Мюонный катализ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Мюо́нный ката́лиз ядерных реакций синтеза, или просто мюонный катализ (англ. muon catalyzed fusion, MCFusion, MCF), состоит в следующем: отрицательно заряженный мюон (нестабильная частица с временем жизни τμ=2,2·10−6 с и массой mμ=206,769 me), попадая в смесь изотопов водорода, образует там мезоатомы pμ, dμ и tμ, которые, сталкиваясь затем с молекулами Н2, D2 и Т2 (а также HD, НТ и DT), образуют мезомолекулы ppμ, pdμ, ptμ, ddμ, dtμ и ttμ (или, точнее, мезомолекулярные ионы (ppμ)+, (pdμ)+ и т. д.).

Поскольку мюон примерно в 200 раз тяжелее электрона, то размеры мезомолекул во столько же раз меньше размеров молекулярных ионов H2+, HD+ и т. д., в которых ядра удалены друг от друга в среднем на расстояние в две атомных единицы ~2a0 = 2h2/mee2 ~10−8 см. В мезомолекулах ядра удалены на расстояние примерно в две мезоатомных единицы ~2aμ = 2h2/mμe2 ~5·10−11 см. На такое расстояние сближаются ядра изотопов водорода при кинетической энергии ~3 кэВ, что соответствует ~30 миллионам градусов, которая сравнима с температурой, достигнутой в современных термоядерных установках.

После образования мезомолекул ddμ, dtμ и ttμ, чрезвычайно быстро, за время τ = 10−9 — 10−12 с, происходит слияние их ядер за счет сильного взаимодействия, в реакциях

 \mathrm{D} + \mathrm{D} \ \rightarrow \ \mathrm{p} + \mathrm{T} + 4{,}032 \; \mathrm{MeV}
 \mathrm{D} + \mathrm{D} \ \rightarrow \ \mathrm{n} + {}^3\!\,\mathrm{He} + 3{,}268 \; \mathrm{MeV},
 \mathrm{D} + \mathrm{T} \ \rightarrow \ \mathrm{n} + {}^4\!\,\mathrm{He} + 17{,}589 \; \mathrm{MeV}
 \mathrm{T} + \mathrm{T} \ \rightarrow \ 2 \,\mathrm{n} + {}^4\!\,\mathrm{He} + 11{,}332 \; \mathrm{MeV}

В мезомолекулах pdµ и ptµ сравнительно малая скорость (~106 с−1) реакций

 \mathrm{p} + \mathrm{D} \ \rightarrow \ {}^3\!\,\mathrm{He} + \gamma + 5{,}4 \; \mathrm{MeV}
 \mathrm{p} + \mathrm{T} \ \rightarrow \ {}^4\!\,\mathrm{He} + \gamma + 19{,}814 \; \mathrm{MeV}

определяется электромагнитным взаимодействием.

Поскольку эти реакции в мезомолекулах идут в присутствии мюона µ, то для каждой из них возможны два исхода, а именно, мюон может или освободиться, или же образовать мезоатом гелия. Свободный мюон может инициировать следующую реакцию синтеза, а мюон, захваченный ядром гелия (альфа-частицей) — нет. Таким образом, число реакций синтеза Xc, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона к гелию[1] (~ 0,5 - 1 %). Экспериментально удалось получить значения Xc ~100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × 20 МэВ = 2 ГэВ. Но эта величина все же меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона на ускорителе (5—10 ГэВ для пучка дейтронов). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии возможно при Xc ~ 104.

Также предлагалось использование мюонного катализа для ядерного бридинга, путем получения большого потока нейтронов в управляемой термоядерной реакции и последующей трансмутации U-238 в Pu-239.[2]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Jackson, J.D. (1957). «Catalysis of Nuclear Reactions between hydrogen isotopes by μ-Mesons». Physical Review 106 (2). DOI:10.1103/PhysRev.106.330. Bibcode1957PhRv..106..330J.
  2. Герштейн С С, Петров Ю В, Пономарев Л И "Мюонный катализ и ядерный бридинг" УФН 160 (8) 3–46 (1990); Muon catalysis and nuclear breeding // S S Gershteĭn et al 1990 Sov. Phys. Usp. 33 591 doi:10.1070/PU1990v033n08ABEH002619

Литература[править | править вики-текст]