（应用化学专业论文）射线成核声空化及核聚变反应的测量研究.pdf

上海大学硕士毕业论文 摘要 由于煤、石油和铀资源有限，人类最终会面临资源枯竭的问题。煤、石油 等化石燃料在使用时排放的气体会造成严重的环境污染，核裂变释能的核电产 生的放射性废物，由于其长半衰期和高放射性强度都会对地球造成潜在的危害。 核能释放的另一个形式是核聚变，聚变释能比裂变释能大3 4 倍，很少产生放 射性物质，因此聚变能是一种干净安全的能源，而且核聚变反应的燃料氘和氚 来自于浩瀚大海，聚变能也称之为取之不尽，用之不竭的能源。然而实现可以 控制的聚变能释放受控热核聚变，是近半个世纪来科学家殚精竭虑的研究 课题。目前人们探索受控核聚变主要有两种途径：磁约束受控核聚变和惯性约 束受控核聚变。哪种途径能真正实现商业运作，目前还无法判定。受控核聚变 是人类有史以来所面对的最困难、最具挑战性的一个科学难题。 声空化现象是液体在合适声压的超声场中，空化引发源( c a v i t a t i o n i n i t i a t i o ns o u r c e s ，也称核化源) 在此液体中产生空化气泡，空化气泡形成、长 大、坍缩和聚爆，空化效应导致空化气泡内部气体的高密度、高压强和高温度。 声空化现象激发了人们对于利用极端物理环境进行热核聚变的研究。 本文的主要研究内容如下： 1 建立声空化条件下中子测量方法和核测量装置。采用基于m o n t e - c a r l o 方法的p e n e l o p e 程序计算了s n d s 1 的1 3 7 c s t 射线的能量分布谱，结果显示最 大康普顿电子能量的计算值和实验值相差5 。分别采用s n d s 1 型液体闪烁 体和s t - 4 5 1 型液体闪烁体组成的中子探测器探测了不同能量的t 射线标准源和 多种单能中子源的脉冲幅度谱，取得了光输出的粒子能量响应，结果表明，液 体闪烁体的光输出与电子能量呈线性正比关系，而与中子能量呈非线性关系。 对于s n d s l 型液体闪烁体，它的光输出相对于反冲质子能量关系为： l = ( 0 2 4 0 0 4 ) e ，+ ( o 0 3 _ + 0 0 1 ) e p 2 - 0 0 6 对于s t - 4 5 1 型液体闪烁体，它的光输出相对于反冲质子能量关系为： l = ( 0 2 3 土0 0 3 ) e p + ( o 0 2 0 0 1 ) e p 2 + 0 2 1 2 研究2 4 5 m e v 中子的慢化问题，建立和优化中子慢化条件。对d d 反 v l 上海大学硕士毕业论文 应产生的2 4 5 m e v 中子源进行慢化，采用基于m o n t e - c a r l o 方法的s h i e l d 程序计算优化不同慢化装置的中子能谱，优选并建立中子慢化装置，实验测量 慢化中子能谱。实验值和计算值的误差在4 之内。通过模拟计算显示，在热中 子能区内，热中子数占总中子数的1 0 左右。 3 建立声空化条件下核反应的实验装置。探索超声场的电磁信号对于中 子能谱测量的干扰；不同荷能粒子的核化作用对于声空化效应的影响。超声与 否对能谱计数的统计性增量为0 5 s d 左右，属于计数误差允许范围，表明超声 场对中子测量无干扰。a 粒子、冷氚、热氚、d 和中子等粒子对于声空化导致 核聚变的作用都有极大影响，当缺少任何一种粒子的时候，反应测量的统计性 增量仅为1 6 7 一3 3 s d 。 4 声空化效应导致核聚变的实验验证。在验证实验中，采用t a l e y a r k h a n 等人的实验条件，即在超声场下，利用1 4 m e v 快中子或伍粒子进行核化，测量 d d 反应的2 4 5 m e v 中子能谱并计算其显著性统计增量。实验表明，并未测 量到2 4 5 m e v 中子有显著性的增量。 5 探索声空化场下核聚变反应的技术路线，研究其实现声空化导致核聚 变的可能性。实验得出在本实验的核反应技术路线下，采用s t - 4 5 1 液体闪烁体 测量核反应产生1 4 m e v 中子的能谱，效应谱和非效应谱在1 4 m e v 计数道数范 围内有明显的统计性增量，增量为2 8 5 s d 。采用b f 3 正比管测量核反应产生中 子的能谱，效应谱中子峰计数相对非效应谱有显著性的统计性增量，为5 1 4 s d 。 声空化导致核聚变中子产额n t f 约为2 6 x 1 0 5 n s ，产生中子与入射中子之比r t f 约为0 1 2 。 关键词：光输出响应：中子慢化；声空化效应；声致核聚变；中子计数统计 性增量 v i i 上海文学硕士毕业论文 a b s t r a c t a sc o a l ，o i la n du r a n i u mr e s o u r c e sa r el i m i t e d ；h u m a nw i l le v e n t u a l l yf a c e r e s o u r c ed e p l e t i o n g a se m i s s i o n si nt h eu s eo fc o a l ，o i la n do t h e rf o s s i lf u e l sw i l l c a u s es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n n u c l e a rf i s s i o n - b a s e de l e c t r i c a lp o w e rp l a n t s c a nr e l e a s et h er a d i o a c t i v ew a s t e ，w h i c hw i l lc a u s ep o t e n t i a lh a z a r d so nt h ee a r t h b e c a u s eo fl o n gh a l f - l i f ea n dh i g hr a d i a n ti n t e n s i t yo fn u c l e a rf u e lw a s t e s a n o t h e r f o r mo ft h er e l e a s eo fn u c l e a re n e r g yi sn u c l e a rf u s i o n ；t h ee n e r g yo ff u s i o ni st h r e e t of o u rt i m e sh i g h e rt h a nt h ef i s s i l e n u c l e a rf u s i o np r o d u c t sl i t t l er a d i o a c t i v e m a t e r i a l sa n di ti sc l e a ms a f ee n e r g y d e u t e r i u ma n dt r i t i u mf u e l so fn u c l e a rf u s i o n r e a c t i o na l ef r o mt h ev a s t n e s so f t h es e a , a l s ok n o w na sf u s i o ni n e x h a u s t i b l es o u r c e o fe n e r g y h o w e v e r , t h er e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e df u s i o ni sv e r yd i f f i c u l t yp r o b l e m t h a th a v eb e e ns t u d i e dh a r df o rn e a r l yh a l fac e n t u r yb ys c i e n t i s ti nt h ew o r d a t p r e s e n tt h e r ea r et w om a i nw a y so fc o n t r o l l e dn u c l e a rf u s i o n ：m a g n e t i cc o n f i n e m e n t f u s i o na n di n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n w h i c hh a sr e a lc o m m e r c i a lo p e r a t i o n , a r e s t i l lu n a b l et od e t e r m i n e ? c o n f i n e m e n tf u s i o ni st h em o s td i f f i c u l ta n dc h a l l e n g i n g s c i e n t i f i cp r o b l e m st h eh i s t o r yo fm a n k i n df a c e do n a c o u s t i cc a v i t a t i o ni st h ep h e n o m e n o nt h a tc a v i t a t i o ni n i t i a t i o ns o u r c e sp r o d u c e t h ec a v i t a t i o nb u b b l e si nt h es u i t a b l el i q u i dd r i v e db yu l t r a s o n i cp r e s s u r e ，t h e b u b b l e sf o r m ，g r o w , c o l l a p s ea n di m p l o d e a c o u s t i cc a v i t a t i o ne f f e c t sc a u s e da i r b u b b l e st h eh i g hg a sd e n s i t y , h i g hp r e s s u r ea n dh i g h - t e m p e r a t u r e t h e r m o n u c l e a r f u s i o na te x t r e m ea c o u s t i cc a v i t a t i o np h y s i c a le n v i r o n m e n tw a ss t u d i e db yp h y s i c a l s c i e n t i s t si nt h ew o r l d t h em a i ns t u d ya sf o l l o w s ： 1 、n e u t r o nm e a s u r e m e n tm e t h o d sw e r es e l e c t e da n dn u c l e a rm e a s u r i n g a s s e m b l yw a se s t a b l i s h e d 1 3 7 c st r a ys p e c t r a le n e r g yd i s t r i b u t i o no fs n d s 1w a s c a l c u l a t e db yp e n e l o p eb a s e do nt h em o n t e c a r l om e t h o d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h e d i f f e r e n c eo ft h el a r g e s tc o m p t o ne l e c t r o ne n e r g yw a s5 b e t w e e ne x p e r i m e n ta n d c a l c u l a t i o n t h ep u l s ea m p l i t u d es p e c t r u mo fd i f f e r e n te n e r g yo ft - r a ys o u r c ea n da 上海大学硕士毕业论文 v a r i e t yo fs i n g l e - e n e r g yn e u t r o ns o u r c ew e r ed e t e c t e db ys n d - s 1a n ds t - 4 51 l i q u i d s c i n t i l l a t o r ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el i g h to u t p u to fl i q u i ds c i n t i l l a t o rl i n e a r l y d e p e n d so nt h ee n e r g yo fe l e c t r o n ，b u tn o n l i n e a r l yo nt h ee n e r g yo fp r o t o n f o rl i g h to u t p u to fs n d - s1l i q u i ds c i n t i l l a t o r , i t sr e l a t i o nw i t h lr e c o i lp r o t o ne n e r g y w 硒： 三= ( o 2 4 + 0 0 4 ) 4 + ( o 0 3 + 0 0 1 ) 名2 - 0 0 6 f o rs t 4 51l i q u i ds c i n t i l l a t o r , i t sr e l a t i o nw a s ： 上= ( o 2 3 0 0 3 ) q + ( o 0 2 + 0 0 1 ) q 2 + o 2 1 2 、i nt h i sp a p e r , t h em o d e r a t i o no fn e u t r o ne n e r g yw a ss t u d i e d t h em o d e r a t e d c o n d i t i o nw a se s t a b l i s h e da n do p t i m i z e d t h en e u t r o ne n e r g y2 4 5 m e vo ft h ed - d w a sm o d e r a t e d ；t h em o d e r a t e dn e u t r o ns p e c m n nw a sc a l c u l a t e da n do p t i m i z e db y s h i e l db a s e do nt h em o n t e c a r l om e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n c a l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tw a s4 i nt h es i m u l a t e dn e u t r o ns p e c t r u mt h en u m b e r o ft h e r m a ln e u t r o nl o c a t e di nl o we n e r g yr e g i o nw a sa b o u t10 o ft o t a lo fn e u t r o n b ys i m u l a t e dc a l c u l a t i o n 3 、t h ee x p e r i m e n t a li n s l a u a t i o nu s e dt od e t e c t ea c o u s t i cc a v i t a t i o nn u c l e a r r e a c t i o nw a se s t a b l i s h e d t h ei n t e r a c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l sf r o mu l t r a s o n i c f i e l df o rt h em e a s u r e m e n to ft h en e u t r o ne n e r g ys p e c t r u ma n dt h ea c t i o no fn u c l e a r p a r t i c l e sd u r i n ga c o u s t i cc a v i t a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d n e u t r o nc o u n t i n gs i g n i f i c a n t s t a t i s t i c a li n c r e m e n to ff u s i o ni n d u c e db yu l t r a s o n i cw a v ew a sa b o u t0 5s d ，w h i c h w a sc o u n t i n ge r r o ra l l o w e d i ti n d i c a t e dt h a tu l t r a s o n i cf i e l dw o u l dd on oi n t e r f e r e d i nt h em e a s u r e dr e s u l t s 口- p a r t i c l e s ，t r i t i u m ( r o o mt e m p e r a t u r e ) ，t r i t i u m ( e n e r g y ) ， d e u t e r i u ma n dn e u t r o np l a y e di m p o r t a n tr o l ef o rn u c l e a rf u s i o nd u r i n ga c o u s t i c c a v i t a t i o n w h e nt h el a c ko fa n yk i n do fp a r t i c l e s ，c o u n t i n gs i g n i f i c a n ts t a t i s t i c a l i n c r e m e n to ff u s i o nb yu l t r a s o n i cw a v e sw e r eo n l y - 1 6 7 _ 4 3 3 s d 4 、t a l e y a r k h a n sn u c l e a rf u s i o nr e a c t i o nd u r i n ga c o u s t i cc a v i t a t i o nw a st e s t e d a n dv e r i f i e d i ne x p e r i m e n t s ，t a l e y a r l d 1 a na n do t h e r s t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s w e r ea d o p t e d ，t h a ti s ，u s i n gt h eu l t r a s o u n df i e l da n dt h eu s eo f14m e vn e u t r o n i x 上海史学硕士毕业论文 n u c l e a ro ra - p a r t i c l e s ，m e a s u r e m e mo fd - dr e a c t i o n2 4 5m e vn e u t r o na n d c a l c u l a t e i o no fc o u n t i n gs t c t i s f i c a ls i g n i f i c a n tm c r e m e mo ff u s i o ni n d u c e db y u l t r a s o n i cw a v e s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，n os i g n i f i c a n ti n c r e m e n t a lo ft h e2 4 5 5 、n u c l e a rf u s i o nr e a c t i o nd u r i n ga c o u s t i cc a v i t a t i o nw a se x p l o r e d ，t h e p o s i b i l i t yo fn e u t r o nn u c l e a rf u s i o nd u r i n ga c o u s t i cc a v i t a t i o nw a ss t u d i e d i nt h i s e x p e r i m e n tn u c l e a rr e a c t i o nr o u t e s ，s t - 4 5 1 l i q u i ds c i n t i l l a t i o nw a su s e d ，1 4m e v n e u t r o nc o u n t i n gs i g n i f i c a n ts t a t i s t i c a li n c r e m e mw a s2 8 5 s db e t w e e nn u c l e a r f u s i o ni n d u c e db yu l t r a s o n i cw a v e sa n dw i t h o u ti n d u c e db yu l t r a s o n i cw a v e s l o n g c o u n t e rb f 3n e u t r o nd e t e c t o rw a su s e d ，1 4m e vn e u t r o n sc o u n t i n gs i g n i f i c a n t s t a t i s t i c a li n c r e m e mw a s51 4 s d a c o u s t i cc a v i t a t i o nc a u s e df u s i o nn e u t r o ny i e l d w a sa b o u t2 6 10 5 n s ，a n dt h ee m i s s i o nn e u t r o ni n c i d e n tn e u t r o nr a t i or t fw a s a b o u t0 1 2 k e y w o r d s ：l i g h to u t p u tr e s p o n s e ；n e u t r o nm o d e r a t i o n ；a c o u s t i cc a v i t a t i o n ；n u c l e a r f u s i o ni n d u c e db yu l t r a s o n i cw a v e s ；n e u t r o nc o u n t i n gs t a t i s t i c a li n c r e m e m x 上海大学硕士毕业论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其它同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘垡监日期：2 塑：坚= ： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 乓p 签名：鞋翩躲堑生眺竺生：监夕 上海大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于2 0 0 5 年国家自然科学基金重点项目“空化泡内部极端高温高 压及其物理效应”( n o ：1 0 4 3 4 0 7 0 ) 的子项目一脉冲快中子在声致聚变中的应用 研究”。 1 2 课题研究的目的和意义 能量是人类物质文明发展的基础，随着社会发展，人类对能量的需求在不断 增加。目前存在的提供能源的主要燃料化石燃料的贮量非常有限，这些化石 燃料又是极宝贵的化工原料，仅为了利用其燃烧时放出的能量而付之一炬实在可 惜。另一方面，其燃烧时释放出的大量废气导致的“温室效应”，会使地面的紫外 线辐照增强、产生破坏人类生活环境的危害。自然界中的太阳能、风能和潮汐能 等虽然没有环境污染，但贮量有限，收集率也较低，只能作为辅助能源。开发和 利用新的能源已迫在眉睫，自从原子弹被研制成功并显示其巨大的威力后，立即 引起了科学界对开发这种新能源核能的巨大兴趣。 2 0 世纪后半叶，核能的开发利用在世界范围内出现热潮，各种类型的核电 站得到了异常迅速的发展。目前全世界所有核电站的原理，都是利用铀等大原子 量的重核裂变成轻核释放能量。此类核裂变电站具有极大的运行安全风险和原料 开采、处理、反应后废料储藏过程中的极大核污染风险。乌克兰切尔诺贝利核电 站、美国三里岛以及日本等都发生过极其严重的核事故灾难，核电站所依赖的核 裂变原料铀不仅开采处理的过程非常困难和危险，就其在地球上的储量来说，也 极其有限。因此，它远非是人们所希望的新能源。 另一种核能聚变能，它不同于目前的核电站利用的核能形式。核聚变能 是在当两个轻核聚合成一个较重的核时释放出巨大的能量。聚变和裂变却完全不 同。如果要使两个轻核发生聚合必须克服巨大的排斥静电势。为使两个氘核相遇， 它们间的相对速度必须大于每秒7 0 0 公里，在如此高速下的氘核早已成为温度在 5 千万摄氏度以上的物质的第四态等离子体。这也是我们把聚变称为热核反 上海大学硕士牛业论文 应的原因。 如果实现人工控制下氢元素的核聚变反应受控热核反应，那么在地球上 可以创造利用氢的同位素氘和氚实现核聚变的热核反应堆，这种装置所提供的能 源，不仅极少污染，而且廉价，资源无限，因此它是永久性解决人类能源问题的 唯一途径，单靠海水为原料进行核聚变反应，就能满足人类1 0 0 亿年用电需求【l j 。 所谓受控热核聚变反应就是在人工控制的条件下，将氢元素在高温等离子状 态下，约束足够长的时间聚合成较重的原子核的反应1 2 , 3 】。然而实现可以控制的 聚变能释放受控热核聚变，是近半个世纪来科学家殚精竭虑的研究课题。 t a l e y a r k h a n 等人的多次实验提出了声空化导致核聚变的可能性。他们的实 验引起国际上物理界的重视，声学、光学以及核物理科学家都先后举行各种形式 会议，发表观点讨论可能性，并进行相应的重复实验等。到目前为止，在这一领 域内的许多声学和核物理方面的理论问题正在探索之中，其重大的科学意义和潜 在的应用前景使得国内外许多科学家为此进行孜孜不倦的研究。 1 3国内外关于声空化效应导致核聚变研究现状 自从t a l e y a r k h a n 等人在s c i e n c e 杂志发表了关于声空化场下的核聚变论文以 来，国内外的声学界及核物理学界的科学家发表了相应的文章来表述自己的观 点。 1 3 1 t a l y a r k h a n 的声空化期间核出射实验 美国橡树岭国家实验室t a l e y a r k h a n 4 8 】等人利用声致发光效应进行了核聚变 反应。2 0 0 2 年他们【4 5 】利用1 4 m e v 快中子照射氘代丙酮液体，在外加超声场中 实现了声空化导致核聚变。中子发生器产生的1 4 m e v 快中子作为核化源，在氘 代丙酮中产生了直径约l o l o o n m 的气泡，在超声负压周期下使气泡膨胀到直径 约l m m ，在正压周期下将气泡压缩成高温、高密度“液体”泡，并在超声波场中 聚爆。他们用n e 一2 1 3 液体闪烁体中子探测器测到了氘一氘聚变反应所产生的 2 4 5 m e v 中子，因此认为引发了核聚变，并在s c i e n c e 杂志作了相关报道。2 0 0 4 年他们【6 l 改进了试验设备，提高中子探测器的探测效率，并采用多道定标器 ( m u l t i c h a n n e ls c a l i n g ，m c s ) 来记录实验发生事件的全过程，再次测到高于本 2 上海文学硕士毕业论文 底的2 4 5 m e v 中子。2 0 0 6 年，他们【7 ，8 】采用硝酸铀溶解于氘化丙酮和氘代苯等有 机溶液，利用玎叼裂变发出约4 m e v 能量的a 粒子作为核化源，在外加超声场 中，a 粒子使得有机溶液核化成泡，再次测得了2 5 m e v 的中子。在这一过程中， 采用a 粒子作为核化源，避免了1 4 m e v 快中子对于核测量的干扰，保证探测到 的2 5 m e v 的中子全部来自于有机溶液中的d d 核反应。 1 3 2 关于t a l a y a r k h a n 声空化导致核出射实验的质疑 t a l e y a r k h a n 等人在声空化场下的核聚变领域发表论文以来，世界上声学界 和核物理界的专家学者都发表言论阐述各自的观点，探讨声空化场下核聚变的可 能性以及对t a l e y a r k h a n 实验结果的质疑。 1 3 2 1 声空化泡内部极端高温高压状态的确定 超声波场中由核化源激发的气泡，随着声波的稀疏相位转至压缩相位时，微 米量级气泡会形成、长大、塌缩、聚爆，在气泡中形成高温高压的极端物理状态。 然而泡内温度压力究竟有多大? 是否大到足以引起核聚变? 从计算得知温度达 到1 0 8 k 1 0 9 k 才可以发生聚变反应。但对于声空化气泡来说，由于实验和理论计 算的不断改进，随着各种能量损失机制的引进，所计算的泡内温度越来越低，对引 发核聚变的现象也产生了置疑。日本的t o l b oo h t a 9 j2 】从分子动力学方面对声空 化核聚变反应的发生进行补充论证，计算出空化核的温度变化、表面张力等，采 用橡树岭实验室给出的液体密度等参数，泡内温度( 瓦) 计算值可达到1 0 9 k ， 如果热能的效率是1 0 的，核聚变还是可能发生的。我国的科学家应崇福【1 3 】和 安掣1 4 l 对于声空化气泡内部的温度和压强进行了系统的计算，得出的结论是气泡 内的压强和密度一般较高，但温度比早期设想的低许多，最高只是几万度或更低。 但他们认为泡内温度情况有可能人为地在一定程度上加以改变，使其提高到所需 温度。能否达到核聚变温度尚须进一步计算测量。 1 3 2 2 声空化导致核聚变的重复性实验 自从2 0 0 2 年t a l e y a r k h a n 等人在s c i e n c e 杂志发表论文一来，国际上另外的 一些实验室对该实验进行了重复实验。但到目前为止，除了t a l e y a r k h a n 研究组 3 上海大学硕士毕业论文 外，其它科学家都没有取得明显的中子增量。美国橡树岭国家实验室物理部的 s h a p i r a 【1 5 】等人按ta l e y a r k h a n 等人的实验装置和方法在2 0 0 2 年作了类似的实 验，但测到的中子数目比t e l e y a r k h a n 等人测到的中子数至少小三个数量级。 2 0 0 5 年t a l e y a r k h a n 研究组的y i b a nx u 和a d a mb u t t t l 6 】重复验证实验，但他们采 用p u b e c f - 2 5 2 的中子源作为核化源，测量在有或无超声场条件下出射2 4 5 m e v 中子的变化，结果表明中子统计性增量为5 1 1 s d ，此实验证明了在该过程中有 d d 聚变反应的发生。另外他们对实验过程中声空化气泡的生长过程进行了研 究，他们认为在声空化气泡团簇中只有球形对称的空化泡易发生核聚变。2 0 0 7 年c g c a m a r a 和s j p u t t e r m a n 1 7 】等人重复实验，但测的2 4 5 m e v 中子增量比 t a l e y a r k h a n 等人低4 个数量级，他们认为这可能是由于声致发光气泡聚爆温度 不够高，或许除气丙酮蒸汽压过高引起的缘故，但是也认为d d 核聚变反应的 机率随着声致发光气泡聚爆温度而成倍增加。他们表示，尽管目前没有取得令人 信服的结果，但声空化导致核聚变值得研究下去。美国科学家的争论双方都不否 认已测到中子的事实，而争论焦点是关于探测器的效率和有效中子发射率的测量 数据，这关系到t a l e y a r k h a n 等人的实验中究竟有没有测到高于本底的2 5 m e v 中 子，究竟有没有引发热核聚变的问题。 1 3 2 3 对于气泡核聚变的可静l 生争议 世界上的一些物理学家从声学、分子动力学、流体力学、核物理等理论上对 t a l e y a r k h a n 实验的过程进行论证。做e o 【1 8 j 等科学家研究了离子液体的空化气泡 生长机制，认为离子电荷在空化过程中起到重要的作用，声致作用产生的空化泡 离子更容易吸收热量。他们认为t a l e y a r k h a n 等人的实验中并没有详细阐述空化 泡开始阶段中，分子电离及等离子态初始能量吸收状况，因此在内爆阶段有没有 足够的能量引发热核聚变，这值得深入的研究下去。e m y s a i t o t l 9 】认为对空化泡 的化学变化研究是至关重要的，c 3 d 6 0 在空化初期分解成什么，对声致核聚变实 验的影响等需要进行深入研究。a f g a n t 2 0 l j a ) bt a l e y a r k h a n 等人在2 0 0 2 年发表的 论文论据并不充分，他认为空化气泡在聚爆中热量损失机制、气泡周围液体层热 传导等需要进行研究。b n a r a n j o p l l 和a n d r e i g l i p s o n 2 2 】对t a l e y a r k h a n 等人2 0 0 6 年的实验作了相应的评论，b n a r a n j o 认为t a l e y a r k h a n 实验室中由于存在2 5 2 c f 4 上海大学硕士毕业论文 酌影响，该实验数据并不能充分表明其测量的是d d 聚变放出的中子还是2 s 2 c f 裂变释放的中子。a n d r e i g l i p s o n 则认为t a l e y a r k h a n 等人没有考虑多道分析仪 的低道( 小于3 0 道) 计数可能是由于电子学噪声等引起的干扰，他认为 t a l e y a r k h a n 实验中测量的中子变化并不足以说明是核聚变发出的，需要更高探 测效率的中子探测器对该反应进行测量。 1 3 3 声空化导致核聚变在我国的研究现状 我国的声学、核物理学界对这一国际前沿的课题也非常重视。2 0 0 4 年4 月6 日至8 日主题为“声空化物理及核聚变和声化学等方面应用”学术讨论会在北京 香山召开。这次会议探讨声致发光和泡内温度及声致核聚变的可能性估计、声空 化在声学中的作用及为了达到实用需要解决关键问题等几个议题。上海应用物理 研究所，上海光机所，同济大学声学研究所，交通大学与上海激光等离子体研究 所的3 0 多位科学家在上海举办了为期一天的关于“气泡核聚变”的研讨会。这些 研讨会取得一些共识，为我国在该领域内的研究指明了发展方向。与会的科学家 认为1 2 3 2 7 1 ：t a l e y a r k h a n 等人的实验究竟能否产生核聚变? 这不是一个只靠思考就 能解决的问题。“气泡核聚变”的结论是否可信还有待物理界同行能否作出重复性 实验来确定。 声空化导致核聚变研究在我国还处于刚开始的探索阶段。2 0 0 5 年国家自然 科学基金委批准了重点项目，由中国科学声学研究所、南京大学声学所和同济大 学牵头，并由上海大学、上海应用物理研究所参与，研究声致发光气泡内离子化 温度及基于声空化条件下的核聚变。旨在探索声空化极端物理条件的核聚变反 应，验证t a l c y a r k h a n 等人实验条件下实现核聚变的可能性，对于声空化导致核 聚变这一国际前沿的理论问题上取得我们的初步认识与判断。 1 4 论文研究内容和创新点 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要对基于声空化 极端物理条件的核聚变反应进行初步探索。 研究内容： 1 建立声空化条件下中子测量方法和核测量装置。根据声学受控热核聚变反 5 上海史学硕士毕业论文 应实验中涉及的中子测量问题，建立和优化不同的核测量系统。其中包括对不同 闪烁体探测器的光输出响应，中子能谱刻度及分析。 2 研究2 4 5 m e v 中子的慢化问题，建立和优化中子慢化条件。采用基于m o n t e - - c a r l o 方法的s h i e l d 程序计算了2 4 5 m e v 中子通过慢化体的能谱分布，同时 经实验测量，优化和建立中子慢化系统。 3 建立声空化条件下核反应的实验装置，探索不同荷能粒子的核化作用对于 声空化效应的影响，以及声空化效应导致核聚变。 4 声空化效应导致核聚变的实验验证。在验证实验中，采用t a l e y a r k h a n 等 人的实验条件，即在超声场下，利用1 4 m e v 快中子或0 t 粒子进行核化，测量d d 反应的2 4 5 m e v 中子能谱并计算中子计数显著性统计增量。 5 探索声空化场下核聚变反应的技术路线，研究其实现声空化导致核聚变的 可能性。 本论文创新点： 使用s n d - - s 1 和s t - 4 5 1 液体闪烁体作为声空化导致核聚变的测量元件， 并进行光输出能量响应刻度。 提出超声引起的电磁信号对声空化导致核聚变中子能谱的测量无干扰：不同 荷能粒子的核化作用对于声空化效应有极大影响。 国内首次进行关于t a l e y a r k h a n 声空化效应导致核聚变的实验验证。实验表 明，并未测量到2 4 5 m e v 中子有显著性的增量。 探索声空化场下核聚变反应的技术路线，研究其实现声空化导致核聚变的可 能性。研究结果初步表明在超声场下有核发射的证据。 6 上海文学硕士毕业论文 第二章声空化以及受控核聚变的基本原理 2 1声空化现象 超声波进入液体，导致内部压力起伏，有些超过静态压力，也有些低于静态 压力，其中低于静态压力的，称为负压。在液体的负压区域，结构中的缺陷( 空 化核) 会逐渐成长，形成肉眼可见的微气泡，这就是声空化【2 8 捌。超声空化是指 液体中微小泡核在超声波作用下被激化，是溶液中的一种极其复杂的物理化学现 象。由于这类溶液中溶解有微量的气体或液体本身也可以汽化，在声场的膨胀相 位内聚焦成直径在n m 1 x m 的小气泡空化泡，在n s x s 的瞬间内坍缩，其表现 为泡核的形成、长大、坍缩、聚爆等一系列动力学过程。把这一由声波产生的光 辐射现象称为声致发光( s l ) 【3 0 3 1 1 。声致发光现象按照气泡的数目可分为单泡声致 发光( s b s l ) 和多泡声致发光( m b s l ) 。单泡声致发光是一种稳态的振荡发光， 多泡声致发光是大量的空化泡瞬态的破裂发光。常见的声空化强度不仅与驱动声 压强度有关，还与液体中存有的空化核数量有关。空化核的数量与驱动声压和液 体在去气水的单个空气泡由扩散平衡而达到化学平衡，在声压约1 2 1 6 大气压范 围内发生稳定的声致发光，当声压超过1 6 个大气压，只能观察到瞬态的声致发 光。核化气泡是在液体介质中由外加核粒子产生气泡核，在超声场下发生空化的 气泡。产生核化泡的核化源可以是激光或高能粒子( 如中子或带电粒子等) ，在 超声场中，核化源通过辅照入射至液体介质中产生核化称为外核化，带电粒子处 于液体介质中产生核化称为内核化。而对于t a l e y a r k h a n 等人描述的声空化导致核 聚变来说，对于高度除气的有机含氘( d ) 液体进行核反应时，采用1 4 m e v 或a 粒子进行核化，在外加声场的声压在1 5 b a r 时，由此产生初始半径为1 0 1 0 0 n m 的 气泡核化中心，这些气泡或气泡团簇在聚爆崩溃前在声场中增长至最大半径为 l m m ，由此可以产生极端的高温高压，在空化泡聚爆塌缩时，温度约2 x 1 0 8 k ，压 力约1 0 1 1 b a r ，密度约为1 0 7 9 c m 3 ，这样的高温高压条件下，有可能引发核聚变。 7 上海大学硕士毕业论文 2 2受控核聚变的基本理论问题 2 2 1 聚变反应燃料和生成物 受控热核聚变就是在人工控制的条件下，将一团轻元素在高温等离子体态下 约束足够长的时间聚合成较重的元素的原子核反应。考虑到元素的存贮量、提取 难易、反应速度等因素，人们感兴趣核聚变主要是d d 或d t 聚变反应。其反 应的主要方程式为： ；d + ；丁专：h ( 3 5 2 ) + ：n ( 1 4 1 ) + 1 7 5 9 m e v ；d + ；d 一；h ( o 8 2 ) + ：n ( 2 4 5 ) + 3 2 7 m e v ；d + ；d 一? 丁( 1 0 1 ) + ：p ( 3 0 2 ) + 4 0 3 m e v 在以上的反应方程式中，在相同的温度条件下，d t 的核反应几率最大，同时这 个反应又促进d d 间的反应。在聚变反应的可控研究中首选的核反应是d t 核 反应。从上述反应式中还不难看出，反应的主要产物是能量为1 4 1 m e v 能量的 中子。 2 2 2 核聚变条件 核聚变反应需要把靶核加热并控制在很高的温度( 例如：约几亿度) 使得靶 核中的氘、氚混合气体中的粒子做快速的无规则热运动，以足够高的动能克服粒 子之间的库仑势垒，并且发生频