方舟反应炉核聚变能走进现实吗？

来源:中科院半导体所发布时间:2022-08-21167浏览

文章来源：中科院近代物理所原文作者：吴迁陈旭荣

喜欢科幻的读者可能对漫威电影里钢铁侠托尼·斯塔克胸前的方舟反应炉印象深刻。这个又小又酷的玩意儿，采用冷核聚变技术，使分子间距小到可以发生核聚变的程度，以产生不可思议的巨大能量。

图方舟反应炉

方舟反应炉的灵感，正是来自于现实中的核聚变研究。科学家们希望利用较轻的原子核聚合成较重的原子核，在这个过程中释放出巨大的能量，以期获得近乎无限的清洁能源，为人类提供能源的终极解决方案。
目前，受到广泛关注的可控核聚变研究路径是利用热核反应，如磁约束的托卡马克装置和惯性约束的核聚变炉。这类研究把等离子体或混合介质加热到足够高的温度（如一亿度），用以克服库仑势垒。然而，除了在极高温度条件下研究核聚变，可控核聚变是否还有别的技术路线？常温下的“方舟反应炉”核聚变能走进现实吗？其实，冷核反应（常温核聚变反应）的研究已有70多年的历史了，科学家们已经在常温条件下发现了缪子催化核聚变的现象。虽然距离应用还面临诸多挑战，核物理学家们认为，缪子催化核聚变也可能成为能源的终极解决方案之一。

为何青睐缪子？

缪子（Muon，又称μ子）由两位美籍物理学家C. D. Anderson和S. Neddermeyer于1936年发现。缪子的质量约为106 MeV，带一个单位正或负的电荷，自旋为1/2（费米子）。缪子是不稳定粒子，其半衰期为2.2微秒（一个缪子产生后，大约能存活0.000002 秒）。缪子的质量是电子质量的207倍，而且在不稳定粒子中，缪子的寿命仅比中子短，这些都是缪子非常重要的优势，也是物理学家们选择它作为核聚变的催化剂的重要原因。

图缪子图| 寇维核聚变反应发生的条件十分苛刻。只有当两个原子核靠得极近，大约在一飞米的距离内，其相互吸引的核力大于电磁排斥力，两个原子核才可能融合成一个更大的原子核，并释放出能量。然而，原子核带正电，两个原子核之间存在很强的电磁排斥力。如何克服这种排斥力使得两个原子核靠得很近呢？如果把电子换成缪子，就可以靠近200多倍！缪子可以像电子一样被质子俘获，形成缪子氢原子。因为缪子的质量是电子质量的200多倍，而轨道大小反比于电子或者缪子的质量，所以缪子氢原子的轨道比电子氢原子的轨道小200多倍！这样，另一个原子核更容易和缪子原子靠近，在常温下发生核聚变的概率就会大幅增加。

图缪子的轨道(右)比电子的轨道(左)小200多倍。图| 寇维

驱动核聚变的催化剂

二战后，来自世界各地的一些科学家开始探索一种新的技术，即缪子催化核聚变。1947年，英国物理学家弗雷德里克·查尔斯·弗兰克 (Frederick Charles Frank) 的理论工作为缪子催化核聚变的概念播下了第一颗种子。他在《自然》杂志上发表了一篇论文，预言缪子催化的事件会导致能量产生。几年后，两位苏联科学家Yakov Zel'dovich和Andrei Sakharov在研究氢弹的同时也考虑了同样的过程，认为输入的缪子可能导致氘氚混合物融合在一起。1956年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者阿尔瓦雷斯(Luis W. Alvarez）研究小组在伯克利的氢气泡室中开展实验，他们在分析使用缪子进行的一些实验的结果时，观察到了氢-氘的缪子催化放热现象。这是人类第一次在实验室里成功观测到1947年预言的缪子催化核聚变！1956年12月29日，《纽约时报》以《更简单的新方法产生的原子能》为标题对此进行了报道。

图 1956年12月29日《纽约时报》剪报，报道了实验中发现缪子催化的氢同位素聚变的消息。图源| 《纽约时报》随后，美国物理学家杰克逊(John David Jackson)立即投入研究，对粘附概率、氘氚缪(dtμ)分子的形成速率以及核聚变反应产生的能量等一系列关键问题进行了计算。

图约翰·大卫·杰克逊 (John David Jackson) (1925 - 2016)，美国艺术与科学院院士和美国国家科学院院士。他的教科书《经典电动力学》影响了美国几代物理研究生。图源| Fermilab目前，人们一般采用氢的同位素氘(d)和氚(t)核来作为缪子催化核聚变的反应材料。氢核仅由一个质子组成，氘核由一个质子和一个中子组成，氚核由一个质子和两个中子组成，该过程每次比氢-氘过程释放出更多的能量。

图氘和氚的核聚变过程。图源| https://www.llnl.gov/news/lab-researchers-gain-microscopic-understanding-nuclear-fusion缪子催化核聚变反应过程分为三步：首先，将一束缪子注入氘和氚的混合气体中，形成缪子氚原子。为何不形成缪子氘原子呢？这是因为氚的质量比氘大，对缪子的捕获力更强；第二步，由于缪子氚原子非常小，并且不带电荷，它们与氘原子碰撞而不受电磁排斥力的影响，比较容易形成氘氚缪(dtμ)分子；第三步，氘和氚核聚变发生后，dtμ分子中的缪子被释放出来，可用于产生新的dtμ分子。这样一连串的核聚变随之发生，如此循环，构成了缪子催化的反应链。这种反应被称为“缪子催化的核聚变”，因为缪子的作用就像驱动核聚变的催化剂。

图缪子催化核聚变循环图。图| 寇维

如何提高缪子催化次数？

虽然缪子催化核聚变的原理已经被研究得很清楚了，但要使其走向应用，需要满足的必要条件是——输出能量需远远超过输入能量。这使得物理学家们需要去解决一些关键问题，例如，如何提高缪子催化的次数？
缪子不像电子那样拥有无限长的寿命。在缪子有限的生命周期里，最多能进行多少次催化是一个重要的指标。研究表明，缪子大约有一百五十分之一的概率在催化后被粘在阿尔法粒子上，无法参与随后的核聚变反应。科学家们用阿尔法粘附(alpha sticking)概率来表示每次缪子参与催化被阿尔法粒子捕获的平均概率。阿尔法粘附的原因是氘氚聚变反应产生的两个粒子，一个为阿尔法粒子，带正电；另一个为中子，不带电，所以缪子有可能被阿尔法粒子俘获，却不会被中子俘获。俘获概率主要跟阿尔法粒子的速度相关，与其电荷和质量关系不大。这里，我们进行一个大致的估算：一个缪子在其一生中，大约可以催化150次聚变反应，每次释放出17.6 MeV的质量，总共可产生2.7 GeV的能量，即一个缪子可产生相当于自身静止质量的20倍的能量。不幸的是，目前加速器产生一个缪子大约需要5 GeV的能量。也就是说，缪子催化核聚变产生的能量，仅为其所消耗能量的一半左右。由此可以看出，若想提高缪子参与核聚变的次数，就需要降低阿尔法粘附概率值。杰克逊曾经指出：除非“阿尔法粘附问题”能够得到解决，否则缪子催化核聚变作为一种能源是不切实际的。阿尔法粘附这个关键问题，如何解决呢？最近，一项新的研究另辟蹊径：用锂材料作为催化反应材料。研究者发现，锂和氢的聚变反应生成的阿尔法粒子速度更快，不易俘获缪子，因此该聚变过程的阿尔法粘附概率较小。计算结果表明，锂和氢的核聚变阿尔法粘附概率值可降低大约5倍，输出能量比值达到90%左右。不过，这种催化反应是否具有可行性，还需要更深入的研究。我们知道锂的原子核带3个正电荷，而一个缪子只有一个负电荷，只能将一个正电荷屏蔽。为了实现锂的缪子催化核聚变，至少要有三个缪子同时结合到反应物分子中，这对于当前的技术水平来说，仍存在巨大的挑战！除了阿尔法粘附问题，影响聚变输出能量的因素还包括缪子产生的能量消耗、聚变材料的密度等等。

缪子源的建设与展望

研究缪子催化核聚变需要依托缪子源。世界上的缪子源有两种：宇宙射线和加速器。它们的本质是相同的，都是通过高能质子束轰击靶粒子获得π和K等介子，这些介子衰变后得到缪子。宇宙线缪子的密度低、能量高，为了产生高强度的缪子源，通常需要强流质子或者离子束打靶。
从上世纪六十年代开始，国际上开始相继建设一些缪子源。美国、苏联、日本和欧洲都曾经投入力量研究缪子催化核聚变。现在，日本是世界上最积极开展缪子催化核聚变研究的国家。上世纪九十年代，日本开始利用位于卢瑟福阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Lab, RAL）的 RIKEN-RAL缪子设施开展相关研究。2008年，日本J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)建造了新的缪子源。该设施由日本高能加速器研究机构和日本原子能机构共同建造。J-PARC是日本推进缪子催化核聚变技术实际应用研究的重要装置，其目标是将核聚变投入实际应用。

图日本J-PARC装置图源| K.Ishida

最近，日本科学家基于飞行缪子催化聚变(In-flight Muon Catalyzed Fusion，IFMCF)提出了一种创新的紧凑型反应堆概念，其目的是通过提高聚变材料的密度来提高缪子平均催化次数。在拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)中，由超音速流产生的马赫冲击波对氘氚混合靶进行空气动力学加压，形成高密度区域。缪子被注入到该区域，和氘氚形成dtμ分子，发生缪子催化的核聚变。

图 IFMCF反应装置图源| https://doi.org/10.1063/1.5135483

在我国，中国散裂中子源二期升级项目正在推进加速器缪子源的研制，以便开展缪子前沿科学与技术应用。同时，中科院近代物理所正在建设的大科学装置——惠州大型加速器集群也具有建设缪子源的条件。这些国之重器将推动基础研究和应用研究的科技进步，成为解决国家重大战略科技问题和关键瓶颈问题的主平台。

图正在建设的惠州大型加速器集群（设计效果图）图源| 近代物理所

此外，缪子源还可以在粒子物理、核物理和物质结构等领域为科研人员提供广阔的基础和应用研究平台。

图缪子物理和缪子能量的关系图图| 陈旭荣

结语

一场全球性的能源危机正在袭来。随着全球变暖，找到可以替代化石能源的未来能源迫在眉睫。为了在新一轮科技革命中争夺主导权,大国之间的能源科技竞争将变得更加激烈。
缪子催化核聚变被世界核物理学家们认为是可能实现的冷核聚变之一。依托我国已有或者未来规划建设的缪子源，组织力量开展缪子催化核聚变的理论和技术研究，将对我国的能源战略具有非常重大的意义。致谢：感谢中山大学唐健教授审阅本文并提出宝贵建议。

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编辑：木心

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