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(yīng)爐印象深刻。這個又小又酷的玩意兒，采用冷核聚變技術(shù)，使分子間距小到可以發(fā)生核聚變的程度，以產(chǎn)生不可思議的巨大能量。
圖 方舟反應(yīng)爐
方舟反應(yīng)爐的靈感，正是來自于現(xiàn)實中的核聚變研究。科學(xué)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(guān)注的可控核聚變研究路徑是利用熱核反應(yīng)，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(zhì)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(shù)路線？常溫下的“方舟反應(yīng)爐”核聚變能走進(jìn)現(xiàn)實嗎？
其實，冷核反應(yīng)（常溫核聚變反應(yīng)）的研究已有70多年的歷史了，科學(xué)家們已經(jīng)在常溫條件下發(fā)現(xiàn)了繆子催化核聚變的現(xiàn)象。雖然距離應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)，核物理學(xué)家們 認(rèn)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(xué)家C. D. Anderson和S. Neddermeyer于1936年發(fā)現(xiàn)。繆子的質(zhì)量約為106 MeV，帶一個單位正或負(fù)的電荷，自旋為1/2（費米子）。繆子是不穩(wěn)定粒子，其半衰期為2.2微秒（一個繆子產(chǎn)生后，大約能存活0.000002 秒）。
繆子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的207倍，而且在不穩(wěn)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(yōu)勢，也是物理學(xué)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(yīng)發(fā)生的條件十分苛刻。只有當(dāng)兩個原子核靠得極近，大約在一飛米的距離內(nèi)，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(zhì)子俘獲，形成繆子氫原子。因為繆子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的200多倍，而軌道大小反比于電子或者繆子的質(zhì)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(fā)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(qū)動核聚變的催化劑
二戰(zhàn)后，來自世界各地的一些科學(xué)家開始探索一種新的技術(shù)，即繆子催化核聚變。
1947年，英國物理學(xué)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(fā)表了一篇論文，預(yù)言繆子催化的事件會導(dǎo)致能量產(chǎn)生。幾年后，兩位蘇聯(lián)科學(xué)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(rèn)為輸入的繆子可能導(dǎo)致氘氚混合物融合在一起。
1956年，美國物理學(xué)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(jìn)行的一些實驗的結(jié)果時，觀察到了氫-氘的繆子催化放熱現(xiàn)象。這是人類第一次在實驗室里成功觀測到1947年預(yù)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(chǎn)生的原子能》為標(biāo)題對此進(jìn)行了報道。
圖 1956年12月29日《紐約時報》剪報，報道了實驗中發(fā)現(xiàn)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(xué)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(yīng)產(chǎn)生的能量等一系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了計算。
圖 約翰·大衛(wèi)·杰克遜 (John David Jackson) (1925 - 2016)，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士和美國國家科學(xué)院院士。他的教科書《經(jīng)典電動力學(xué)》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(yīng)材料。氫核僅由一個質(zhì)子組成，氘核由一個質(zhì)子和一個中子組成，氚核由一個質(zhì)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(yīng)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(zhì)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(fā)生后，dtμ分子中的繆子被釋放出來，可用于產(chǎn)生新的dtμ分子。這樣一連串的核聚變隨之發(fā)生，如此循環(huán)，構(gòu)成了繆子催化的反應(yīng)鏈。這種反應(yīng)被稱為“繆子催化的核聚變”，因為繆子的作用就像驅(qū)動核聚變的催化劑。
圖 繆子催化核聚變循環(huán)圖。圖| 寇維
如何提高繆子催化次數(shù)？
雖然繆子催化核聚變的原理已經(jīng)被研究得很清楚了，但要使其走向應(yīng)用，需要滿足的必要條件是——輸出能量需遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過輸入能量。這使得物理學(xué)家們需要去解決一些關(guān)鍵問題，例如，如何提高繆子催化的次數(shù)？
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(jìn)行多少次催化是一個重要的指標(biāo)。
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(yīng)。科學(xué)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(yīng)產(chǎn)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(guān)，與其電荷和質(zhì)量關(guān)系不大。
這里，我們進(jìn)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(yīng)，每次釋放出17.6 MeV的質(zhì)量，總共可產(chǎn)生2.7 GeV的能量，即一個繆子可產(chǎn)生相當(dāng)于自身靜止質(zhì)量的20倍的能量。不幸的是，目前加速器產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，就需要降低阿爾法粘附概率值。杰克遜曾經(jīng)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(guān)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(yīng)材料。研究者發(fā)現(xiàn)，鋰和氫的聚變反應(yīng)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(jié)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(dá)到90%左右。
不過，這種催化反應(yīng)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(fù)電荷，只能將一個正電荷屏蔽。為了實現(xiàn)鋰的繆子催化核聚變，至少要有三個繆子同時結(jié)合到反應(yīng)物分子中，這對于當(dāng)前的技術(shù)水平來說，仍存在巨大的挑戰(zhàn)！
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(chǎn)生的能量消耗、聚變材料的密度等等。
繆子源的建設(shè)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(zhì)是相同的，都是通過高能質(zhì)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(chǎn)生高強度的繆子源，通常需要強流質(zhì)子或者離子束打靶。
從上世紀(jì)六十年代開始，國際上開始相繼建設(shè)一些繆子源。美國、蘇聯(lián)、日本和歐洲都曾經(jīng)投入力量研究繆子催化核聚變。
現(xiàn)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(jì)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(shè)施開展相關(guān)研究。
2008年，日本J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)建造了新的繆子源。該設(shè)施由日本高能加速器研究機構(gòu)和日本原子能機構(gòu)共同建造。J-PARC是日本推進(jìn)繆子催化核聚變技術(shù)實際應(yīng)用研究的重要裝置，其目標(biāo)是將核聚變投入實際應(yīng)用。
圖 日本J-PARC裝置 圖源| K.Ishida
最近，日本科學(xué)家基于飛行繆子催化聚變(In-flight Muon Catalyzed Fusion，IFMCF)提出了一種創(chuàng)新的緊湊型反應(yīng)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(shù)。在拉瓦爾噴嘴(Laval nozzle)中，由超音速流產(chǎn)生的馬赫沖擊波對氘氚混合靶進(jìn)行空氣動力學(xué)加壓，形成高密度區(qū)域。繆子被注入到該區(qū)域，和氘氚形成dtμ分子，發(fā)生繆子催化的核聚變。
圖 IFMCF反應(yīng)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(jìn)加速器繆子源的研制，以便開展繆子前沿科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用。同時，中科院近代物理所正在建設(shè)的大科學(xué)裝置—— 惠州大型加速器集群也具有建設(shè)繆子源的條件。這些國之重器將推動基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的科技進(jìn)步，成為解決國家重大戰(zhàn)略科技問題和關(guān)鍵瓶頸問題的主平臺。
圖 正在建設(shè)的惠州大型加速器集群（設(shè)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(zhì)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域為科研人員提供廣闊的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究平臺。
圖 繆子物理和繆子能量的關(guān)系圖 圖| 陳旭榮
結(jié)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(dǎo)權(quán),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(xué)家們認(rèn)為是可能實現(xiàn)的冷核聚變之一。依托我國已有或者未來規(guī)劃建設(shè)的繆子源，組織力量開展繆子催化核聚變的理論和技術(shù)研究，將對我國的能源戰(zhàn)略具有非常重大的意義。
致謝：感謝中山大學(xué)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
