通过韧致辐射产生2.5 ~ 2.9 MeV的高能伽马射线(计算所得能谱见下图1),大于2.226 MeV的光子可分解氘核为质子和中子(平均能量为0.145 MeV,最大0.4 MeV),热中子碰撞氘核并把一半的能量转移给氘核(平均能量为64 keV)[viii]形成热氘(见表I),热氘与晶格间隙的冷氘碰撞发生D(d,n)3He反应生成2.45 MeV中子(见图2),这是光离解产生高能粒子导致的次级核反应,与ICF实验中产生的中子类似(见图3)。此外光分解中子还与基体金属通过Oppenheimer-Phillips剥离反应(如Er(d,n)Tm、Er(3He,n)Yb和Ti(d.n)V)生成4、5 MeV中子(也见图2)。他们正在改进实验,把目前的稳定电子束改进为脉冲式的,从而通过时间甄别来最终判断4、5 MeV中子起源。


[i] https://www1.grc.nasa.gov/space/science/lattice-confinement-fusion/
[ii] https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.101.044609
[iii] https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.101.044610
[iv] https://www.ans.org/news/article-447/nasa-work-on-lattice-confinement-fusion-grabs-attention/
[v] https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/nuclear/nuclear-fusiontokamak-not-included
[vi] https://hackaday.com/2020/09/28/nasa-claims-cold-fusion-without-naming-it/
[vii] https://www.cnnpn.cn/article/20576.html
[viii] 质量为m的物体以速度v(动能为E)与质量为2m的物体正碰后前者速度变为-v/3(动能为E/9),后者获得速度2v /3(动能为8E/9),考虑角分布后减半,所以如此。



图1:2.9 MeV电子束韧致辐射产生的光子能谱


表I:氘核受各种粒子碰撞后获得的反冲能

图2:2.9 MeV,15 mA电子束激发ErD3(左)和TiD2(右)靶产生的中子能谱,左图是6 h累计结果(产率1500 n/s),右图是5.5 h的(产率1800 n/s)

图3:Mori et al., Nucl. Fusion 57 (2017) 116031报道的ICF实验中9发激光脉冲照射后氘代聚乙烯靶球产生的中子能谱

 
  就笔者的粗略观察,该实验最大缺陷是没有测氚。实验上既已测到1200 ~ 1800 n/s的中子,图2的能谱都是累计5.5或6 h的结果,即使D-D两个反应道分支比一样,氚产量也是3.2 ~ 3.6 ´107,测量应该不是问题。按照冷聚变的模式,氚产量很可能大于中子。因此氚测量除了可与中子对比提供旁证外,还可进一步证明在屏蔽条件下是否存在分支比异常,这是冷聚变非常重要的问题,对机理确定及进一步深入研究都很重要。

  PRC的理论文章细致分析了金属晶格中核反应的屏蔽效应,按导带和壳层电子的屏蔽,以及电离辐射产生等离子体屏蔽进行逐项讨论,这是多年来对金属氢化物中类似效应讨论最全面的,列出的公式就有123个。结果表明中子比带电粒子(e-pda)更容易加热燃料核(即D)并启动核聚变(见上表I)。电子屏蔽可显著增加大角度碰撞时的聚变几率。屏蔽势可用非线性Vlasov势而非德拜势描述。入射粒子在低能时屏蔽效应变得非常重要。屏蔽效应还增强了入射粒子与基体金属的Oppenheimer-Phillips剥离反应几率。理论可解释实验中观测到的中子产率,ErD3中屏蔽能为347 eV,屏蔽长度4.15 pm。下图4直观表达了实验中金属氢化物内发生的核过程。
 
 
图4:金属氢化物中的核过程
 
  上述内容是格伦研究中心的先进能源转化(Advanced Energy Conversion,AEC)计划中的部分结果。在PRC文章发表之前,Steinetz等人已经进行了一段时间g光辐照引起金属氘化物核反应的工作,2017年以Experimental Observations of Nuclear Activity in Deuterated Materials Subjected to a Low-Energy Photon Beam(低能光子束作用下氘化材料核活性的实验观测)为题发表了内部报告[i]。可以看出,目前的电子束照射氘化物是前述g光激发核反应的进一步发展。
 
  格伦中心的另一个冷聚变工作是用氢气纯化器进行的,Fralick等人在1989年就进行过氢纯化器的冷聚变实验[ii],当时主要寻找中子,未测量到高于2s的信号,但在充氘时观察到超过设定温度70°C达30分的异常温升。从这些年发表的报告看,Fralick持续关注该领域并断断续续进行实验,曾观测到该系统中脱氘时出现25°C的温升脉冲。在383°C,1.38 MPa时观测到异常热和中子。

  8月30日International Journal of Hydrogen Energy接受了Fralick等人的文章Transmutations observed from pressure cycling palladium silver metals with deuterium gas(钯银金属中氘气压力循环导致的嬗变),这个实验是用庄信万丰(Johnson-Matthey)公司的高纯氢净化器进行氘、氢和氦三种气体的吸收-脱吸循环,实验装置如下图5所示,用三根外径1.59 mm,壁厚80 mm,长3.66 m,每根重约17 g的Pd25Ag(75wt%Pd,25wt%Ag)合金管绕成螺旋形,三根螺旋的外径分别是42.9、46.5和49.9 mm。合金管内置不锈钢(含74wt%Fe,18.5wt% Cr和7.5wt%Ni)弹簧(螺距约0.58 mm)以保证Pd-Ag管不会受压力而坍塌,初始气体进入管外不锈钢腔内,所以管外压力大于管内的。Pd-Ag合金管都是一端封闭,开口端焊接在歧管(下图5中管右侧内壁外)上收集净化后的氢气。这次实验也在上游充氘时产生了持续半小时的异常温升,氢气的异常热很小,氦气无异常热。


[i] https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20170002584.pdf
[ii] https://ntrs.nasa.gov/citations/19900008108



图5:格伦研究中心所用的庄信万丰公司的氢纯化器核心部件,上图是切开后的照片,下图是X射线透视照片(来自Int. J. Hydrogen Energy文章的Fig. 2)

  用ICP-AES对来自庄信万丰公司的空白Pd25Ag样品进行组分分析结果如下表II所示,可见除Pd、Ag外其他都很少,SEM/EDS分析结果类似。



表II:原始Pd25Ag样品的ICP-AES组分分析结果
 
  每天进行一次循环实验,晚上把氘气在室温下充入纯化器中令Pd-Ag管吸氘,白天把纯化器与气瓶隔离并升温到300 ~ 400°C,约0.7 MPa。每周如此循环5次,共持续28周141次后把上图5所示纯化器不锈钢外壳切开后进行分析,表面形貌如下图6所示,其最显著特征是产生了火山口状熔融区,即图6中蓝线和黄线圈中所示。图6(b)中核心区域的EDS分析如表III所示,可见火山口富集Ca、Cr和Fe,而Pd、Mn、Ti、K、Cl、S、Si、Al、Mg、Na和O含量较少,特别是Pd只有10.97wt%,Ag则没有。


图6:氘气循环后Pd-Ag合金管表面照(Int. J. Hydrogen Energy文章的Fig. 4)
 


  另一个纯化器在氘气循环后的表面SEM及EDS元素分析结果如下图7所示,可见在图7(a)所示方框内,Pd/Ag = 3.51,大于原始样品中的2.67,即Ag比例减少。下面图8彩图是不同元素的分布


图7:方框(a)内的EDS谱及元素百分比含量(b)(Int. J. Hydrogen Energy文章的Fig. 7)



图8:图7(a)同一个区域内不同元素的分布的EDS结果,可见Cu和Fe集中分布,Zn相对而言均匀分布,Cr有零星分布(Int. J. Hydrogen Energy文章的Fig. 8)
 
  把上图中的方框区域用ToF-SIMS进行元素分析,结果如下图9所示,可见虽然氘气循环后产生了很多元素,但Cu和Zn,以及Fe和Ni之间的分布没有明确的空间相关性,说明不是来自黄铜和不锈钢污染。但异常元素的同位素分布与天然值接近。Pd和Ag在空间上非均匀分布,表明存在嬗变。
 



图9:图7中同样区域内用SIMS测到的63Cu、64Zn、56Fe和52Cr的分布(Int. J. Hydrogen Energy文章的Figs. 9 & 10)

 
  与PRC的两篇文章相比,这篇工作不算很突出,只能说看到一些异常,但结果还有待进一步确认。就笔者个人经验而言,核嬗变最容易测量,超热最难,但如果没有相对应的超热结果,核嬗变结果很难获得承认,原因是嬗变产物主要是稳定核,没有放射性,除非有异常的同位素丰度,否则难以排除材料偏析的质疑。本工作的最大疑点就是同位素丰度无异常,虽然作者也给出一些解释但说服力不够。我们曾反复在电解重水后的钯阴极上测到银产生,直到Biberian用SIMS证实107Ag/109Ag比天然值高10倍后我才敢确认Ag确实来自核嬗变。就热测量而言,Fralick的这个工作只是测温,还算不上是热测量,超热数值还是未知数。
 
  此外,Smith等人用圆片形Pd-Ag合金膜进行氘气扩散实验,但无显著异常结果。[i]

  格伦研究中心作为NASA下属的10个研究中心之一,正式员工逾3000人,位于俄亥俄州的克利夫兰市(Cleveland, Ohio)。我国的吴仲华夫妇曾在格伦中心的前身——刘易斯中心工作并于1950年开始发表《径向平衡条件对轴流式压气机和透平设计的应用》等论文,创立了国际公认的叶轮机械三元流动通用理论。


[i] https://ntrs.nasa.gov/citations/20200004345


图:格伦研究中心(图片来自官网)
 
  NASA除了格伦研究中心外,兰利研究中心(Langley Research Center)也在从事冷聚变研究。
 
  晶格约束聚变一直是冷聚变诸多名称中比较小众的说法,是沿着已有的重力约束聚变(如太阳),磁约束聚变(如托克马克)和惯性约束聚变(即激光聚变)的传统而命名的。按Storms的说法,LCF就是块遮羞布。

  从技术路线而言,现在的核聚变研究已经不再局限于托克马克和惯性约束聚变的庞然大物,而是利用二者的优点发展出磁惯性约束聚变(MICF)等各种更加紧凑型装置,可以说与冷聚变殊途同归。格伦研究中心的LCF工作不仅对于深入探索冷聚变有参考价值,而且对于ICF的发展也有重要意义。

  虽然NASA不是美国专门从事核物理工作的国家实验室(如LANL),但格伦研究中心的阵容齐整,理论和实验工作结合紧密,从笔者多年重视而自己无力继续从事的束靶反应入手,技术路线切合实际,我浏览完他们的工作后发自内心地感慨:大部队来了!

 

冷聚变世界
2020年10月19日

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