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缪子催化冷核聚变能走进现实吗?
2022-09-16 10:33:16   来源:中科院近代物理所   评论:0 点击:

本文来源于中科院近代物理所,作者是陈旭荣,原文名字为:方舟反应炉核聚变能走进现实吗?冷聚变根据全文主旨,将其改名为:缪子催化冷核聚变能走进现实吗?


缪子催化冷核聚变能走进现实吗?
 
 
  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。
 

  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 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 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。
 


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——



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。
 
 
  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。
 
 
参考文献:
 
W. P. S. Tan, Nature, 263 (1976), 656.
 
Petrov, Nature, 285 (1980), 466.
 
Qian Wu, Xurong Chen, arXiv: 2207.09753
 
詹文龙, 基于惠州核中心的缪子研究,《缪子束加速和对撞技术及其应用》论坛, 北京, 2022.
 
孙志宇等, 基于HIAF集群的高强度缪子、反质子次级束产生及其物理研究展望, 中国科学: 物理学力学天文学2020 年第50卷第11 期: 112010.
 
唐靖宇, 周路平, 洪杨, 缪子源及多学科研究和应用,《物理》2020年第10期.
 
陈羽, 杜浠尔, 罗光, 赵先和, 唐健, 缪子源及多学科研究和应用,《物理实验》2019年第39卷10期.
 
唐健, 李亮, 袁野, 缪子物理实验现状及发展前景, 中国科学: 物理学力学天文,2021.
 
Alvarez, L.W.; et al. (1957). "Catalysis of Nuclear Reactions by μ Mesons". Physical Review. 105 (3): 1127.
 
Atsuo Iiyoshi, Yasushi Kino, et al., Muon catalyzed fusion, present and future AIP Conference Proceedings 2179, 020010 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5135483.
 

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