Мюонный катализ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Мюо́нный ката́лиз ядерных реакций синтеза, или просто мюонный катализ (muon catalyzed fusion, MCFusion, MCF), состоит в следующем: отрицательно заряженный мюон (нестабильная частица с временем жизни τ_μ=2,2×10⁻⁶ с и массой m_μ=206,769 m_e, 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/m_ee² ~ 10⁻⁸ см. В мезомолекулах ядра удалены на расстояние примерно в две мезоатомных единицы ~ 2a_μ = 2h²/m_μe² ~ 5×10⁻¹¹ см. На такое расстояние сближаются ядра изотопов водорода при кинетической энергии ~3 кэВ ~ 30 миллионов градусов, которая сравнима с температурой, достигнутой в современных термоядерных установках.

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

d + d ³He + 3,3 МэВ,

d + d t + p + 4,0 МэВ,

d + t ⁴He + n + 17,6 МэВ,

t + t ⁴He + 2n + 11,3 МэВ.

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

p + d ³He + γ + 5,4 МэВ,

p + t ⁴He + γ + 20 МэВ

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 гелием — нет. Таким образом, число реакций синтеза X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона к гелию. Экспериментально удалось получить значения X_c ~ 100, т. е. один мюон способен высвободить энергию ~ 100 × 20 МэВ = 2 ГэВ. Эта величина меньше, чем энергетические затраты на производство мюона (5-10 ГэВ). Т. о., мюонный катализ пока не может использоваться для получения энергии. Коммерчески выгодное производство энергии возможно при X_c ~ 10⁴.

Недавно, в 1999 году, Такахиро Мацумото в японском патенте № 3073741 сообщил, что при инжекции мюонов в пористый кремний, обогащённый дейтерием и тритием, коэффициент прилипания был уменьшен до 0,03%. Согласно патенту, один мюон способен инициировать более 1000 реакций синтеза при комнатной температуре и более 1500 реакций при температуре 500 K (227 градусов Цельсия).

[править] Литература

С.С. Герштейн, Ю.В. Петров, Л.И. Пономарев «Мюонный катализ и ядерный бридинг» Успехи физических наук, Том 160, вып.8, 1990