喜歡科幻的讀者可能對漫威電影里鋼鐵俠托尼·斯塔克胸前的方舟反應爐印象深刻。這個又小又酷的玩意兒，采用冷核聚變技術，使分子間距小到可以發生核聚變的程度，以產生不可思議的巨大能量。
圖 方舟反應爐
方舟反應爐的靈感，正是來自于現實中的核聚變研究。科學家們希望利用較輕的原子核聚合成較重的原子核，在這個過程中釋放出巨大的能量，以期獲得近乎無限的清潔能源，為人類提供能源的終極解決方案。
目前，受到廣泛關注的可控核聚變研究路徑是利用熱核反應，如磁約束的托卡馬克裝置和慣性約束的核聚變爐。這類研究把等離子體或混合介質加熱到足夠高的溫度（如一億度），用以克服庫侖勢壘。
然而，除了在極高溫度條件下研究核聚變，可控核聚變是否還有別的技術路線？常溫下的“方舟反應爐”核聚變能走進現實嗎？
其實，冷核反應（常溫核聚變反應）的研究已有70多年的歷史了，科學家們已經在常溫條件下發現了繆子催化核聚變的現象。雖然距離應用還面臨諸多挑戰，核物理學家們 認為，繆子催化核聚變也可能成為能源的終極解決方案之一。
為何青睞繆子？
繆子（Muon，又稱μ子）由兩位美籍物理學家C. D. Anderson和S. Neddermeyer于1936年發現。繆子的質量約為106 MeV，帶一個單位正或負的電荷，自旋為1/2（費米子）。繆子是不穩定粒子，其半衰期為2.2微秒（一個繆子產生后，大約能存活0.000002 秒）。
繆子的質量是電子質量的207倍，而且在不穩定粒子中，繆子的壽命僅比中子短，這些都是繆子非常重要的優勢，也是物理學家們選擇它作為核聚變的催化劑的重要原因。
圖 繆子 圖| 寇維
核聚變反應發生的條件十分苛刻。只有當兩個原子核靠得極近，大約在一飛米的距離內，其相互吸引的核力大于電磁排斥力，兩個原子核才可能融合成一個更大的原子核，并釋放出能量。
然而，原子核帶正電，兩個原子核之間存在很強的電磁排斥力。如何克服這種排斥力使得兩個原子核靠得很近呢？
如果把電子換成繆子，就可以靠近200多倍！
繆子可以像電子一樣被質子俘獲，形成繆子氫原子。因為繆子的質量是電子質量的200多倍，而軌道大小反比于電子或者繆子的質量，所以繆子氫原子的軌道比電子氫原子的軌道小200多倍！這樣，另一個原子核更容易和繆子原子靠近，在常溫下發生核聚變的概率就會大幅增加。
圖 繆子的軌道(右)比電子的軌道(左)小200多倍。圖| 寇維
驅動核聚變的催化劑
二戰后，來自世界各地的一些科學家開始探索一種新的技術，即繆子催化核聚變。
1947年，英國物理學家弗雷德里克·查爾斯·弗蘭克 (Frederick Charles Frank) 的理論工作為繆子催化核聚變的概念播下了第一顆種子。他在《自然》雜志上發表了一篇論文，預言繆子催化的事件會導致能量產生。幾年后，兩位蘇聯科學家Yakov Zel'dovich和Andrei Sakharov在研究氫彈的同時也考慮了同樣的過程，認為輸入的繆子可能導致氘氚混合物融合在一起。
1956年，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者阿爾瓦雷斯(Luis W. Alvarez）研究小組在伯克利的氫氣泡室中開展實驗，他們在分析使用繆子進行的一些實驗的結果時，觀察到了氫-氘的繆子催化放熱現象。這是人類第一次在實驗室里成功觀測到1947年預言的繆子催化核聚變！1956年12月29日，《紐約時報》以《更簡單的新方法產生的原子能》為標題對此進行了報道。
圖 1956年12月29日《紐約時報》剪報，報道了實驗中發現繆子催化的氫同位素聚變的消息。圖源| 《紐約時報》
隨后，美國物理學家杰克遜(John David Jackson)立即投入研究，對粘附概率、氘氚繆(dtμ)分子的形成速率以及核聚變反應產生的能量等一系列關鍵問題進行了計算。
圖 約翰·大衛·杰克遜 (John David Jackson) (1925 - 2016)，美國藝術與科學院院士和美國國家科學院院士。他的教科書《經典電動力學》影響了美國幾代物理研究生。圖源| Fermilab
目前，人們一般采用氫的同位素氘(d)和氚(t)核來作為繆子催化核聚變的反應材料。氫核僅由一個質子組成，氘核由一個質子和一個中子組成，氚核由一個質子和兩個中子組成，該過程每次比氫-氘過程釋放出更多的能量。
圖 氘和氚的核聚變過程。圖源| https://www.llnl.gov/news/lab-researchers-gain-microscopic-understanding-nuclear-fusion
繆子催化核聚變反應過程分為三步：首先，將一束繆子注入氘和氚的混合氣體中，形成繆子氚原子。為何不形成繆子氘原子呢？這是因為氚的質量比氘大，對繆子的捕獲力更強；第二步，由于繆子氚原子非常小，并且不帶電荷，它們與氘原子碰撞而不受電磁排斥力的影響，比較容易形成氘氚繆(dtμ)分子；第三步，氘和氚核聚變發生后，dtμ分子中的繆子被釋放出來，可用于產生新的dtμ分子。這樣一連串的核聚變隨之發生，如此循環，構成了繆子催化的反應鏈。這種反應被稱為“繆子催化的核聚變”，因為繆子的作用就像驅動核聚變的催化劑。
圖 繆子催化核聚變循環圖。圖| 寇維
如何提高繆子催化次數？
雖然繆子催化核聚變的原理已經被研究得很清楚了，但要使其走向應用，需要滿足的必要條件是——輸出能量需遠遠超過輸入能量。這使得物理學家們需要去解決一些關鍵問題，例如，如何提高繆子催化的次數？
繆子不像電子那樣擁有無限長的壽命。在繆子有限的生命周期里，最多能進行多少次催化是一個重要的指標。
研究表明，繆子大約有一百五十分之一的概率在催化后被粘在阿爾法粒子上，無法參與隨后的核聚變反應。科學家們用阿爾法粘附(alpha sticking)概率來表示每次繆子參與催化被阿爾法粒子捕獲的平均概率。
阿爾法粘附的原因是氘氚聚變反應產生的兩個粒子，一個為阿爾法粒子，帶正電；另一個為中子，不帶電，所以繆子有可能被阿爾法粒子俘獲，卻不會被中子俘獲。俘獲概率主要跟阿爾法粒子的速度相關，與其電荷和質量關系不大。
這里，我們進行一個大致的估算：一個繆子在其一生中，大約可以催化150次聚變反應，每次釋放出17.6 MeV的質量，總共可產生2.7 GeV的能量，即一個繆子可產生相當于自身靜止質量的20倍的能量。不幸的是，目前加速器產生一個繆子大約需要5 GeV的能量。也就是說，繆子催化核聚變產生的能量，僅為其所消耗能量的一半左右。
由此可以看出，若想提高繆子參與核聚變的次數，就需要降低阿爾法粘附概率值。杰克遜曾經指出：除非“阿爾法粘附問題”能夠得到解決，否則繆子催化核聚變作為一種能源是不切實際的。
阿爾法粘附這個關鍵問題，如何解決呢？
最近，一項新的研究另辟蹊徑：用鋰材料作為催化反應材料。研究者發現，鋰和氫的聚變反應生成的阿爾法粒子速度更快，不易俘獲繆子，因此該聚變過程的阿爾法粘附概率較小。計算結果表明，鋰和氫的核聚變阿爾法粘附概率值可降低大約5倍，輸出能量比值達到90%左右。
不過，這種催化反應是否具有可行性，還需要更深入的研究。我們知道鋰的原子核帶3個正電荷，而一個繆子只有一個負電荷，只能將一個正電荷屏蔽。為了實現鋰的繆子催化核聚變，至少要有三個繆子同時結合到反應物分子中，這對于當前的技術水平來說，仍存在巨大的挑戰！
除了阿爾法粘附問題，影響聚變輸出能量的因素還包括繆子產生的能量消耗、聚變材料的密度等等。
繆子源的建設與展望
研究繆子催化核聚變需要依托繆子源。世界上的繆子源有兩種：宇宙射線和加速器。它們的本質是相同的，都是通過高能質子束轟擊靶粒子獲得π和K等介子，這些介子衰變后得到繆子。宇宙線繆子的密度低、能量高，為了產生高強度的繆子源，通常需要強流質子或者離子束打靶。
從上世紀六十年代開始，國際上開始相繼建設一些繆子源。美國、蘇聯、日本和歐洲都曾經投入力量研究繆子催化核聚變。
現在，日本是世界上最積極開展繆子催化核聚變研究的國家。上世紀九十年代，日本開始利用位于盧瑟福阿普爾頓實驗室（Rutherford Appleton Lab, RAL）的 RIKEN-RAL繆子設施開展相關研究。
2008年，日本J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)建造了新的繆子源。該設施由日本高能加速器研究機構和日本原子能機構共同建造。J-PARC是日本推進繆子催化核聚變技術實際應用研究的重要裝置，其目標是將核聚變投入實際應用。
圖 日本J-PARC裝置 圖源| K.Ishida
最近，日本科學家基于飛行繆子催化聚變(In-flight Muon Catalyzed Fusion，IFMCF)提出了一種創新的緊湊型反應堆概念，其目的是通過提高聚變材料的密度來提高繆子平均催化次數。在拉瓦爾噴嘴(Laval nozzle)中，由超音速流產生的馬赫沖擊波對氘氚混合靶進行空氣動力學加壓，形成高密度區域。繆子被注入到該區域，和氘氚形成dtμ分子，發生繆子催化的核聚變。
圖 IFMCF反應裝置 圖源| https://doi.org/10.1063/1.5135483
在我國，中國散裂中子源二期升級項目正在推進加速器繆子源的研制，以便開展繆子前沿科學與技術應用。同時，中科院近代物理所正在建設的大科學裝置—— 惠州大型加速器集群也具有建設繆子源的條件。這些國之重器將推動基礎研究和應用研究的科技進步，成為解決國家重大戰略科技問題和關鍵瓶頸問題的主平臺。
圖 正在建設的惠州大型加速器集群（設計效果圖）圖源| 近代物理所
此外，繆子源還可以在粒子物理、核物理和物質結構等領域為科研人員提供廣闊的基礎和應用研究平臺。
圖 繆子物理和繆子能量的關系圖 圖| 陳旭榮
結語
一場全球性的能源危機正在襲來。隨著全球變暖，找到可以替代化石能源的未來能源迫在眉睫。為了在新一輪科技革命中爭奪主導權,大國之間的能源科技競爭將變得更加激烈。
繆子催化核聚變被世界核物理學家們認為是可能實現的冷核聚變之一。依托我國已有或者未來規劃建設的繆子源，組織力量開展繆子催化核聚變的理論和技術研究，將對我國的能源戰略具有非常重大的意義。
致謝：感謝中山大學唐健教授審閱本文并提出寶貴建議。
作者| 吳遷 陳旭榮
編輯| 劉芳
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來源：中科院近代物理所
編輯：黃水機
