氘/鈀氣-固系統中過熱現象的量熱研究（三）

王興業，申炳俊，金麗虹，周丹，田堅

（1.長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學 材料科學與工程學院，長春 130022；3.長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022；4.長春理工大學 理學院，長春 130022）

在凝聚態核科學領域的低能核反應研究中，某些金屬，如鈀、鎳、鈦等，在吸收一定量的氘（氫）原子后，經觸發會釋放出超過化學反應熱的異常熱量，簡稱“過熱”。這一現象持續吸引著某些科學家和研究者們的關注。他們嘗試通過各種觸發手段，如溫度、壓力、電流、激光、超聲、微波等方式，在液-固或氣-固系統中測量含氘（氫）金屬放出的過熱能量。由于傳統的核物理理論不能解釋這種異常的實驗結果，以及過熱測量中較低的重復率，使得一部分科學家對這一領域的研究持悲觀或否定的態度［1-2］。一個系統是否能產生過熱是判斷其發生低能核反應的重要前提，而量熱學方法在低能核反應的過熱測量中起到了至關重要的作用。采用不同的量熱法得到的測量結果不盡一致，如Fleischmann和Pons實驗中使用的絕熱式量熱法［3］和Rossi使用的等溫式量熱法［4］。在長春理工大學之前的工作中［5-6］，曾參照 Focardi的工作［7］，利用等溫式量熱法在氘/鈀氣-固系統中測到了更大的過熱功率（>100 W）。但有兩個問題一直未得到解決：一是隨著過熱的持續放出，如果氫氣在放熱的過程中被消耗，在沒有氫氣補充的情況下，過熱功率和反應室壓力應該會逐漸減小；而實際情況是過熱功率和氫氣壓力沒有任何減弱的趨勢。二是當降低輸入功率時，測量到的過熱功率也隨之降低，當輸入功率降低至零時，過熱功率也降至零。這與低能核反應研究中所期待的“自持發熱”有很大的距離。為了解決這兩個問題，將反應室內的樣品換成不與氘（氫）氣發生反應的金屬，并使用不同種類的氣體對系統在不同溫度、不同壓力下對系統進行了重新的標定和觸發，目的是找出標定氣體和觸發氣體的導熱系數、反應室結構和氣體壓力對反應室內部的溫度梯度和溫度分布的影響，進而檢驗和確認之前獲得的量熱學結果是否真實可靠。

1 實驗

1.1 實驗材料與設備

設計并制造了一個與之前工作中類似的氣-固系統。圖1為系統的結構示意圖。圖1中：1為空調節閥；2為KF25負壓規；3為四通；4為Gl/4正壓規；5為航空接頭；6為CF35膠圈角閥；7為反應室；8為過渡管道；9為真空計；10為分子泵；11為臺架；12為真空機械泵；13為液壓波紋管I；14為液壓波紋管II；15為分子篩。航空接頭外接直流電源和數據采集系統。

圖1 反應裝置結構示意圖

圖2為反應室的結構示意圖。圖2中：1為循環水入口；2為陶瓷管；3為加熱絲；4為陶瓷管；5為實驗鈀絲（標定實驗中移除）；6為循環水出口；7為不銹鋼反應室。加熱絲和實驗鈀絲分別纏繞在2、3陶瓷管上。T1至T4為Pt-100鉑電阻溫度計，分別放置于反應室內不同位置。

圖2 反應室結構示意圖

1.2 標定與觸發

為了驗證不同氣體的導熱系數及反應室結構對反應室溫度梯度和溫度分布的影響，將反應室內的樣品移除，系統經抽真空、除去殘余空氣等操作后，分別用1大氣壓的氫氣、氮氣和氬氣對系統進行了標定。圖3為不同氣體標定實驗中，T1至T4的溫度值以及擬合曲線。

圖3 標定實驗中各溫度計溫度及擬合曲線

在此之后，選用不同壓力的氫氣，在相同輸入功率380 W下，對系統進行了觸發實驗，各點溫度數據如表1所示。

表1 380 W輸入功率下，不同氫氣壓力下各點溫度

2 分析與討論

在相同溫度、壓力條件下，氫氣的導熱系數遠大于氮氣和氬氣。在25℃條件下，氫氣、氮氣和氬氣的導熱系數分別為0.170 6、0.024 8、0.018 0 W/（m·℃）［8］。若熱源在一個圓球空腔內發熱時，由于氣體的導熱系數不同，當用導熱系數小的氣體進行標定實驗時，反應室中心的溫度會大于導熱系數較小的氣體標定實驗，即氣體導熱系數越小，反應室內的溫度梯度越大（參見圖2和圖3）。同一點的溫度，在用氫氣標定時會小于氮氣或氬氣標定。圖3中T2溫度計位于兩個陶瓷管間，離加熱源最近，所以具有最高的溫度顯示。T3溫度計位于陶瓷管上方，陶瓷管也是具有較低導熱系數的物質，但大于氣體的導熱系數，由于T2溫度計和兩個陶瓷管空間位置，熱流沿著陶瓷管間的這一環形空間，向上或者向下向遠離熱源的空間傳導。所以T2和T3之間具有較大的溫度梯度。T1是反應室中心的溫度，由于溫度計僅和熱源相隔一層陶瓷管，反應室中心有著僅次于加熱絲的溫度。T1、T2和T3都符合之前提到的規律。然而，當輸入功率大于350 W時，在氫氣標定中，T1在氫氣標定實驗中的溫度開始大于氮氣和氬氣標定。一方面，這是由于氣體熱傳導起到了越來越重要的作用，由于熱流大部分沿著二陶瓷管間環形空間向上或向下傳導出反應室，加上外陶瓷管對熱流的阻攔，即使在氮氣或者氬氣標定下，加熱源有著更高的溫度，但隨著溫度的升高（輸入功率的提高），氫氣比氮氣或者氬氣傳遞了更多的熱量。另一方面，由于大部分熱流向上或向下傳導至反應室器壁，不銹鋼反應室器壁有著遠大于陶瓷管和氣體的導熱系數，熱流會通過上下面的反應室器壁向水平方向上的圓柱側面傳導，氣體導熱系數越低，加熱源與上下壁面的溫度梯度就越大，影響了反應室圓柱側面的傳導的熱流量，進而對反應室內T1的溫度造成了影響。大部分熱流繞過陶瓷管進行熱傳遞，大致分為氣體的熱環流和反應室壁的熱環流，如圖4所示。

圖4 反應室內兩種熱環流示意圖

在兩種環流的共同作用下，導致了這一現象的發生。由此可見，反應室內部結構對溫度梯度以及溫度分布有著重要影響。若不考慮這種影響，在觸發實驗中，這些溫度上的差異就會被計算成為過熱功率，導致實驗結果具有較大的誤差。

在380 W輸入功率不同氫氣壓力的觸發實驗中，隨著壓力的降低，T3的溫度隨壓力的降低而升高，在10萬帕至1萬帕壓力范圍內T1、T2和T4的溫度隨著壓力的降低而降低，在壓力小于1萬帕時逐漸升高。著重分析T2的溫度變化，如圖5所示。當氣壓大于1萬帕時，T2的溫度隨著壓力的升高而增加，在1萬帕到10萬帕的壓力范圍內，氫氣的導熱系數幾乎不受壓力的影響，但是高壓力的氣體會對熱輻射的傳遞造成影響。當壓力小于1萬帕時，氣體熱傳導的效果逐漸降低，低氣壓下趨近為零，熱輻射的比重越來越大，導致了壓力越低，溫度越高。同時，克努曾效應［9］也是加劇這種現象的原因之一。由于使用的是氧化鋁陶瓷管，陶瓷管在燒制的過程中，其內部可能會產生一些微小的氣孔，當氣體的分子自由程大于或者與氣孔線度相近時，多孔材料的導熱系數會驟然增加，隨著壓力的降低，這種效應也逐漸體現出來。所以，隨著氣壓的變化，反應室內部有著復雜的對流輻射傳熱過程，對溫度梯度及分布有著一定的影響。

圖5 380 W輸入功率下，氫氣壓力與溫度的關系

隨后，將標定氣體換成了不與鈀金屬反應、導熱系數與氘（氫）氣相接近的氦氣［0.150 1 W/（m·℃），25℃］，并在9萬、6萬、3萬和5千帕下，用氫氣做了觸發實驗。結果如圖6所示，系統并未測量到任何明顯的過熱，測量到的過熱均處于誤差范圍內。

圖6 不同輸入功率和壓力下，以氦氣作為標定，氫氣作為實驗氣體的實驗結果

在Focardi的實驗和長春理工大學之前的工作中，都采用了根據反應室中某點的溫度變化來計算系統測到的過熱功率的方法。通過以上分析可知，這種計算方法由于反應室結構、標定氣體與觸發氣體導熱系數的差別以及標定和觸發氣體壓力的不同，會對測得的過熱結果產生較大的偏離。所以，之前實驗結果中測到的百瓦級過熱功率是經不住推敲的。由于研究者們設計的反應室和溫度計放置位置不盡相同，在反應室結構、氣體導熱系數和氣壓壓力的共同作用下，在某些特定的壓力及測溫點下，可能會有更顯著的溫度差異，導致計算出更大的過熱功率，這種現象在溫度升高時變得尤為明顯，表現出測到更大的過熱功率。所以研究者們需要特別注意這一點，并重新檢視已取得的實驗結果。為此，針對利用等溫量熱法測量氣-固系統過熱功率的測量和計算過程，提出以下幾條建議，供從事氣-固系統過熱測量的研究者們參考。

（1）標定和觸發實驗盡量采用導熱系數相同或相近的氣體，在標定實驗中將樣品換成不與氣體反應的惰性物。

（2）在標定實驗和觸發實驗中，所使用的氣體壓力要盡可能保持相同。

（3）采用不直接使用溫度變化計算過熱功率變化的其它量熱法，如熱流式（塞貝克）量熱計。

3 結論與展望

由于反應室的結構不同，標定實驗和觸發實驗中使用的氣體的導熱系數不同，以及氣體壓力導致的反應室內熱傳遞方式的不同，造成了標定實驗和觸發實驗中反應室內溫度梯度和溫度分布的不同。這些不同的綜合作用結果是造成測得的“過熱”具有很大誤差的主要原因。所以在冷聚變研究領域的過熱測量中不建議使用等溫式量熱法測量和計算系統的過熱能量，因為這種量熱方法會導致實驗結果存在較大的不確定性，進而得出錯誤的實驗結論。

長春理工大學從1999年開始研究“冷聚變”中的過熱現象至今已有22年。直到最近，《Science》才把“冷聚變”列為人類需要探索與發現的125個科學問題之一［10］。既然是科學問題，就要用科學的方法和手段對之進行研究，任何主觀臆斷和猜想都不是對待科學問題的態度。雖然長春理工大學的過熱研究經歷了“重復（他人結果）—質疑—證明（有錯）”的曲折過程，但在最后能把研究中發現的問題公布于眾，給那些正在從事或正在準備從事冷聚變研究的人們提供一些參考。這對于處在碳中和巨大壓力下的經濟發展，對尋找和開發替代傳統化石能源的綠色新能源都具有一定的現實意義。