引入到相当冷、致密氘氩混合物中的μ子可以代替原子中的电子，形成μ子分子，这些μ子分子很容易参加核聚变反应。已经取得每个μ子催化引起 ~ 150个聚变的产额，重新唤起了μ子催化聚变作为一种可能能源的兴趣。

μ子催化聚变可以看作是负μ子在冷氢中引起的一系列反应，导致核聚变并释放出能量。例如，当一个负μ子进入氘和氚的混合物中，由于μ的质量是电子质量的207倍，它很快代替轻的电子，形成μ子原子。进一步形成μ子束缚的氘氚分子，较之由普通电子束缚的氘氚分子，μ子分子差不多小200倍。因此，μ子把氘氚原子核约束在非常小的体积内。虽然气体的其余部分可以接近室温，但是在μ子分子内部的条件类似于在白矮星内部所发现的条件。在这样条件下，就会发生核聚变。的确，在μ子束缚的氘氚分子中，在 ~ 10^-12秒发生氘氚聚变。

因此，没有用外磁场，也没有用激光，只是简单地把负μ子加入到氢气的混合物中，我们就可以取得局部的类似恒星的条件。每个μ子可以自发地引起若干聚变反应，因此，它可以作为核聚变的催化剂。

1968年在接受诺贝尔奖的讲演中，卢斯 · 阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）描述了1956年第一次观察到μ子停止在激态氢加氘中，发生这种迷人现象时所产生的激情：

“当我们想到我们已经解决了人类今后的全部燃料问题时，我们有一个短暂而令人兴奋的经验。一些匆促计算表明在液态氢氘中，一个负μ子在它衰变以前会催化足够多的聚变反应，供给的能量足以开动加速器产生更多的μ子，足以从海水提取并制备液态氢和氘，能量还有剩余。正当其他人在力图通过把氩等离子体加热到数百万度来解决这个问题时，我们代之以非常低的温度，明显地偶然找到了解决办法。”

然而，随着理论预言，一个μ子只能催化非常少数的聚变，激情很快冷却了，确实，在阿尔瓦雷斯等人用氢和氘所做的实验中，只是罕见地观察到一个μ子引起多于一个聚变反应。

在氘和氚的混合物中，情况显著不同，其原因尚不完全理解。过去几年我们已经证明，一个μ子可以催化完成很多次氘氚聚变。在美国洛斯阿拉莫斯介子物理工厂三十周年报告会上，报道在稠密氘氚混合物中每个μ子平均达到150个聚变。这些产额超出了理论预期，已经引起把μ子催化聚变作为能源的推测。

μ子催化聚变研究涉及很多学科，包括原子物理、分子物理、核物理、粒子物理、化学、加速器技术，可能还有聚变力能学。本评述文章打算使各个领域的科学家都易于理解，阐述对μ子催化聚变重新引起兴趣的最新发现。

μ子化氢 - 氘核聚变

在理论上进行讨论并在实验上观察到的第一类μ子催化聚变是质子 - 氘聚变。在μ子催化下，质子和氘聚合成氦 - 3，同时放出μ子和5.4兆电子伏能量。第一次观察到μ子引起聚变是令人大为惊奇的。阿尔瓦雷斯等人在液氢气泡室中观察到特征长度为1.7厘米的若干神秘的μ子经迹，这种射程正好与聚变释放的能量相对应。他们和苏联的一些科学家分别从他们自己的数据推论出μ子催化聚变现象。很快就认识到，μ子最初由质子所俘获，形成μ子氢原子，然后μ子很快转移到氘，形成μ子氘原子，它和质子一起形成μ子分子，由于μ子催化发生聚变反应，生成氦 - 3，同时放出μ子，这些μ子又可以重新循环催化聚变。但是在这种过程中，大约只有15% μ子可以重新循环，而有85% 被氦 - 3俘获，形成粘附损失；另外一个因素是在聚变发生前，μ子停留在分子中所花的时间太长，μ子催化引起聚变的平均时间是3微秒，而μ子的平均寿命才2.2微秒。这些因素限制了在包含 ~ 1% 氘的液氢中，μ子催化循环数目，平均来说每个μ子不到一次聚变。

在纯氘中μ子化聚变

阿尔瓦雷斯研究小组和其他一些人把μ子催化的研究扩展到纯氘的情形。实验上的结果与基于氢 - 氘混合物的研究相符合。μ子进入氘中，很快被氘捕获，形成μ子氘原子，但是共振μ子氘分子的形成非常缓慢（ ~ 10微秒），有88% μ子可以重新循环，有12% μ子被氦 - 3捕获，形成粘附损失，每个μ子平均聚变数目小于1。因此，似乎在氢同位素中μ子催化聚变反应是很好理解了，作为能源来说是毫无用处的。

然而，在苏联的持续研究重新唤起了μ子催化聚变的兴趣。在实验上表明μ子氘分子形成率很强地依赖于温度。事实上，在室温中μ子分子形成率是液氘温度下形成率的10倍。氘温度可以很强影响μ子氘分子形成率，这是完全出乎意料的。

后来精确的计算表明，存在μ子氘分子的一个激发态，结合能很小。分子形成率对温度的依赖关系可以用共振要求来解释。

以这个理论模型得出的一个惊人预言是：μ子氘氚分子的形成也应当是共振的，预期的最佳温度是540 K，共振μ子氘氚分子形成率比最快的μ子氘分子形成率快两个多数量级。此外，μ子被氘氚聚变合成的氦离子俘获预言为0.9%，远远小于质子 - 氘或氘 - 氘聚变的相应损失率。因此1977年有人说道：

“这就意味着，每个μ^-介子在氘和氚混合物中可以产生 ~ 10²个核聚变反应，释放出 ~ 20亿电子伏能量，这就相当于μ子静止质量的20倍。对所发现的现象的实际应用可能性我们暂不涉及……

[在氘加氚中］的反应尚未作实验上的研究。尽管包含着若干技术上的困难，我们希望不久就能实现这样一些实验。”

实验不久就上马了。正如我们就要看到的，一些结果是和预言一样令人惊奇。μ子催化聚变反应毕竟是一个没有结束的课题。

在氘氚混合物中的μ子催化

预言子氘氚分子能在 ~ 0.5%μ子寿命之内形成，这种形成率随着氘氚气体温度的增加而增加。1979年苏联一些人开始实验，证明了μ子氘氚分子至少可以和新的共振模型预言的那样快形成。然而，即使氘氚气体冷却到93 K和加热到613 K，也没有探测到μ子氘氚分子形成过程的温度依赖关系。由于翻修加速器，中断了实验研究。

打算彻底探索在氘氚混合物中μ子催化循环，我们这个小组于1982年在洛斯阿拉莫斯介子物理工厂开始一个实验、制造的容器能够在1000个大气压（后来达到3000个大气压）的压强下保持住氘氚气体。这就允许在很广阔的温度范围（13 ~ 800 K）维持在接近液氢密度。

早在1982年八月的一个早晨，我们把包含等量氘和氚的靶从室温冷却到100 K，聚变中子的数目随着气体的冷却明显下降。虽然定性上与共振模型预言符合，但结果都是令人惊异的，因为较早的苏联杜布纳实验中没有探测到温度的依赖关系。第二天当把氘氚气体混合物加热时，聚变产额增长更大。早就发表的共振模型温度依赖关系的预言终于得到证实。

然而，当10%氚和90%氘组成的靶时。实际上没有看到温度依赖关系，这个结果与杜布纳实验自洽，因为他们实验中，氘氚混合物中包含的氚≤8%。不久，实验上就证明了对于低氚份额的混合物，反应几乎与温度无关的原因。当含氚≥30%时，μ子氘氚分子形成率的温度依赖关系变得很明显。

我们小组在持续的实验中，现在所记录的几亿个μ子催化聚变事件，加上理论上不断努力，已给出了μ子氘氚分子共振形成的自洽图像。重要的特点是：

（1）正如所预料的，μ子氘氚分子形成率随着温度的增加而增加。

（2）形成率并不像预言那样在 ~ 540 K达到峰植。而是到迄今为止达到的最高温度800 K，形成率继续上升。现在有一些理论上的理由，预料形成率在1200 K附近达到最大值。在高温共振形成机构变得不适用，分子形成率必然急剧地下降。再者，μ子催化聚变不可能与等离子体联合使用；特别是，它不能用作热核武器。因此，对于这种过程“冷聚变”一词非常贴切。

（3）μ子氘氚分子形成率依赖于宿主分子是氘分子还是氘氚分子，在很大的密度和温度范围，前者更迅速。这种宿主依赖关系是由于两种化合物分子中适用的能级不同引起的，与共振模型符合。

（4）在宿主分子为氘氚分子时，μ子氘氚分子形成率随密度呈线性增加，当宿主分子为氘分子时，形成率随密度增加比线性更快。共振模型可以解释这种现象。

实验上证明了μ子氘氚分子的确极为快速形成，如果μ子不被合成的氦原子俘获，在其一生期间，一个μ子可以催化好几百个氘氚聚变。

在1985年以前，理论家预言，μ子会以ω₈≈0.9%的几率束缚在α粒子上。因此μ子可以催化引起氘氚聚变最大数目是1/ω₈≈110。即使μ子是稳定的，这个极限也适用。因此，μ－α粘附几率ω₈看作是μ子催化循环聚变产额的最终极限。

我们的实验结果完全出乎意料。μ－α粘附损失份额明显地依赖于氘氚混合物的密度。在高气体密度时，ω₈%的最值大约只有理论预言0.9%的三分之一。不论是ω₈比较小，还是它明显依赖于密度，其原因都尚不理解。作了很多猜测，但是两年来，这个难题一直未解决。

虽然尚不理解实验结果明显指出小的ω₈值，但是在氘氚混合物中每个μ子催化大于300个聚变是可能的。过去几年在洛斯阿拉莫斯介子物理工厂取得的每个μ子平均氘氚聚变数已经稳步增加：1982年为20，1983年为80，1984年为150。每一步都反映了对基本μ子催化聚变丰富物理学的日益加深理解。

除了苏联和美国的研究外，在瑞士原子核研究所也在进行μ子催化氘氚聚变实验。他们的工作集中在μ子原子和分子自旋态影响的超精细结构效应的迷人的可能性。

总之，在氘和氚混合物中μ子催化物理学出乎意料地丰富。当μ子停住在大体等量的液态氘氚混合物中，μ子很快被氘俘获，形成μ子氘原子，然后μ子很快转移到氚，形成μ子氚原子，然后共振形成μ子分子，这些过程在毫秒的量级就可以完成，很快发生氘氚聚变。与μ子寿命（2.2微秒）相比，反应时间是非常短的。此外μ子被氘氚聚变合成的α粒子捕获的几率非常小，粘附损失≤0.4%，99.6%以上的μ子重复循环，因此，μ子催化氘氚聚变循环可以容易地重复100多次。观察到的氦同位素捕获μ子，因此在μ子催化循环中是有毒的，尽量使氮和其他非氢杂质处于低水平。

能源的应用

我们小组在洛斯阿拉莫斯介子物理工厂所做的实验，已经取得每个μ子平均释放 ~ 30亿电子伏特的聚变能，预料有更大的产额。取得的聚变能产额比驱动聚变反应μ子的总能量大25倍。然而，μ子催化聚变作为一种能源还遭受到缺乏一种有效办法去产生μ子催化剂。利用先进技术产生一个负μ子似乎必须投资 ~ 50亿电子伏特的能量。

1980年，苏联科学家介绍了一个比较聪明的方法，这是基于μ子催化聚变与核裂变过程结合起来的动力反应堆，发现商用反应堆只要求每个μ子 ~ 100个聚变。其他人已经研究和丰富了聚变/裂变混合方案，得出结论，对于动力发电厂每个μ子100 ~ 300个聚变就足够了。洛斯阿拉莫斯介子物理工厂的实验证明这样一种产额的确是可能的。基于有效μ子产生的通常看法，纯聚变反应堆可能要求每个μ子1000个聚变。

对μ子催化聚变系统已经作了概念性设计。第一步利用有效的粒子加速器形成高能氚核来源，然后高能氚核束流进入一个或多个加压氘氚气体靶。在随后的核碰撞中产生大量负π介子，很快就衰变成μ子。磁镜有效地把荷电粒子限制在很小的体积内（ ~ 0.1米³）。μ子是在氘氚燃料本身内产生和停住，比起在传统加速器实验室所进行的形成中间π介子和μ子束，证明这种办法更加简单和更加有效，即使在氘氚气体中由于核俘获过程损失三分之一π介子。

于是正如我们已经讨论的，在氘氚燃料中μ子自发地并迅速地催化聚变反应，产生大能量的α粒子和中子。气体必须不断地循环，以便抽取出热量以及聚变反应的惰性产物氦。

高能中子进入到锂 - 铅低共熔熔化混合物中，把热沉积在这里，并和锂反应产生氚。 像钍这样一些可转变成裂变物质的同位素可以用作再生层，从μ子催化聚变中子大大地增加能量增益。

少数研究者已经研究了在μ子产生以后，仍然以高能质子和中子形式保留的相当部分能量回收办法。

这种设计有如功率放大器，给加速器输入功率，最后驱动μ子催化聚变反应堆。既没有等离子体要加热，也没有热量跑掉的危险。然而，显然要使这样一个方案成功，（1）必须达到每个μ子几百个聚变；（2）μ子必须很便宜地产生；（3）必须解决很多工程问题。现在研究集中在第一个问题，我们惊奇地发现每个μ子可以引起如此多的催化氘氚聚变，我们正在探索过程的极限。物理学的更好理解可能进一步提高冷聚变过程的各种办法。因此，研究工作可能导致严肃地考虑把μ子催化聚变作为能源。

结论

允许μ子氘氚分子在小于千分之一μ子寿命内形成的共振，的确是一个令人惊异的现象。当负μ子停住在“冷”的氘和氚气体混合物中已经观察到共振过程，并导致迅速地引起原子核聚变反应。这种效应在30年前液氢和氘的μ子反应研究中是很难预言的。过去几年这种共振的发现已经重新唤起了对μ子催化聚变的兴趣。

除此之外，还有另外一点令人惊奇的是，在氘氚聚变中形成的α粒子对的俘获远远没有预料那样严重。μ子催化研究现在集中在证实和理解这种发现。和这些现象一块意味着每个μ子可以催化数百个氘氚聚变反应，放出大量聚变能。毫不足奇，这些发现和加速器技术进步一起已经重新引起μ子催化聚变作为潜在能源的兴趣。我们可以说μ子催化聚变观念时代再次已经来到。

[Nature，1986年5月8日]