方舟反应炉是核聚变（常温下的“方舟反应炉”核聚变能走进现实吗）

喜欢科幻的读者可能会对漫威漫画电影中钢铁侠托尼斯塔克胸前的方舟反应堆印象深刻。这个小而酷的东西，利用冷核聚变技术，让分子之间的距离小到足以核聚变，从而产生不可思议的巨大能量。

方舟反应堆的灵感来源于现实中对核聚变的研究。科学家希望用更轻的原子核聚合成更重的原子核，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，为人类提供终极能源解决方案。

目前被广泛关注的受控核聚变的研究路径是利用热核反应，如磁约束托卡马克装置和惯性约束核聚变炉。这种研究将等离子体或混合介质加热到足够高的温度(如1亿度)，以克服库仑势垒。

但是，除了研究极高温度下的核聚变，可控核聚变还有其他技术路线吗？室温下的“方舟反应堆”核聚变能否成真？

事实上，冷核反应(室温下的核聚变反应)已经研究了70多年，科学家们已经发现了室温下子木催化的核聚变现象。尽管距离应用仍面临许多挑战，但核物理学家认为，子木催化核聚变也可能成为终极能源解决方案之一。

你为什么喜欢子木？

介子，也被称为介子，是由两位美国物理学家C. D .安德森和s .内德迈尔在1936年发现的。子的质量约为106 MeV，正电荷或负电荷的单位，自旋为1/2(费米子)。子木是一种不稳定的粒子，半衰期为2.2微秒(子木产生后，可以存活约0.00002秒)。

子的质量是电子的207倍，在不稳定粒子中子的寿命仅比中子短。这些都是介子非常重要的优点，也是物理学家选择它作为核聚变催化剂的重要原因。

图|口味

核聚变反应的条件非常苛刻。只有当两个原子核靠得很近，在一米左右的距离内，并且它们的相互引力大于电磁斥力时，两个原子核才能融合成一个更大的原子核并释放能量。

但是原子核是带正电荷的，两个原子核之间有很强的电磁斥力。如何克服这种排斥力，使两个原子核靠在一起？

如果你把电子换成子木，你可以接近200倍！

子木可以像电子一样被质子俘获，形成子木氢原子。因为子木的质量是电子的200多倍，轨道大小与电子或子木的质量成反比，所以子木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靠近子原子，在室温下发生核聚变的概率会大大增加。

子木(右)的轨道比电子(左)的轨道小200多倍。图|口味

催化剂驱动核聚变

第二次世界大战后，来自世界各地的一些科学家开始探索一种新技术，即子木催化核聚变。

1947年，英国物理学家Frederick Charles Frank的理论工作为子木催化核聚变的概念播下了第一颗种子。他在杂志《自然》上发表了一篇论文，预测子木催化的事件将导致能量产生。几年后，两名苏联科学家雅科夫采尔多维奇(Yakov Zel'dovich)和安德烈萨哈罗夫(Andrei Sakharov)在研究氢弹时考虑了同样的过程，认为进口的muse可以导致氘和氚混合物的聚变。

1956年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者路易斯阿尔瓦雷斯(Luis W. Alvarez)的研究小组在伯克利的氢气气泡室进行了一项实验。当他们分析子木进行的一些实验的结果时，他们观察到了氢和氘的子木催化放热现象。这是人类首次在实验室成功观测到1947年预言的子木催化核聚变！1956年12月29日，《纽约时报》以《更简单的新方法产生的原子能》为题报道了此事。

1956年12月29日0755至79000的剪报报道了在实验中发现了子木催化的氢同位素聚变。图| 《纽约时报》

随后，美国物理学家约翰大卫杰克逊立即投入研究，计算出一系列关键问题，如粘附几率、氘-氚-塞缪尔(dt)分子的形成速率以及核聚变反应产生的能量等。

目前，氢同位素氘(D)和氚(T)核一般用作子木催化核聚变的反应材料。氢只由一个质子组成，氘由一个质子和一个中子组成，氚由一个质子和两个中子组成。这个过程比氢-氘过程每次释放更多的能量。

氘和氚的核聚变过程。来源| 3359 www . llnl . gov/news/lab-研究人员-获得-微观-理解-核聚变

子催化核聚变的过程分为三步：首先将一个子注入氘氚混合气体中，形成子氚原子。为什么不形成子木氘原子？这是因为氚的质量大于氘的质量，对子木有更强的俘获能力。其次，由于子木的氚原子很小，不带电，与氘原子碰撞，不受电磁排斥的影响，所以很容易形成氘氚(dt)分子。第三步，氘氚聚变后，dt分子中的子被释放出来，可以用来产生新的dt分子。这样一系列的核聚变发生了，这个循环构成了子木催化的反应链。这种反应被称为“子木催化核聚变”，因为子木像催化剂一样驱动核聚变。

子木催化核聚变循环图。图|口味

如何增加子木催化的数量？

虽然子催化核聚变的原理已经研究得很清楚了，但其应用需要满足的必要条件是——的输出能量必须远远超过输入能量。这使得物理学家需要解决一些关键问题，例如，如何增加子木催化的数量？

子木不像电子一样有无限的寿命。在子木有限的生命周期中，最大催化次数是一个重要的指标。

有研究表明，子木在催化后有大约一百五十分之一的概率被粒子卡住，无法参与随后的核聚变反应。科学家用粘着概率来表示子木每次参与催化时被粒子俘获的平均概率。

粘着是由氘和氚聚变反应产生的两个粒子引起的，其中一个是带正电荷的粒子；另一个是中子，它不带电，所以子木有可能被阿尔法粒子捕获，但不会被中子捕获。俘获概率主要与粒子的速度有关，与它们的电荷和质量关系不大。

在此，我们粗略估算一下：一个缪斯在其一生中可以催化约150次聚变反应，每次释放17.6 MeV的质量，总共产生2.7 GeV的能量，即一个缪斯可以产生20倍于其静止质量的能量。不幸的是，目前加速器产生一个子大约需要5 GeV的能量。也就是说，子木催化核聚变产生的能量只有消耗能量的一半左右。

由此可以看出，如果我们要增加子木参与核聚变的数量，就需要降低粘附几率。杰克森曾经指出，除非“阿尔法附着问题”能够解决，否则使用子木催化核聚变作为能源是不切实际的。

如何解决阿尔法粘连这个关键问题？

最近，一项新的研究采取了不同的方法：使用锂作为催化材料。研究人员发现，锂和氢的聚变反应产生的粒子速度更快，更不容易捕获子木，因此这种聚变过程的粘附概率更小。计算结果表明，核聚变中锂和氢的附着几率可以降低5倍左右，输出能量的比值可以达到90%左右。

但这种催化反应是否可行，还需要进一步研究。我们知道锂的原子核有三个正电荷，而一个子木只有一个负电荷，只能屏蔽一个正电荷。要想实现锂的子催化核聚变，至少要有三个子同时结合到反应物分子中，这对目前的技术水平来说还是一个巨大的挑战！

除了粘附问题，影响聚变输出能量的因素还包括子木的能量消耗、聚变材料的密度等。

苗子园的建设与展望

子催化核聚变的研究依赖于子源。世界上有两种缪斯来源：宇宙射线和加速器。他们的本质是一样的。都是通过高能质子束轰击靶粒子得到、K等介子，这些介子衰变得到子。宇宙鼻口密度低，能量高。为了产生高强度的枪口，通常需要强流枪口或离子束来打靶。

自20世纪60年代以来，世界上建造了一些庙子园。美国、苏联、日本和欧洲都投入了子木催化核聚变的研究。

目前，日本是世界上开展子木催化核聚变研究最活跃的国家。20世纪90年代，日本开始在卢瑟福阿普尔顿实验室(RAL)使用理研-RAL缪斯开展相关研究。

2008年，PARC(日本质子加速器研究联合体)建造了一个新的Miu Zi Yuan。该设施由日本高能加速器研究所和日本原子能机构共同建设。J-PARC是日本推动子木催化核聚变技术实用化的重要装置，其目标是将核聚变投入实际应用。

图J-日本的PARC设备来源| K.Ishida

最近，日本科学家提出了一种基于飞行中子催化聚变(IFMCF)的创新紧凑型反应堆概念，旨在通过增加聚变材料的密度来增加子催化的平均数量。在拉瓦尔喷管中，超声速气流产生的马赫激波对氘氚混合靶进行气动加压，形成高密度区域。子注入这个区域，与氘和氚形成dt分子，发生子催化的核聚变。

图IFMCF反应堆来源| https://doi.org/10.1063/1.5135483

在中国，散裂中子源二期升级工程正在推进加速器子木源的研制，以开展子木的前沿科技应用。同时，中科院近代物理研究所在建的科学仪器——惠州大型加速器群也具备建设庙子园的条件。这些国家仪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性科技问题和关键瓶颈的主要平台。

此外，苗子源还可以为粒子物理、核物理、材料结构等领域的研究人员提供广阔的基础和应用研究平台。

图物理学与能源的关系|陈徐戎

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一场全球性的能源危机即将到来。随着全球变暖，迫切需要找到能够替代化石能源的未来能源。为了争夺新一轮科技革命的主导权，大国之间的能源科技竞争将更加激烈。

缪尔催化核聚变被全世界核物理学家认为是可能的冷核聚变之一。依托我国已规划和建设的子木源，组织开展子木催化核聚变的理论和技术研究，将对我国的能源战略具有重要意义。

编辑：李倩