2005年7月14日
研究人员普渡大学有新的证据支持其他科学家的早期发现,这些科学家设计了一种廉价的“桌面”设备,利用声波产生核聚变反应。
从理论上讲,这项技术可能会带来一种新的清洁能源,以及大量便携式探测器和其他应用。
这项新发现在一篇同行评议的论文中有详细的描述,该论文发表在5月份的《核工程与设计》(Nuclear Engineering and Design)杂志上。该论文由核工程学院博士后研究员徐毅班和核工程及航空航天学院研究生研究助理亚当·巴特共同撰写。
这个实验的一个关键组成部分是一个两个咖啡杯大小的玻璃测试室,里面装满了一种叫做氘丙酮的液体,这种液体含有一种被称为氘的氢,或重氢。研究人员将试验室暴露在被称为中子的亚原子粒子中,然后用特定频率的超声波轰击液体,导致空腔形成微小气泡。欧洲杯猜球平台气泡随后膨胀到更大的尺寸,然后内爆,显然有足够的力量引起热核聚变反应。
核聚变反应释放出的中子在2.5兆电子伏的特定能量范围内,这是实验中产生的中子所具有的能量水平。徐和巴特说,实验还产生了一种叫做氚的放射性物质,这是核聚变的另一种产物。
普渡大学的研究始于两年前,这些发现首次证实了Rusi Taleyarkhan早些时候报告的发现。现在在普渡大学,小阿登·L·贝门特(Arden L.Bement Jr.)核工程教授塔莱亚坎(Taleyarkhan)在橡树岭国家实验室工作时发现了聚变现象。
“聚变反应的两个关键特征是2.5 MeV范围内的中子发射和氚的产生,这两者都在这些实验中看到,”徐说。
当研究人员用普通丙酮进行对照实验时,没有看到同样的结果,这为聚变反应的存在提供了统计学上显著的证据。
“对照实验没有显示任何东西,”徐说。“我们只改变了一个参数,用普通丙酮代替氘丙酮。”
氘的原子核中含有一个质子和一个中子。普通氢原子的原子核中只有一个质子。
Taleyarkhan领导的研究小组在2002年发表在《科学》杂志上的一篇论文中首次报道了这一现象。欧洲杯线上买球这些研究人员后来在橡树岭国家实验室、伦斯勒理工学院和俄罗斯科学院进行了进一步的研究,并在2004年发表在《物理评论E》杂志上的后续论文,就在塔利亚克汗来到普渡大学之后不久。欧洲杯线上买球
科学家们早就知道,高频声波会导致液体中空洞和气泡的形成,这一过程被称为“声空化”,然后这些空洞会内爆,产生高温和光,这一现象被称为“声致发光”。
然而,在普渡大学的研究中,这种液体在被声波轰击之前被“播种”了中子。在这个过程中产生的一些气泡是完美的球形,它们比不规则气泡的内爆力更大。这项研究得出的证据表明,只有球形气泡内爆时,其强大的力量足以导致氘原子融合在一起,类似于恒星中的氢原子融合在一起,形成使恒星发光的热核熔炉。
历史上,核聚变反应堆需要大型、昂贵的机器,但建造声空化装置的成本可能只是它的一小部分。研究人员估计,内爆气泡内部的温度达到1000万摄氏度,压力相当于海平面上10亿个地球大气压。
许和巴特现在在塔利亚克汗的实验室工作,但这篇新论文所基于的所有研究都是在他们加入该实验室之前进行的,而且在塔利亚克汗成为普渡大学教员之前,这项研究就在普渡大学开始了。这两名研究人员使用了由塔里亚克汗设计的原始试验室的一模一样的“副本”,他们在核工程学院院长Lefteri Tsoukalas的赞助和指导下工作。
尽管试验箱与Taleyarkhan的原始实验完全相同,普渡大学的研究人员谨慎地使用氘化丙酮,但他们从比橡树岭研究人员更便宜的来源获得中子。在橡树岭工作的科学家们用“脉冲中子发生器”在空腔中植入种子,这是一种能发出快速中子脉冲的装置。Xu和Butt从不断发射中子的放射性材料中获得中子,他们只是将试验箱暴露在该材料中。
开发一种低成本热核聚变发生器将有可能成为一种新的、相对安全和低污染的能源。传统的核裂变反应堆产生的废物需要数千年才能腐烂,而核聚变厂产生的废物寿命很短,在十年或二十年内会腐烂到非危险水平。对于相同单位质量的燃料,聚变发电厂产生的能量是裂变反应堆的10倍,而且由于海水中含有氘,聚变反应堆的燃料供应几乎是无限的。一立方公里的海水所含的重氢足以为美国提供一千年的电力。
这种技术还可能产生一种新型的低成本、紧凑的探测器,用于安全应用,利用中子探测手提箱中的物品;用于研究用中子分析材料分子结构的装置;欧洲杯足球竞彩廉价制造新型合成材料和高效生产氚的机器,氚被用于从医学成像到手表表盘的众多应用;欧洲杯足球竞彩以及研究宇宙学中各种现象的新技术,包括中子星和黑洞的工作原理。
徐说,桌面实验是安全的,因为尽管反应产生了极高的压力和温度,但这些极端条件只存在于容器中液体的一小部分区域——在坍塌的气泡中。
普渡大学的研究人员计划于10月在法国阿维尼翁举行的核反应堆热工液压会议上公布相关实验的额外数据。
2004年的这篇论文是由Taleyarkhan撰写的,他是橡树岭国家实验室的杰出科学家,橡树岭联合大学的博士后j.s. Cho;来自橡树岭的退休科学家科林·韦斯特;伦斯勒理工学院爱德华·e·胡德工程学教授小理查德·t·勒西;RPI访问学者、俄罗斯科学院巴什科尔顿斯坦分院院长R.C. Nigmatulin;欧洲杯线上买球罗伯特·c·布洛克(Robert C. Block)是RPI工程学院的名誉退休教授,也是RPI Gaerttner线性加速器实验室的主任。