μ介子催化聚变
μ介子催化聚变（缩写为μCF或MCF）是一种允许核聚变在明显低于热核聚变所需温度的温度下进行的过程，即使在室温或更低的温度下也是如此。它是为数不多的催化核聚变反应的已知方法之一。
μ介子是不稳定的亚原子粒子，与电子相似，但质量是电子的207倍。由于μ介子较重，它能够更深入地穿透原子的内部，接近原子核，这使得μ介子能够更有效地将原子核拉近，增加了原子核之间的相互吸引力和聚变的概率。
然而，获得μ介子的方法需要的能量远远超过由此产生的能量。μ介子的平均寿命为2.2μs，比许多其他亚原子粒子长得多，但仍然太短，无法有效的存储。
为了产生有用的室温μ介子催化聚变，反应堆需要一种廉价、高效的μ介子源或一种让每个μ介子催化更多聚变反应次数的方法。
发现历程
- 1950年代初，Andrei Sakharov 和 F.C. Frank 就从理论上预言了μ介子催化聚变的现象。
- 在1954年，Yakov Borisovich Zel'dovich 写了关于μ介子催化聚变现象的文章。
- 到了1956年，Luis W. Alvarez 及其团队在伯克利进行了一系列实验，通过分析μ介子与氢气泡室的相互作用，观察到了μ介子催化的放热性质子-氘核聚变反应。这一反应不仅产生了氦原子核和伽马射线，还释放了大约5.5 MeV的能量。
- 基于Alvarez团队的实验结果，激发了John David Jackson 在1957年发表了一篇开创性的论文，其中包含了对μ介子催化聚变现象的首次全面理论分析。Jackson在论文中首次严肃考虑了通过μ介子催化聚变实现有用能量释放的可能性。然而，他得出结论认为，除非能够解决“阿尔法粘附问题”（详见下文），否则这种方法作为能源供应在实际应用中是不切实际的。如果能够克服这一难题，将会开发出一种成本更低、效率更高的催化μ介子的方法。
作为能源供应的可行性
潜在优势
如果μ介子催化的氘氚（d-t）核聚变在实践中实现，它将是一种比传统核裂变反应堆更具吸引力的发电方式。这是因为，与核裂变相比，这种聚变技术（以及大多数其他类型的核聚变技术）能够大幅减少有害放射性废物的产生，并且这些废物的半衰期也相对较短。
μ介子催化的氘-氚核聚变过程中会产生大量中子，这些中子可以用来将某些特定元素转化为可裂变的燃料。例如，钍-232这种元素在吸收了这些中子之后，可以转变成铀-233，而铀-233是一种可以用于核裂变发电的燃料。这些新产生的可裂变燃料，可以用于传统的核裂变反应堆，也可以用于一些特殊设计的反应堆中，如那些用于处理核废料的反应堆，或者是基于Carlo Rubbia等人提出的能量放大器概念设计的反应堆。μ介子催化聚变技术还有一个显著优势：它的聚变过程可以从纯净的氘气开始，无需氚的参与。这与诸如ITER或Wendelstein X7等等离子体聚变反应堆不同，后者在启动时需要氚，并且因此需要额外建立一个氚生产工厂。在μ介子催化聚变的过程中，氚是在反应运行中产生的，当氘和氚的比例大约达到1:1时，反应的效率将达到最优。因此，μ介子催化聚变不仅可以作为氚的生产源，还能为材料科学和等离子体聚变研究领域提供必需的氚。
实际开发面临的问题
自1957年John David Jackson评估了μ介子催化聚变的可行性之后，除了Vesman在1967年预测（后来通过实验验证）μ介子（d–μ–t）+分子离子的超精细共振现象，这个领域的基本理解并没有太大变化。在当时，这一预测激发了科学家们对μ介子催化聚变的新兴趣，使其成为全球研究中一个持续活跃的领域。然而，正如Jackson在其论文中所指出的，如果无法找到一种成本更低的μ介子生产方法，μ介子催化聚变“不太可能”实现“实用的能源产出”。μ介子催化聚变过程中的一个实际问题是
介子不稳定，在2.2微秒内衰变。因此，需要找到一种便宜的方式来生产μ介子，并且必须在μ介子衰变前安排它们催化尽可能多的核聚变反应。另一个更严肃的问题是“阿尔法粘附”问题，Jackson 在1957年的论文中认识到了这一点。阿尔法粘附问题是指μ介子“粘附”到由氘-氚核聚变产生的阿尔法粒子上，发生的概率约为1%，使μ介完全从催化过程中被移除了。即使μ介子是完全稳定的，每个μ介子平均也只能引发大约100次氘氚聚变反应，这个数字仅达到Jackson估算的实现能量平衡所需的聚变次数的五分之一。换句话说，为了产生与制造μ介子时消耗的电能等量的热能，所需的μ介子催化的聚变次数是当前能够实现的五倍。最近一次的测量发现粘α概率约为0.3%至0.5%，这可能意味着每个μ介子多达200个（甚至高达350个）μ介子催化的氘氚融合。事实上，由史蒂文·琼斯（Steven E. Jones）领导的团队在洛斯阿拉莫斯介子物理设施（Los Alamos Meson Physics Facility）已经实现了每μ介子150次氘氚聚变（平均），几乎足以达到理论上的收支平衡。不幸的是，这些测量结果仍然不足以达到工业上的盈亏平衡。即使实现盈亏平衡，从热能到电能的转换效率也只有40%左右，这进一步限制了它的可行性。最近的研究估计显示，制造一个μ子所需的电能高达6 GeV，而用于加速氘核的设备在将电网电能转化为加速所需能量的过程中，效率大约只有40%。这意味着，尽管μ子催化聚变技术在实验室条件下显示出一定的潜力，但要实现商业化应用，我们还需要大幅提高能源转换的效率，降低成本。目前，从电网到加速器的能量转换过程还有很大的改进空间，这对于μ子催化聚变技术能否最终成为一种经济可行的能源解决方案至关重要。
新视角下的盈亏平衡点预测
阿贡国家实验室的物理学家Gordon Pusch提出，在计算μ介子催化聚变的能量收支时，通常忽略了μ介子束在目标材料中沉积的热能。如果将这部分能量计算在内，聚变的能量产出实际上已经超过了能量投入。然而，与向电网输送的电能相比，所需的再循环功率要大得多，大约是电网电能的3到5倍。尽管如此，整个能量循环的效率与传统核裂变反应堆相近。为了解决这个问题，Pusch建议采用Bogdan Maglich提出的“migma”自碰撞束技术，以提高μ介子产生的效率，并优化负μ介子的数量。
2021年，Kelly、Hart和Rose开发了一个关于μ介子催化聚变（μCF）的模型，旨在优化加速氘原子核时产生的热能与其动能的比率，即Q值。他们采纳了Pusch的观点，尽可能地回收了氘原子核撞击钨靶时释放的热能，以及由此产生的粒子的热能。此外，他们还考虑了通过锂铅包层培育氚时产生的热能回收。
他们假设有一半产生的μ介子真正参与到了聚变过程中，并发现在最佳情况下，Q值可以达到130%。他们还假设加速器将电能转化为氘原子核动能的效率为18%，热能转化为电能的效率为60%。基于这些假设，他们估算，目前一个μCF反应堆所产生的电能大约只能达到其消耗电能的14%。为了提高这一效率，他们建议：a) 提升加速器的转化效率；b) 增加每个负μ介子所能催化的聚变反应次数，超过目前假定的150次。
反应过程
在μ介子催化聚变过程中，首先通过π介子衰变产生一束负μ介子，然后将其引导至由三种氢同位素构成的冷冻块，该块的温度维持在大约3开尔文。由于μ介子的质量远大于电子，它们能够取代氢同位素中的电子，有效降低原子核之间的电磁排斥力，使原子核能够更紧密地结合，从而触发强核力将它们绑定在一起，实现聚变。聚变过程中，大多数情况下会释放出催化的μ介子，这些μ介子可以继续催化其他氢同位素的聚变。然而，并非所有μ介子都能被回收，部分会与聚变产生的α粒子和氦原子核等碎片结合，从而退出催化循环。随着μ介子数量的减少，聚变反应也会逐渐减少。实验室的实验表明，每个μ介子平均可以催化大约150次的氘氚聚变。
氘-氚（d-t或dt）
在备受关注的μ介子催化聚变研究中，我们涉及到带正电的氘核和氚核，以及μ介子。这三个粒子可以结合形成一个μ介子催化的重氢分子离子。μ介子的质量远大于电子，大约是电子的207倍，因此它能够显著拉近氘核和氚核之间的距离，使得这两个原子核更容易发生聚变。在电子分子离子中，氘核和氚核的平均距离大约是1埃（100pm=0.1nm），而在μ介子分子离子中，这个距离要小得多，因为μ介子的屏蔽效应使得原子核之间的电磁排斥大大减弱。
μ介子分子离子的形成是聚变过程中的一个关键步骤，这个过程可能需要很长时间，比如在液态氘和氚的混合物中，可能需要数万皮秒。每个μ介子在其短暂的2.2微秒的生命周期内，大部分时间都在寻找合适的氘核和氚核来与之结合。
我们还可以这样想象：如果一个μ介子最初围绕一个氘核运动，它有大约50%的机会这样做，会形成一个电中性的μ介子氘原子，这个原子因为μ介子的屏蔽作用，表现得像一个“胖且重的中子”。尽管如此，μ介子更有可能转移到接近的氚核上，而不是与氘核形成分子离子。这样，形成的电中性μ介子氚原子会表现得像一个“更胖、更重的中子”，并且最终很可能形成一个μ介子分子离子。
一旦形成μ介子催化的重氢分子离子，μ介子能够有效地屏蔽氘核和氚核的正电荷，使得这两个原子核能够在大约一纳秒的时间内穿透库仑势垒并发生聚变。在这一聚变过程中，μ介子能够存活下来，并继续催化更多的聚变反应。每次氘氚聚变都会释放出约17.6 MeV的能量，其中包括一个动能约为14.1 MeV的中子，以及一个动能约为3.5 MeV的α粒子（氦-4原子核）。此外，通过在反应室周围设置合适的“栅栏”，可以利用快中子的慢化过程额外获取4.8 MeV的能量，这个“栅栏”中含有锂-6，它可以热地吸收热中子，并转化为α粒子和氚。
参考链接：
- http://www.lenr.com.cn/index.phpm=content&c=index&a=show&catid=14&id=234
- https://en.wikipedia.org/wiki/Muon-catalyzed_fusion#cite_note3http://www.lenr.com.cn/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=14&id=702