12月3日，IEEE Spectrum發(fā)表了一篇題為《Acceleron Banks on Muons for Colder Fusion》文章，介紹了Acceleron Fusion最近完成了2,400萬美元的融資，以開發(fā)關鍵反應堆組件的原型，并且在瑞士Paul Scherrer Institute的測試設施中實現(xiàn)了100小時的連續(xù)聚變。
μ子催化聚變是什么? μ子催化聚變最早可追溯到1950年代，自Luis Alvarez第一次在液氫氣泡室實驗中觀察到內(nèi)核聚變反應現(xiàn)象以來，研究人員就開始考慮借助μ子催化核聚變反應產(chǎn)生能源的可能性。由于μ子在其壽命周期(τ～2?2×10—6s)內(nèi)參與催化反應的次數(shù)始終有限，且遠遠達不到實現(xiàn)能量增益的地步，逐漸淡出討論焦點。μ子催化聚變基本原理是：通過將離子束從粒子加速器發(fā)射到通常由碳或金屬制成的靶材上來人工產(chǎn)生μ子，然后將所得的μ子加入氘、氚混合物中，由于μ子的質量是電子質量的207倍，它很快代替輕的電子，形成μ子原子，進一步形成 μ子束縛的氘氚分子，較之由普通電子束縛的氘氚分子，μ子分子差不多小200倍。因此，μ子把氘氚原子核約束在非常小的體積內(nèi)，直至它們發(fā)生聚變反應，釋放出大量的能量。關鍵的是，這種反應不需要特別高的溫度(按照Acceleron Fusion設想，維持聚變需要的溫度大約是1000攝氏度而不是1億攝氏度)。
此外，μ子半衰期只有2.2微秒，大約有1%的幾率它們會粘附在聚變反應產(chǎn)生的其他粒子上而不能持續(xù)反應。這意味著通常每個μ子只能參與大約100次聚變反應，這就導致產(chǎn)生的能量更少。
Acceleron Fusion究竟是何方神圣?
位于美國馬薩諸塞州劍橋市的Acceleron Fusion，是μ子催化聚變技術的先驅。Acceleron Fusion在獲得兩項ARPA-E資助后于2023年從NK Labs分拆出來，并與國內(nèi)外其他領先的研究人員和實驗室展開了密切合作，例如Paul Scherrer Institute、費米實驗室Fermilab、橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、阿貢國家實驗室(ANL)、羅切斯特大學等。
據(jù)了解，本次完成的2,400萬美元A輪融資，由Collaborative Fund、Lowercarbon Capital領投，其累計融資金額約3,000萬美元。
2024年10月，Acceleron Fusion實現(xiàn)了一個重要的技術里程碑，它在比以前測量的μ子催化聚變速率更高的壓力下運行其聚變機，并且已經(jīng)收集了其機器中100多個小時連續(xù)聚變的數(shù)據(jù)。
“磁約束和慣性約束需要數(shù)百萬甚至是超過1億攝氏度的溫度來加熱燃料，直到它變成等離子體。而等離子體需要極其強大的磁體或激光器來約束，這些磁體或激光器既復雜又耗電，因此使用Acceleron Fusion這種技術方法大大降低了技術復雜性，同時增強了工程上的靈活性。”Acceleron Fusion的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Ara Knaian這樣表示。
Acceleron Fusion技術創(chuàng)新在哪里?
為了提高μ子催化聚變效率，Acceleron Fusion在反應器上進行了創(chuàng)新：
一是嘗試削減產(chǎn)生μ子所需的能量。部分是通過利用加速器效率的提高。這一數(shù)字已經(jīng)從1980年代的20%左右躍升到今天的50%，美國能源部針對下一代加速器的目標是75%。Acceleron還在設計一種新型μ子源，期望以更少的能量產(chǎn)生粒子。公司的計算機模擬表明，在目標內(nèi)部誘導電場和磁場有助于更有效地收集和聚焦粒子。
二是研究人員還試圖通過將鉆石砝碼中的燃料壓縮到10,000到100,000 PSI (Pounds per square inch，磅/平方英寸，壓強單位)之間，以此來增加每個μ子的聚變反應次數(shù)，這比以前的實驗要高得多。在過去的四年里，該公司一直在Paul Scherrer Institute測試不同溫度、壓力以及氘和氚比例下的聚變產(chǎn)量。
行業(yè)專家怎么看?
來自麻省理工學院等離子體科學與聚變中心(MIT PSFC)的教授Dennis Whyte說：”μ子催化聚變面臨的最大挑戰(zhàn)是其反應速率。雖然在一些早期的μ子催化聚變實驗中，在某些溫度和壓力下有跡象表明可以實現(xiàn)顯著的提升，但這些提升遠沒有確定，在紙面上它仍然無法實現(xiàn)凈能量增益。”
Dennis Whyte另外還補充道：”達到盈虧平衡還只是第一步，實際上商業(yè)聚變發(fā)電廠需要產(chǎn)生的能量至少是投入能量的五倍。而對于μ子催化聚變來說，獲得如此顯著的能量增益將比磁約束等方法要困難得多。盡管如此，在聚變研究上投入的精力往往都不是徒勞的，它往往能推動你到達你的科學和技術能力的前沿。”
帝國理工學院(Imperial College London)的教授Spencer Kelly說：“用于產(chǎn)生μ子的粒子加速器非常耗能，因此每個μ子必須產(chǎn)生許多聚變反應才能使能量輸出達到平衡。洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LLNL)曾在1986年創(chuàng)下每個μ子實現(xiàn)150次的聚變反應的紀錄，但這還遠遠不夠，1990年代初期之后相關研究就停止了，因為反應次數(shù)想要提高面臨很大的挑戰(zhàn)。這是非常令人沮喪的，因為μ介子催化的聚變離可行性真的不遠了，只是我們和可行性之間的路徑并不明顯。”
