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，如磁约束的托卡⻢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（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。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，⼤约在⼀⻜⽶的距离内，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、诺⻉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。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。
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。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。
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⻓的寿命。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。
最近，⽇本科学家基于⻜⾏缪⼦催化聚变(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，由超⾳速流产⽣的⻢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——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。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。