王興業(yè)，申炳俊，金麗虹，周丹，田堅(jiān)

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；4.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

在凝聚態(tài)核科學(xué)領(lǐng)域的低能核反應(yīng)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(jīng)觸發(fā)會(huì)釋放出超過(guò)化學(xué)反應(yīng)熱的異常熱量，簡(jiǎn)稱“過(guò)熱”。這一現(xiàn)象持續(xù)吸引著某些科學(xué)家和研究者們的關(guān)注。他們嘗試通過(guò)各種觸發(fā)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(tǒng)中測(cè)量含氘（氫）金屬放出的過(guò)熱能量。由于傳統(tǒng)的核物理理論不能解釋這種異常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及過(guò)熱測(cè)量中較低的重復(fù)率，使得一部分科學(xué)家對(duì)這一領(lǐng)域的研究持悲觀或否定的態(tài)度［1-2］。一個(gè)系統(tǒng)是否能產(chǎn)生過(guò)熱是判斷其發(fā)生低能核反應(yīng)的重要前提，而量熱學(xué)方法在低能核反應(yīng)的過(guò)熱測(cè)量中起到了至關(guān)重要的作用。采用不同的量熱法得到的測(cè)量結(jié)果不盡一致，如Fleischmann和Pons實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)春理工大學(xué)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(tǒng)中測(cè)到了更大的過(guò)熱功率（>100 W）。但有兩個(gè)問(wèn)題一直未得到解決：一是隨著過(guò)熱的持續(xù)放出，如果氫氣在放熱的過(guò)程中被消耗，在沒(méi)有氫氣補(bǔ)充的情況下，過(guò)熱功率和反應(yīng)室壓力應(yīng)該會(huì)逐漸減??；而實(shí)際情況是過(guò)熱功率和氫氣壓力沒(méi)有任何減弱的趨勢(shì)。二是當(dāng)降低輸入功率時(shí)，測(cè)量到的過(guò)熱功率也隨之降低，當(dāng)輸入功率降低至零時(shí)，過(guò)熱功率也降至零。這與低能核反應(yīng)研究中所期待的“自持發(fā)熱”有很大的距離。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，將反應(yīng)室內(nèi)的樣品換成不與氘（氫）氣發(fā)生反應(yīng)的金屬，并使用不同種類的氣體對(duì)系統(tǒng)在不同溫度、不同壓力下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了重新的標(biāo)定和觸發(fā)，目的是找出標(biāo)定氣體和觸發(fā)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣體壓力對(duì)反應(yīng)室內(nèi)部的溫度梯度和溫度分布的影響，進(jìn)而檢驗(yàn)和確認(rèn)之前獲得的量熱學(xué)結(jié)果是否真實(shí)可靠。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)與之前工作中類似的氣-固系統(tǒng)。圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中：1為空調(diào)節(jié)閥；2為KF25負(fù)壓規(guī)；3為四通；4為Gl/4正壓規(guī)；5為航空接頭；6為CF35膠圈角閥；7為反應(yīng)室；8為過(guò)渡管道；9為真空計(jì)；10為分子泵；11為臺(tái)架；12為真空機(jī)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中：1為循環(huán)水入口；2為陶瓷管；3為加熱絲；4為陶瓷管；5為實(shí)驗(yàn)鈀絲（標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中移除）；6為循環(huán)水出口；7為不銹鋼反應(yīng)室。加熱絲和實(shí)驗(yàn)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(jì)，分別放置于反應(yīng)室內(nèi)不同位置。

圖2 反應(yīng)室結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 標(biāo)定與觸發(fā)

為了驗(yàn)證不同氣體的導(dǎo)熱系數(shù)及反應(yīng)室結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)室溫度梯度和溫度分布的影響，將反應(yīng)室內(nèi)的樣品移除，系統(tǒng)經(jīng)抽真空、除去殘余空氣等操作后，分別用1大氣壓的氫氣、氮?dú)夂蜌鍤鈱?duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。圖3為不同氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，T1至T4的溫度值以及擬合曲線。

圖3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中各溫度計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 380 W輸入功率下，不同氫氣壓力下各點(diǎn)溫度

2 分析與討論

在相同溫度、壓力條件下，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氮?dú)夂蜌鍤?。?5℃條件下，氫氣、氮?dú)夂蜌鍤獾膶?dǎo)熱系數(shù)分別為0.170 6、0.024 8、0.018 0 W/（m·℃）［8］。若熱源在一個(gè)圓球空腔內(nèi)發(fā)熱時(shí)，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同，當(dāng)用導(dǎo)熱系數(shù)小的氣體進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)室中心的溫度會(huì)大于導(dǎo)熱系數(shù)較小的氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，即氣體導(dǎo)熱系數(shù)越小，反應(yīng)室內(nèi)的溫度梯度越大（參見(jiàn)圖2和圖3）。同一點(diǎn)的溫度，在用氫氣標(biāo)定時(shí)會(huì)小于氮?dú)饣驓鍤鈽?biāo)定。圖3中T2溫度計(jì)位于兩個(gè)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(jì)位于陶瓷管上方，陶瓷管也是具有較低導(dǎo)熱系數(shù)的物質(zhì)，但大于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，由于T2溫度計(jì)和兩個(gè)陶瓷管空間位置，熱流沿著陶瓷管間的這一環(huán)形空間，向上或者向下向遠(yuǎn)離熱源的空間傳導(dǎo)。所以T2和T3之間具有較大的溫度梯度。T1是反應(yīng)室中心的溫度，由于溫度計(jì)僅和熱源相隔一層陶瓷管，反應(yīng)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(guī)律。然而，當(dāng)輸入功率大于350 W時(shí)，在氫氣標(biāo)定中，T1在氫氣標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的溫度開(kāi)始大于氮?dú)夂蜌鍤鈽?biāo)定。一方面，這是由于氣體熱傳導(dǎo)起到了越來(lái)越重要的作用，由于熱流大部分沿著二陶瓷管間環(huán)形空間向上或向下傳導(dǎo)出反應(yīng)室，加上外陶瓷管對(duì)熱流的阻攔，即使在氮?dú)饣蛘邭鍤鈽?biāo)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?dú)饣蛘邭鍤鈧鬟f了更多的熱量。另一方面，由于大部分熱流向上或向下傳導(dǎo)至反應(yīng)室器壁，不銹鋼反應(yīng)室器壁有著遠(yuǎn)大于陶瓷管和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，熱流會(huì)通過(guò)上下面的反應(yīng)室器壁向水平方向上的圓柱側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)越低，加熱源與上下壁面的溫度梯度就越大，影響了反應(yīng)室圓柱側(cè)面的傳導(dǎo)的熱流量，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)室內(nèi)T1的溫度造成了影響。大部分熱流繞過(guò)陶瓷管進(jìn)行熱傳遞，大致分為氣體的熱環(huán)流和反應(yīng)室壁的熱環(huán)流，如圖4所示。

圖4 反應(yīng)室內(nèi)兩種熱環(huán)流示意圖

在兩種環(huán)流的共同作用下，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見(jiàn)，反應(yīng)室內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)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(fā)實(shí)驗(yàn)中，這些溫度上的差異就會(huì)被計(jì)算成為過(guò)熱功率，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較大的誤差。

在380 W輸入功率不同氫氣壓力的觸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，隨著壓力的降低，T3的溫度隨壓力的降低而升高，在10萬(wàn)帕至1萬(wàn)帕壓力范圍內(nèi)T1、T2和T4的溫度隨著壓力的降低而降低，在壓力小于1萬(wàn)帕?xí)r逐漸升高。著重分析T2的溫度變化，如圖5所示。當(dāng)氣壓大于1萬(wàn)帕?xí)r，T2的溫度隨著壓力的升高而增加，在1萬(wàn)帕到10萬(wàn)帕的壓力范圍內(nèi)，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎不受壓力的影響，但是高壓力的氣體會(huì)對(duì)熱輻射的傳遞造成影響。當(dāng)壓力小于1萬(wàn)帕?xí)r，氣體熱傳導(dǎo)的效果逐漸降低，低氣壓下趨近為零，熱輻射的比重越來(lái)越大，導(dǎo)致了壓力越低，溫度越高。同時(shí)，克努曾效應(yīng)［9］也是加劇這種現(xiàn)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(guò)程中，其內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生一些微小的氣孔，當(dāng)氣體的分子自由程大于或者與氣孔線度相近時(shí)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)驟然增加，隨著壓力的降低，這種效應(yīng)也逐漸體現(xiàn)出來(lái)。所以，隨著氣壓的變化，反應(yīng)室內(nèi)部有著復(fù)雜的對(duì)流輻射傳熱過(guò)程，對(duì)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(guān)系

隨后，將標(biāo)定氣體換成了不與鈀金屬反應(yīng)、導(dǎo)熱系數(shù)與氘（氫）氣相接近的氦氣［0.150 1 W/（m·℃），25℃］，并在9萬(wàn)、6萬(wàn)、3萬(wàn)和5千帕下，用氫氣做了觸發(fā)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)并未測(cè)量到任何明顯的過(guò)熱，測(cè)量到的過(guò)熱均處于誤差范圍內(nèi)。

圖6 不同輸入功率和壓力下，以氦氣作為標(biāo)定，氫氣作為實(shí)驗(yàn)氣體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在Focardi的實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)春理工大學(xué)之前的工作中，都采用了根據(jù)反應(yīng)室中某點(diǎn)的溫度變化來(lái)計(jì)算系統(tǒng)測(cè)到的過(guò)熱功率的方法。通過(guò)以上分析可知，這種計(jì)算方法由于反應(yīng)室結(jié)構(gòu)、標(biāo)定氣體與觸發(fā)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的差別以及標(biāo)定和觸發(fā)氣體壓力的不同，會(huì)對(duì)測(cè)得的過(guò)熱結(jié)果產(chǎn)生較大的偏離。所以，之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果中測(cè)到的百瓦級(jí)過(guò)熱功率是經(jīng)不住推敲的。由于研究者們?cè)O(shè)計(jì)的反應(yīng)室和溫度計(jì)放置位置不盡相同，在反應(yīng)室結(jié)構(gòu)、氣體導(dǎo)熱系數(shù)和氣壓壓力的共同作用下，在某些特定的壓力及測(cè)溫點(diǎn)下，可能會(huì)有更顯著的溫度差異，導(dǎo)致計(jì)算出更大的過(guò)熱功率，這種現(xiàn)象在溫度升高時(shí)變得尤為明顯，表現(xiàn)出測(cè)到更大的過(guò)熱功率。所以研究者們需要特別注意這一點(diǎn)，并重新檢視已取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此，針對(duì)利用等溫量熱法測(cè)量氣-固系統(tǒng)過(guò)熱功率的測(cè)量和計(jì)算過(guò)程，提出以下幾條建議，供從事氣-固系統(tǒng)過(guò)熱測(cè)量的研究者們參考。

（1）標(biāo)定和觸發(fā)實(shí)驗(yàn)盡量采用導(dǎo)熱系數(shù)相同或相近的氣體，在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中將樣品換成不與氣體反應(yīng)的惰性物。

（2）在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和觸發(fā)實(shí)驗(yàn)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(jì)算過(guò)熱功率變化的其它量熱法，如熱流式（塞貝克）量熱計(jì)。

3 結(jié)論與展望

由于反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)不同，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和觸發(fā)實(shí)驗(yàn)中使用的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同，以及氣體壓力導(dǎo)致的反應(yīng)室內(nèi)熱傳遞方式的不同，造成了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和觸發(fā)實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)室內(nèi)溫度梯度和溫度分布的不同。這些不同的綜合作用結(jié)果是造成測(cè)得的“過(guò)熱”具有很大誤差的主要原因。所以在冷聚變研究領(lǐng)域的過(guò)熱測(cè)量中不建議使用等溫式量熱法測(cè)量和計(jì)算系統(tǒng)的過(guò)熱能量，因?yàn)檫@種量熱方法會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大的不確定性，進(jìn)而得出錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

長(zhǎng)春理工大學(xué)從1999年開(kāi)始研究“冷聚變”中的過(guò)熱現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題之一［10］。既然是科學(xué)問(wèn)題，就要用科學(xué)的方法和手段對(duì)之進(jìn)行研究，任何主觀臆斷和猜想都不是對(duì)待科學(xué)問(wèn)題的態(tài)度。雖然長(zhǎng)春理工大學(xué)的過(guò)熱研究經(jīng)歷了“重復(fù)（他人結(jié)果）—質(zhì)疑—證明（有錯(cuò)）”的曲折過(guò)程，但在最后能把研究中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題公布于眾，給那些正在從事或正在準(zhǔn)備從事冷聚變研究的人們提供一些參考。這對(duì)于處在碳中和巨大壓力下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)尋找和開(kāi)發(fā)替代傳統(tǒng)化石能源的綠色新能源都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。