核聚变100问(52):气泡核聚变技术背后的真相是什么?

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一、气泡核聚变概念:

气泡核聚变,也叫做声融合,是一种尝试通过声波在液体中激发核聚变反应的理论方法。基本思想是利用声波在液体里产生小气泡,这些气泡在极小的空间内坍塌时,能产生极高的温度和压力,足以使氢原子核融合,释放能量。

从左到右:气泡形成;缓慢膨胀;快速且突然的收缩,这种现象声称可发生聚变反应

2002年3月,由美国橡树岭国家实验室和俄国科学院的科学家组成的研究小组在《科学》杂志上声称已制造出气泡核聚变。如果研究属实,这将为人类找到一种生产核能的简便方法。但争论从未停息,《自然》杂志更是在论文问世4周年时在其网站上发表质疑文章。

二、原始实验

Hugh Flynn在1978年提交的美国专利,似乎是最早有文档记录的声融合型反应。

Rusi Taleyarkhan 使用的声波融合装置。 1. 真空泵2.液体闪烁体 3.中子源 4.声波发生器 5.带流体的试验箱 6.麦克风7.光电倍增管  8.两个氘原子碰撞 8a.可能的聚变事件产生氦和中子8b.可能的聚变事件产生氚和质子

2002年3月8日,《科学》杂志刊登了橡树岭国家实验室(ORNL)的Rusi P. Taleyarkhan及其团队的研究成果。他们报道,使用氘代丙酮(C3D6O)进行的声空化实验中,观测到的氚和中子的产量与聚变现象的发生相一致。中子的发射与声致发光脉冲同步,这一现象是声致发光过程中气泡内因热量和压力引发的聚变反应的关键证据。声致发光脉冲是一种物理现象,当液体中的气泡在声波的影响下快速振荡时,会发生这种现象.

三、Rusi P. Taleyarkhan

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  • 1977年:获得印度马德拉斯理工学院机械工程 B.Tech 学位。
  • 1978年:获得美国纽约州特洛伊伦斯勒理工学院核工程硕士学位。
  • 1980年:获得伦斯勒理工学院工商管理硕士学位。
  • 1982年:获得伦斯勒理工学院核工程博士学位。
  • 1988年:结束在西屋电气公司的高级工程师职位。
  • 1988年至2003年:在橡树岭国家实验室担任项目主任和杰出的研发人员
  • 2003年加入普渡大学,担任核工程教授,从事教学和研究工作。

四、橡树岭实验室的实验未能复制

这一结果令人震惊,以至于橡树岭国家实验室请来了两位独立研究者D. Shapira和M. J. Saltmarsh,他们使用更先进的中子探测设备来重复该实验。他们的研究结果显示,探测到的中子更像是随机事件而非聚变反应的结果。但Taleyarkhan及其团队反驳说,这一结果未能充分考虑实验设置的关键差异,尤其是探测器与声致发光丙酮之间的额外屏蔽。Taleyarkhan等人认为,这些差异一旦得到妥善考量,实验结果实际上是支持聚变的发生的。

早在2002年,当实验工作仍在进行时,密歇根州立大学的Aaron Galonsky在给《科学》杂志的一封信中就对Taleyarkhan团队的声明表示怀疑。Galonsky认为,观测到的中子能量太高,不可能来自氘-氘(d-d)聚变反应。对此,Taleyarkhan团队在他们的回应中提出了详细的反驳论据,并得出结论认为观测到的能量与聚变反应预期的能量相吻合。

2005年2月,纪录片系列《地平线》委托两位顶尖的声致发光研究者,Seth Putterman和Kenneth S. Suslick,复制Taleyarkhan的实验。他们使用了相似的声学参数、氘代丙酮、相似的气泡成核,以及更为精密的中子探测设备,但研究人员找不到聚变反应的证据。

气泡聚变实验的争议与复制尝试

2004年,Taleyarkhan团队发布了新的气泡聚变报告,声称在更严格的实验条件下成功复制了先前的结果。与原报告相比,新报告声称聚变反应发生的时间更长,不仅在气泡成核后的初始坍塌中,而且在许多声学周期后都能检测到中子发射。

2005年7月,Taleyarkhan的两名学生在普渡大学使用相同的实验设备和方法,发表了证实性结果。然而,这一结果受到质疑,《自然》杂志上的文章对其研究的有效性提出了质疑,普渡大学的同事们也提出了对Taleyarkhan的不当行为指控,普渡大学对此展开了调查。

2008年,普渡大学的调查得出结论,Taleyarkhan在研究中扮演了重要角色,应该被列为论文作者之一,他还被指控为了回应审稿人的批评而错误地增加了一个未参与研究的作者。尽管如此,调查并未涉及实验结果的有效性。

2006年1月,Taleyarkhan与伦斯勒理工学院的研究人员合作,在《物理评论快报》上发表了论文,报告了聚变的统计显著证据。同年11月,LeTourneau大学的Dr. Edward R. Forringer和两名本科生在American Nuclear Society Winter Meeting上发表了两篇论文,报告了使用Taleyarkhan设备测量中子时中子发射的复制。

2006年3月,《自然》杂志发表了一份特别报告,质疑普渡实验结果的有效性。报告中提到,加州大学洛杉矶分校的Brian Naranjo认为Taleyarkhan等人报告的中子能量谱与聚变反应产生的中子不一致。

专利申请被拒

2002年,Taleyarkhan代表美国能源部提交了专利申请,但该专利在2005年被美国专利局拒绝,审查员要求提供额外证据证明辐射是由聚变产生的。

普渡大学的最终决定

2008年6月,Taleyarkhan和其他机构的团队在《核工程与设计》杂志上发表文章,试图澄清误解。

2008年7月18日,普渡大学宣布,经过调查,对Taleyarkhan的12项研究不端行为指控中有两项成立,包括他声称的独立确认实际上由其前学生完成,以及在其论文作者中错误地包含了一位未参与研究的同事的名字。

Taleyarkhan对报告结论的上诉被驳回。他说,这两项不当行为的指控是微不足道的行政问题,与气泡核聚变的发现或基础科学无关。一位接受《洛杉矶时报》采访的研究人员表示,该报告没有澄清气泡聚变是否真实,但论文的低质量和报告的质疑破坏了Taleyarkhan在科学界的信誉。

2008年8月27日,Taleyarkhan被剥夺了教授职位,并被禁止在未来3年内担任研究生的论文导师。尽管调查结果对他不利,但他在2008年9月至2009年8月期间仍从美国国家科学基金会获得了资助。然而,2009年美国海军研究办公室禁止他接受联邦资助28个月,直到2011年9月,并将其列入“被排除在外的各方名单”,以防止他从任何政府机构获得进一步的拨款。

五、中国相关学者的反馈

2004年中国科学院声学研究所的钱祖文在《气泡的大振幅振动及其在声致发光和 空化核聚变中的应用》中评述了气泡大振幅振动方程,特别是R-P方程的来龙去脉,指出了该方程所存在的缺陷并对它进行了 修正)将修正方程的数值解和R-P方程的数值解作了比较,在此基础上,对与气泡振动方程有关的应用(如声致发 光和空化核聚变)情况作了分析。

六、科学方法的胜利:对真理的不懈追求

尽管气泡核聚变的概念具有革命性的潜力,但科学界对实验结果的严格审查和验证体现了科学方法的重要性。这一事件强调了科学探索中诚实、公正和开放性的必要性,以及对新理论进行严格验证的重要性。

 

参考链接:

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Bubble_fusion#Original_experiments
  • https://www.cas.cn/hy/xshd/200405/t20040525_1691113.shtml
  • https://www.cas.cn/hy/xshd/200405/t20040525_1691113.shtml