方舟反应炉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。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。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。
缪子催化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。
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！
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。
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。
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。