冷核聚变

冷核聚变 [1] 是指:在相对低温(甚至常温)下进行的核聚变反应,这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变(恒星内部热核反应)而提出的一种概念性‘假设’,这种设想将极大的降低反应要求,可以使用更普通而且简单的设备,同时也使聚核反应更安全。冷核聚变虽然提出多年,但却一种备受质疑,词条详细介绍了冷核聚变的定义、提出以及相关的实验。

冷核聚变是指在接近常温常压和相对简单的设备条件下发生核聚变反应。核聚变反应中,多个氢原子核被强行聚合形成一个重原子核,并伴随能量释放,也称为低能量核反应(low energy nuclear reactions, LENR)。

冷核聚变是指在相对低温(甚至常温)下进行的核聚变反应,这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变(恒星内部热核反应)而提出的一种概念性‘假设’,这种设想将极大的降低反应要求,可以使用更普通而且简单的设备,同时也使聚核反应更安全。

既然极端的高温是产生聚变能的障碍,人们自然要探索其他或许能导致聚变的途径。是否存在着不依赖于像太阳中心那样的条件也能使原子核发生聚变的其他过程?几十年过去了,人们对这个问题有过大量的探索,但一直没有结果。

1983年3月,二位科学家,M.Fleishmann和 S. Pon声称在试管里用电化学手段引发了核聚变,这在当时全世界的科学界引起了巨大的轰动,原因在于 [2]

第一,若常温核聚变( 或冷核聚变)真的存在,这无疑是一个重大的事件/ 这是因为近半个多世纪以来,科学家们一直探索着用氘、氚( 重水、超重水)聚变来作为能源的一个来源的主攻方向/! ! 但实现这一聚变反应有两大难点,首先实现这一反应必须在超高温、超高压的环境下进行,这就决定了首先必须向聚变物提供足够的“ 外来”能量,才能“触发”聚变反应,而且既然是在高温、高压条件下,这就大大增加了反应装置的整体体积和复杂性,使提取能源的成本大大增加。普通的热核聚变一旦发生聚变反应,其反应“ 速度”和能量释放的“可控性”是迄今没有得到解决的难题。 从以上这些足以说明,若冷核聚变的确存在,其巨大意义是难以想象的,这首先可大大简化反应装置,降低成本。其能量释放的可控性较之于热核聚变的可控性要容易得多。

第二,这一冷核聚变无论从反应条件还是从反应产物来说都是与现有的热核聚变反应条件和产物相矛盾。一般热核聚变反应的产物都会有中子和γ射线放出,但大多数已公布的冷核聚变,其聚变产物要么没有中子和! 射线放出,要么其产生的过热释放与中子、γ射线等反应产物不相匹配。

综上所述,冷核聚变与人们已习知的热核聚变无论从反应条件还是反应产物来说都存在着尖锐的对立。换言之,被称之为冷核聚变的这种现象,无法在传统物质状态和核物理学的框架内给出解释。

也就是在这一背景下,"2*2 年"" 月,美国能源部组织成立的一个由(( 人组成的专家小组,在仅经过’ 个月的调查后,对冷核聚变给出了否定性的结论,其中最重要的两条调查结论,其原文内容是:(")“迄今为止所进行的有过热放出的实验结果不能提供令人信服的证据来说明,这种被称之为冷聚变的现象可以作为能量的一种有用的来源 ”被称之为冷核聚变的这一新的核反应过程的发现,其给出的证据是不令人信服的 ”美国能源部的这一报告,其影响当然超出了美国国内,对全世界这一领域的研究都带来了巨大的否定性的影响,明显地阻碍了这一研究的进展。

简介

有关冷核聚变最著名的事件是1989年的弗莱西曼-庞斯实验,由于这个当时引起轰动的实验没能够重现,20年来一直被视作科学研究的反面典型之一 [3]

1989年3月23日,美国犹他大学的彭斯和英国南安普敦大学的弗莱西曼举行新闻发布会,宣称在实验室的小型装置上,用钯作阴极电解重水,实现了常温常压下的“冷核聚变”。但是,世界各地1000多个实验室始终没有人成功地重复出彭斯和弗莱什曼的实验结果,最终否定了这一成果。他们俩的故事也就成了科学界几乎人人皆知的反面教材。这个科学史上的丑闻是科学发展过程中操之过急以及过度炒作的典型例证。

不过,根据Physicsworld报道,上周日本知名科学家,大阪大学名誉教授荒田吉明(あらたよしあき)在媒体前公开展示了他最新的研究成果,在常温条件下将氘气变成氦。

氘气压入钯锆氧化物(ZrO2-Pd)后,反应容器的温度上升到70摄氏度,并且长期处于远高于室温的状态达50个小时。据称这些热量便是来自冷核聚变反应

全世界许多科学家已经开始密切关注此次实验,稍后会有更详细的报道。

研究过程

曾被禁闭

弗莱西曼-庞斯实验中的两位化学家的发现激起了全世界无数科学家的兴趣,纷纷开始在实验室里重复这项实验。然而,实验的结果非常令人沮丧,没有一个科学家能够再次观察到室温条件下核聚变的发生。人们开始失望,并逐渐转化为对这两位化学家诚信的怀疑。在弗莱希曼博士和庞斯博士的实验完成半年之后,美国能源部根据许多失败的实验写了一份报告,正式否定了这项轰动一时的科学发现,结论为两位科学家测量错误和为获取研究资金的不恰当动机 [4]

许多科学家虽然也批评弗莱希曼博士和庞斯博士数据记录不完备,没有事先向同事征求足够的意见。但多数人认为,实验的缺憾不应抹杀这一研究的重要意义。“冷核聚变”的问题既有系统性的,也有技术性的,其中系统层面包括研究机构和媒体的认识不足,研究资金支撑不够等。技术层面包括没有合适的测量仪器,缺乏对材料的系统分析和完整的实验记录,以及苛刻的重复实验条件等。时隔15年,一些以前不具备的条件现在已经逐渐得以完善,因此,一些科学家认为,现在到了对“冷核聚变”进行重新评估的时候了。

美国著名科技评论家罗伯特派克一直批评能源部草率否定“冷核聚变”,称“冷核聚变”虽然有不少“信徒”,但事实一直没有弄清。这些年科学家不断撰文,呼吁政府重新进行评估,克林顿政府时期的能源部科学办公室主任米德兰德苔丝豪斯也支持对“冷核聚变”开展重新评估,认为“科学研究应该是开放的”。能源部现已同意最迟在2005年初完成这项全面的评估,给“冷核聚变”一个比较客观的定性。

争议不断--主流科学家否定但探索并未终止

尽管1989年宣称实现冷核聚变的庞德已放弃美国国籍、移民到法国,而弗里施曼也已退休。但目前大多数主流科学家仍对冷核聚变持否定态度。普林斯顿大学教授哈波说:“这些人(研究冷核聚变的人)是不够格的笨蛋。”IBM公司沃森研究中心退休核物理学家加尔文,曾任能源部首次调查小组成员。他讨厌冷核聚变,他访问过很多从事冷核聚变的实验室,发现一些做实验的人犯了很多基本的错误。1993年,他访问了麦库伯里实验室后,并未发现麦库伯里的实验有什么重大的过错,仅看到诸如设备假信号、简单的测量误差等可能的问题。加尔文还说,他对调查哈基尔斯坦的理论不感兴趣。他说:“聪明的理论可以解释任何事情,甚至能解释错误。”

美国物理学会公关部主任帕克也说:“我不去参加有关冷核聚变的会议,以及阅读冷核聚变的文献。因为这纯粹是浪费时间。”

虽然主流科学界对冷核聚变持否定态度,但是也有许多科学家并未就此罢休,15年来,不断有人继续探索“冷核聚变”的可能性。美国麻省理工学院的彼得哈格斯坦教授一直在进行“冷核聚变”研究;波特兰州立大学的约翰达西教授不仅自己相信“冷核聚变”存在,还培养了一群弟子,继续这项研究;意大利的奥古斯都-蒙梯大学在重复“冷核聚变”实验中还取得了不小进展;德国、日本、以色列等国的科学家也在继续这项实验,他们甚至联合起来,成立了一个“国际冷聚变科学协会(ICCF)”,每隔一年半组织一次学术研讨会。

核能可以通过两种不同的过程释放出来,即裂变和聚变。裂变是使原子核分裂,它就是商业核电力和简单原子弹的能源。聚变过程是两个氢原子核发生碰撞,从而聚合在一起。因为原子核具有电荷相互排斥,所以要得到聚变反应是极端困难的。只有在超常的高温下,原子核才会发生聚变。在太阳的中心和在氢弹中,发生的就是聚变。在氢弹中,是利用简单的裂变原子弹产生的大量热能来使氢原子核聚合。科学家们积极研究,已经提出一些利用高温聚变所产生的能量的方案,但是,由于达到必要的高温十分困难,更由于那样的高温难于维持,这样的目标至今未能实现。然而,受控聚变动力的这一前景,却一直吸引着关注我们世界能源需求的许许多多的科学家和工程师。

早先有关裂变的研究一直集中在需要极高温度的方法。大约在1984年,有两位电化学家开始关注起在低温下产生聚变的课题。一位是马丁弗莱西曼,英国皇家学会的成员和南安普敦大学电化学研究教授;另一位是斯坦利庞斯,美国犹他大学的化学教授。他们设想,如果强行把两个氘(氢元素的一个变种)原子核挤进一个容不下两个原子核的小空间,这两个氘原子核就有可能发生聚合。金属钯的原子结构便提供了适合这种要求的小空间。

为了把氘核挤入金属的晶格中,他们制作了一个电解槽,电解槽里的重水中有所需要的氘原子,而电解槽的阴极是用钯制成的。他们的假说是:电流从阳极向阴极的运动会迫使氘原子核重水移入钯的晶格,从而在那里发生聚变。因为这种聚变将会是在接近室温的条件下发生,比起在极高温度下发生的聚变,它是“冷的”。而查明聚变发生的主要线索是两个迹象:一是,发生聚变应产生的辐射,这可以通过测量放射性粒子即中子的数量来加以确定;另一个是,电解槽所产生的能量应当肯定大于提供给电解槽的电能,这可以通过测量温度来加以确定 [5]

意大利科学家安德烈-罗西称

2011年11月8日消息,意大利物理学家安德烈-罗西称,他已经设法成功实现“冷聚变”,这一过程能在不产生有害辐射物的情况下,生产出大量安全核能,它有望解决全球能源危机问题 [6]

罗西表示,他的新机器能在室温环境下使镍和氢发生聚变,产生近乎无穷无尽的能量。但是目前存在的一个问题是,很多科学家认为它有违物理学原理。过去的几项“冷聚变”试验均被证实是个骗局,迄今为止仍没有人能够充分解释清楚冷聚变的工作原理,以及它为什么会产生作用。美国能源部专利办公室表示,这一过程根本不可能实现,因为物理学排除了室温核聚变的可能性。但是罗西称,他的E-Cat机器能够实现冷聚变,并称上个月他在博洛尼亚大学的试验中已经证实它能产生作用。

他说:“通过较低能量,可以给加热器注入一定数量的能量,并从同一台加热器中获得更多能量。最初的能量是由电阻产生的。然后反应堆在接下来的3到4小时内不需输入最初的电能,就能再生产479千瓦时能量,这种低水平的核反应会自动继续下去。我们通过消费者进行的测试,其目的是看一看该过程是否能正常产生作用,以及产出能量是否会超过供应给该系统的能量。我们不想多说什么,只想制定合理的计划,让事实证明一切,消除人们的疑虑。”冷聚变的想法20世纪20年代由奥地利科学家弗里德里希-帕内特和库尔特-彼得斯提出。

据罗西介绍,E-Cat装置可以根据设计功率的不同,随意进行配置。这次进行公开测试的E-Cat装置,包括一个不锈钢反应容器,置于一个铜管内部,水流经铜管和不锈钢反应器的夹层。设置了水和氢气的进口。通过铜管外缠绕的电阻流经的电流给反应器充电,当达到一定温度的时候,反应器开始工作。
  实验结果产生了大概持续6个小时的稳定于4.69千瓦的能量供应。另外,需要输入能耗大概是330瓦,其中30瓦用于该设备的电子控制部分。能耗比这个装备产能的十五分之一还要小。
  与传统核反应堆不同,“E-CAT”装置不用放射性铀、为燃料,而是利用普通的非放射性镍和氢为原料。将极微小的镍粉颗粒放在一个容积为一升的小容器中,与一些未公开的(知识产权的原因)非放射性催化剂混合,和氢气一起加温加压,温度升到450500摄氏度左右,即开始发生核聚变反应,同时产生大量的热能。镍和氢价格便宜,储量丰富,储存运输成本低。而“E-CAT”装置用料又非常的节省。100克镍粉至少可供10千瓦级镍氢冷核聚变装置使用半年,10千克镍粉可供兆瓦级镍氢冷核聚变装置使用半年。以煤耗357克/千瓦时计算,燃10千克镍粉即相当燃1500吨煤,二者相差15万倍。另据罗西计算,一克镍粉释放的能量相当于500桶石油。现在一磅镍价值不到20美元。因此,罗西的镍氢冷核聚变装置运行所耗燃料的价值是微不足道的。

传统核反应堆为了防核辐射外泄,外壳需要几米厚的铁和钢筋混凝土保护,当铀、燃料用完后放射性仍保留达数千年。同时,需放在冷却池中用水冷却一年多才能安全的运送到储存地点保存起来,这对安全和环境具有潜在的危险。罗西的镍氢冷核聚变装置在工作时的放射性主要是低能的γ射线,只需要加2厘米厚的铅保护即可。反应堆关闭数分钟后即无任何放射性,且无任何核废料产生。因此镍氢冷核聚变装置周围的居民无需担心核辐射和核泄漏危险。传统核电站,为了保证安全,核反应堆的核燃料棒的处理储存都是代价高昂的。而储存运输普通的镍则耗费无几。

尽管有一些人称他们已经实现了冷聚变,但是大多数物理学家对此持否定态度。科学家表示,罗西在声称他已经成功实现冷聚变前,应该能让他实验室以外的其他实验室可以复制这项试验,并对其进行分析。能源顾问乔纳森-库米说:“在独立科学家能够复制这些试验结果前,(E-Cat试验)应该被视为一个骗局。”但是能源新机构纯能源系统的CEO斯特林-艾伦称,他参加了罗西的试验演示工作,E-Cat确实能够自我持续下去。他说:“罗西演示了470千瓦能量以自我持续的方式连续输出的过程,这意味着能量输出确实足以使该装置自行运转下去。”


  据清洁能源网讯,罗西镍氢冷核聚变装置的产业及商品化正加速推进。在希腊,一个兆瓦级镍氢冷核聚变站建设正在加紧进行,330台反应堆正进行装前测试。美国一公司已签订合同准备在美国制造销售。还有几个公司在洽谈中。据罗西称,3千瓦级镍氢冷核聚变装置只有拳头大小,兆瓦级镍氢冷核聚变装置可安装在一个集装箱内,可随意移动,所以又是一种可移动能源。
  罗西的支持者们对罗西的镍氢冷核聚变装置推崇备至,甚至宣称:20年后,世界上不会有电缆,家家户户都使用自己的冷核聚变进行发电。所有的机动车都靠冷核聚变驱动,到那时,加油站也会集体消失。当然,这一切的前提是:罗西的实验和演示必须是真实可靠的。目前,该事件得到了包括福克斯新闻网、《福布斯》杂志等多家西方主流媒体的强烈关注,但真实结果仍然存疑,许多科学家质疑其说法违背物理学原理。科学家表示,罗西在声称他已经成功实现冷核聚变前,应该能让他实验室以外的其他实验室可以复制这项实验,并对其进行分析。能源顾问乔纳森库米说:“在独立科学家能够复制这些实验结果前,(E-Cat试验)应该被视为一个骗局。”但是能源新机构纯能源系统的CEO斯特林艾伦称,他参加了罗西的实验演示工作,E-Cat装置确实能够自我持续下去。《连线》杂志在线版发表的评论认为,如果说公开测试试验是有预先组织的、“神秘”观摩宾客也是作假的话,那显然没有经过什么精密的计算以来取信于其他人;而且罗西显然只准备把设备提供给他的大单客户进行交付前检验,这些人和他们的律师似乎不是什么容易愚弄的目标,因而无论这是一个世纪性的大突破还是一个大骗局,这家伙似乎都做好了长远准备,没打算“放一枪就跑”。

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