Мюонный катализируемый синтез

Мюонный катализируемый синтез (сокращенно μCF или MCF ) — это процесс, позволяющий ядерный синтез осуществлять при температурах, значительно более низких, чем температуры, необходимые для термоядерного синтеза , даже при комнатной температуре или ниже. Это один из немногих известных способов катализа реакций ядерного синтеза.

Мюоны — нестабильные субатомные частицы , похожие на электроны , но в 207 раз более массивные. Если мюон заменяет один из электронов в молекуле водорода , ядра , следовательно, вытягиваются 186 раз ближе, чем в нормальной молекуле, поскольку уменьшенная масса в 186 раз превышает массу электрона. Когда ядра сближаются друг с другом, вероятность слияния увеличивается до такой степени, что значительное количество событий слияния может произойти при комнатной температуре.

Однако методы получения мюонов требуют гораздо больше энергии, чем можно получить в результате реакций синтеза. мюонов Среднее время жизни составляет 2,2 мкс , что намного дольше, чем у многих других субатомных частиц, но, тем не менее, слишком короткое, чтобы обеспечить их полезное хранение.

Чтобы создать полезный термоядерный синтез, катализируемый мюонами при комнатной температуре, реакторам понадобится дешевый и эффективный источник мюонов и/или способ катализировать для каждого отдельного мюона гораздо больше реакций синтеза.

История

Андрей Сахаров и ФК Франк предсказал явление мюонного катализируемого синтеза на теоретических основаниях еще до 1950 года. Яков Борисович Зельдович также писали о явлении мюонного синтеза в 1954 году. Луис В. Альварес и др. , при анализе результатов некоторых экспериментов с мюонами, падающими на водородную пузырьковую камеру в Беркли в 1956 году, наблюдал мюонный катализ экзотермических p–d, протонов и дейтронов, ядерный синтез , в результате которого образуется гелион , гамма-лучи и выброс энергии около 5,5 МэВ. Результаты экспериментов Альвареса, в частности, побудили Джона Дэвида Джексона опубликовать одно из первых комплексных теоретических исследований мюонного катализируемого синтеза в его новаторской статье 1957 года. В этой статье содержались первые серьезные предположения о выделении полезной энергии в результате мюонно-катализируемого синтеза. Джексон пришел к выводу, что он будет непрактичен в качестве источника энергии, если не будет решена «проблема альфа-прилипания» (см. Ниже), что потенциально приведет к энергетически более дешевому и более эффективному способу использования катализирующих мюонов.

Жизнеспособность как источник энергии

Потенциальные преимущества

Если d-t-ядерный синтез, катализируемый мюонами, будет реализован на практике, это будет гораздо более привлекательным способом производства энергии, чем обычные ядерные реакторы деления, поскольку d-t-ядерный синтез, катализируемый мюонами (как и большинство других типов ядерного синтеза ), производит далеко меньше вредных (и гораздо менее долгоживущих) радиоактивных отходов.

Большое количество нейтронов, образующихся в результате d-t-ядерного синтеза, катализируемого мюонами, можно использовать для получения делящегося топлива из воспроизводящего материала - например, торий воспроизводить уран -233. -232 может таким образом Образовавшееся делящееся топливо можно затем «сжечь» либо в обычном критическом ядерном реакторе деления , либо в нетрадиционном подкритическом реакторе деления , например, в реакторе, использующем ядерную трансмутацию для переработки ядерных отходов , или в реакторе, использующем усилитель энергии. концепция, разработанная Карло Руббиа и другими.

Еще одним преимуществом термоядерного синтеза, катализируемого мюонами, является то, что процесс термоядерного синтеза может начинаться с чистого газообразного дейтерия без трития. Реакторы плазменного синтеза, такие как ИТЭР или Вендельштейн X7, нуждаются в тритии для инициирования, а также нуждаются в тритиевой фабрике. Мюонный катализируемый синтез генерирует тритий во время работы и повышает эффективность работы до оптимальной точки, когда соотношение дейтерий:тритий достигает примерно 1:1. Мюонный катализируемый синтез может работать как тритиевая фабрика и поставлять тритий для исследований в области термоядерного синтеза и плазменного синтеза.

Проблемы практической эксплуатации

За исключением некоторых уточнений, мало что изменилось со времени оценки Джексоном в 1957 году возможности мюонного катализируемого синтеза, кроме предсказания Весмана 1967 года о сверхтонком резонансном образовании мюонов (d – μ – t). ⁺ молекулярный ион, что впоследствии было обнаружено экспериментально. Это помогло возобновить интерес ко всей области мюонно-катализируемого синтеза, который остается активной областью исследований во всем мире. Однако, как заметил Джексон в своей статье, термоядерный синтез, катализируемый мюонами, «маловероятно» обеспечит «производство полезной энергии… если только не будет энергетически более дешевого способа производства микрочастиц». ⁻ -мезоны можно найти».

Одна из практических проблем процесса синтеза, катализируемого мюонами, заключается в том, что мюоны нестабильны и распадаются за 2,2 мкс (в системе покоя ). Следовательно, должны быть какие-то дешевые способы производства мюонов, и мюоны должны катализировать как ядерного синтеза можно больше реакций , прежде чем распадутся.

Другая, и во многих отношениях более серьезная проблема — это проблема «залипания альфа», которая была признана Джексоном в его статье 1957 года. Проблема α-прилипания заключается в том, что вероятность того, что мюон «прилипнет» к альфа-частице, возникающей в результате ядерного синтеза дейтрона и тритона , составляет примерно 1%, тем самым полностью удаляя мюон из процесса мюонного катализа. Даже если бы мюоны были абсолютно стабильны, каждый мюон мог бы катализировать в среднем только около 100 dt-слияний, прежде чем прилипнуть к альфа-частице, что составляет лишь примерно одну пятую количества катализируемых мюонами dt-слияний, необходимых для безубыточности , где столько же тепловой энергии генерируется , сколько электрической энергии потребляется в первую очередь для производства мюонов. По приблизительной оценке Джексона,

Более поздние измерения, кажется, указывают на более обнадеживающие значения вероятности α-прилипания: вероятность α-прилипания составляет от 0,3% до 0,5%, что может означать около 200 (даже до 350) мюонных катализируемых d. –t слияний на мюон. Действительно, команда под руководством Стивена Э. Джонса достигла 150 d–t-слияний на мюон (в среднем) в Лос-Аламосском мезонном физическом центре . Результаты были многообещающими и почти достаточными для достижения теоретической безубыточности. К сожалению, этих измерений количества d-t-синтезов, катализируемых мюонами, на мюон все еще недостаточно для достижения промышленной безубыточности. Даже при безубыточности эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую составляет всего около 40% или около того, что еще больше ограничивает жизнеспособность. По последним оценкам, электрическая «стоимость энергии» на один мюон составляет около 6 ГэВ с ускорителями, которые (по совпадению) примерно на 40% эффективны при преобразовании электрической энергии из энергосистемы в ускорение дейтронов.

По состоянию на 2012 год ни один практический метод получения энергии с помощью этого средства не был опубликован, хотя некоторые открытия с использованием эффекта Холла многообещающие.

Альтернативная оценка безубыточности

По словам Гордона Пуша, физика из Аргоннской национальной лаборатории , в различных расчетах безубыточности мюонного синтеза не учитывается тепловая энергия, которую сам мюонный пучок отдает в мишени. Принимая во внимание этот фактор, мюонный катализируемый синтез уже может превысить точку безубыточности; однако рециркулируемая мощность обычно очень велика по сравнению с мощностью, отдаваемой в электрическую сеть (по оценкам, примерно в 3–5 раз больше). Несмотря на довольно высокую рециркуляционную мощность, общий КПД цикла сравним с обычными реакторами деления; однако потребность в электрической генерирующей мощности мощностью 4–6 МВт на каждый мегаватт, подаваемый в сеть, вероятно, представляет собой неприемлемо большие капитальные вложения. » Богдана Маглича « мигма Пуш предложил использовать концепцию самосталкивающегося пучка , чтобы значительно повысить эффективность производства мюонов за счет устранения потерь в мишени и использования ядер трития в качестве возбуждающего луча для оптимизации количества отрицательных мюонов.

В 2021 году Келли, Харт и Роуз разработал модель μCF, в которой было оптимизировано соотношение Q производимой тепловой энергии к кинетической энергии ускоренных дейтронов, используемых для создания отрицательных пионов (и, следовательно, отрицательных мюонов в результате распада пиона). В этой модели тепловая энергия прибывающих дейтронов, а также энергия частиц, образовавшихся в результате воздействия дейтронного луча на вольфрамовую мишень, была повторно захвачена в максимально возможной степени, как предположил Гордон Пуш в предыдущем абзаце. Кроме того, тепловая энергия, возникающая в результате размножения трития в литий-свинцовой оболочке, улавливалась, как предположили Яндель, Данос и Рафельски в 1988 году. Было обнаружено, что наилучшее значение Q составляет около 130% при условии, что 50% образующихся мюонов фактически используются для катализа термоядерного синтеза. Кроме того, предполагая, что эффективность ускорителя при преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию дейтронов составляет 18%, а эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую - 60%, они подсчитали, что в настоящее время количество электрической энергии, которое может быть произведено реактором μCF, составляет 18%. составит 14% потребляемой электроэнергии. Они предполагают, что для улучшения ситуации потребуется некоторая комбинация а) повышения эффективности ускорителя и б) увеличения количества реакций синтеза на один отрицательный мюон выше предполагаемого уровня в 150.

Процесс

Чтобы создать этот эффект, поток отрицательных мюонов, чаще всего создаваемых распадающимися пионами , направляется в блок, который может состоять из всех трех изотопов водорода (протия, дейтерия и/или трития), где блок обычно замораживается. , и блок может иметь температуру около 3 кельвинов (-270 градусов по Цельсию) или около того. Мюон может отбить электрон одного из изотопов водорода. Мюон, в 207 раз более массивный, чем электрон, эффективно экранирует и уменьшает электромагнитное отталкивание между двумя ядрами и сближает их в ковалентную связь, чем это может сделать электрон. Поскольку ядра расположены так близко, сильная ядерная сила способна сработать и связать оба ядра вместе. Они сливаются, выделяют каталитический мюон (большую часть времени), и часть первоначальной массы обоих ядер высвобождается в виде энергичных частиц, как и при любом другом типе ядерного синтеза . Высвобождение каталитического мюона имеет решающее значение для продолжения реакции. Большинство мюонов продолжают связываться с другими изотопами водорода и продолжают синтезировать ядра. Однако не все мюоны перерабатываются: некоторые из них связываются с другими обломками, испускаемыми после слияния ядер (например, альфа-частицы и гелионы ), выводящие мюоны из каталитического процесса. Это постепенно подавляет реакции, поскольку становится все меньше и меньше мюонов, с которыми ядра могут связываться. Количество реакций, проводимых в лаборатории, может достигать 150 d–t-слияний на мюон (в среднем).

Дейтерий-тритий (d-t или dt)

В наиболее представляющем интерес мюонно-катализируемом синтезе положительно заряженный дейтрон (d), положительно заряженный тритон (t) и мюон по существу образуют положительно заряженный мюонный молекулярный тяжелый ион водорода (d–μ–t). ⁺ . Мюон, масса покоя которого в 207 раз превышает массу покоя электрона, способен притянуть более массивные тритон и дейтрон в 207 раз ближе друг к другу в мюонном (d–μ–t) ⁺ молекулярный ион, чем может электрон в соответствующем электронном (d–e–t) ⁺ молекулярный ион. Среднее расстояние между тритоном и дейтроном в электронном молекулярном ионе составляет около одного ангстрема (100 пм ), поэтому среднее расстояние между тритоном и дейтроном в мюонном молекулярном ионе в 207 раз меньше этого. Из-за сильного ядерного взаимодействия всякий раз, когда тритон и дейтрон в мюонном молекулярном ионе оказываются еще ближе друг к другу во время своих периодических колебательных движений, очень сильно возрастает вероятность того, что положительно заряженный тритон и положительно заряженный дейтрон подвергнутся воздействию квантовое туннелирование через отталкивающий кулоновский барьер , который удерживает их друг от друга. Действительно, вероятность квантово-механического туннелирования примерно экспоненциально зависит от среднего расстояния между тритоном и дейтроном, что позволяет одному мюону катализировать d-t-ядерный синтез менее чем за полпикосекунды после образования мюонного молекулярного иона.

Время образования мюонного молекулярного иона является одним из «скоростно-лимитирующих этапов» мюонного катализируемого синтеза, которое легко может занимать до десяти тысяч и более пикосекунд в жидкой молекулярной смеси дейтерия и трития (D ₂ , DT, T ₂ ), например. Таким образом, каждый катализирующий мюон проводит большую часть своего эфемерного существования в 2,2 микросекунды. как измерено в его системе отсчета покоя , бродит вокруг в поисках подходящих дейтронов и тритонов, с которыми можно связать.

Другой способ взглянуть на катализируемый мюонами синтез — попытаться визуализировать орбиту основного состояния мюона вокруг дейтрона или тритона. Предположим, что мюон изначально попал на орбиту вокруг дейтрона, что имеет вероятность около 50%, если присутствует примерно равное количество дейтронов и тритонов, образуя электрически нейтральный мюонный атом дейтерия (d – μ). ⁰ который действует как «толстый тяжелый нейтрон» как из-за его относительно небольшого размера (опять же, в 207 раз меньше, чем электрически нейтральный электронный атом дейтерия (d – e) ⁰ ) и весьма эффективной «экранировке» мюоном положительного заряда протона в дейтроне. Даже в этом случае у мюона по-прежнему гораздо больше шансов перейти к любому тритону, который достаточно близок к мюонному дейтериям, чем к образованию мюонного молекулярного иона. Электронейтральный мюонный атом трития (t – μ) ⁰ Образовавшийся таким образом будет действовать как даже «более толстый и тяжелый нейтрон», но он, скорее всего, будет удерживать свой мюон, в конечном итоге образуя мюонный молекулярный ион, скорее всего, из-за резонансного образования сверхтонкого молекулярного состояния внутри всей молекулы дейтерия. Д ₂ (д=е ² =d), при этом мюонный молекулярный ион действует как «более толстое и тяжелое ядро» «более толстого и тяжелого» нейтрального «мюонного/электронного» молекулы дейтерия ([d–μ–t]=e ² =d), как предсказал Весман, эстонский аспирант, в 1967 году.

Как только образуется состояние мюонного молекулярного иона, экранирование мюоном положительных зарядов протона тритона и протона дейтрона друг от друга позволяет тритону и дейтрону туннелировать через кулоновский барьер за промежуток времени порядка наносекунды Мюон выживает в реакции ядерного синтеза, катализируемой d-t-мюоном, и остается доступным (обычно) для катализа дальнейших ядерных синтезов, катализируемых d-t-мюоном. Каждый экзотермический d – t- ядерный синтез выделяет около 17,6 МэВ энергии в виде «очень быстрого» нейтрона с кинетической энергией около 14,1 МэВ и альфа-частицы α ( ядра гелия -4) с кинетической энергией около 3,5 МэВ. МэВ. Дополнительные 4,8 МэВ можно получить, замедлив быстрые нейтроны в подходящем «одеяле», окружающем реакционную камеру, причем одеяло содержит литий -6, ядра которого, известные некоторым как «литионы», легко и экзотермически поглощают тепловые нейтроны . при этом литий-6 превращается в альфа-частицу и тритон.

Дейтерий-дейтерий и другие виды

Первый вид мюонно-катализируемого синтеза, наблюдаемый экспериментально, Л.В. Альварес и др. , был протий (H или ₁ H ¹ ) и дейтерий (D или ₁ H ² ) мюонный катализируемый синтез. По оценкам, скорость синтеза для p-d (или pd)-мюонного синтеза примерно в миллион раз медленнее, чем скорость синтеза для d-t-мюонного катализируемого синтеза .

Более практический интерес представляет то, что мюонный катализируемый дейтерий-дейтерий синтез часто наблюдался и широко изучался экспериментально, во многом потому, что дейтерий уже существует в относительном изобилии и, как и протий, дейтерий совсем не радиоактивен. (Тритий редко встречается в природе и радиоактивен с периодом полураспада около 12,5 лет. )

Скорость синтеза для d-d-мюонного катализируемого синтеза , по оценкам, составляет всего около 1% от скорости синтеза для d-t-мюонного катализируемого синтеза, но это все равно дает примерно один d-d-ядерный синтез каждые 10–100 пикосекунд или так. Однако энергия, выделяемая при каждой реакции синтеза, катализируемой d-d-мюонами, составляет лишь около 20% или около того от энергии, выделяемой при каждой реакции синтеза, катализируемой d-t-мюонами. Более того, катализирующий мюон имеет вероятность прилипнуть по крайней мере к одному из продуктов реакции синтеза, катализируемой d–d мюонами, о которых Джексон в своей статье 1957 года по оценкам, по крайней мере в 10 раз превышает соответствующую вероятность того, что катализирующий мюон прилипнет хотя бы к одному из продуктов реакции синтеза, катализируемой dt-мюоном, тем самым предотвращая катализ мюоном дальнейших ядерных синтезов. По сути, это означает, что каждый мюон, катализирующий реакции синтеза, катализируемые d-d-мюонами, в чистом дейтерии, способен катализировать только около одной десятой числа реакций синтеза, катализируемых d-t-мюонами, которые каждый мюон способен катализировать в смеси. равных количеств дейтерия и трития, и каждый d-d-синтез дает только около одной пятой выхода каждого d-t-синтеза, тем самым увеличивая вероятность полезного выделения энергии в результате d-d-мюонного синтеза как минимум в 50 раз. хуже, чем и без того туманные перспективы выделения полезной энергии в результате синтеза, катализируемого d–t-мюонами.

Потенциальные возможности «анейтронного» (или по существу анейтронного) ядерного синтеза , которые приводят к практически полному отсутствию нейтронов среди продуктов ядерного синтеза, почти наверняка не очень поддаются мюонному катализируемому синтезу. Одна из таких по существу анейтронных реакций ядерного синтеза включает в себя слияние дейтрона из дейтерия с гелионом ( He ⁺² ) из гелия-3 , который дает энергичную альфа-частицу и гораздо более энергичный протон , оба положительно заряженные (с несколькими нейтронами, возникающими в результате неизбежных ядерного синтеза побочных реакций d–d). Однако один мюон только с одним отрицательным электрическим зарядом не способен экранировать оба положительных заряда гелиона от одного положительного заряда дейтрона. Шансы на двух одновременное присутствие необходимых мюонов исключительно малы.

В культуре

Термин «холодный синтез» был придуман для обозначения термоядерного синтеза, катализируемого мюонами, в статье New York Times 1956 года о Луиса В. Альвареса . статье

В 1957 году Теодор Стерджен написал повесть « Капсула в барьере », в которой человечество имеет повсеместные реакторы холодного синтеза, работающие на мюонах. Реакция такова: «Когда водород один и водород два находятся в присутствии мю-мезонов, они сливаются в гелий три с выходом энергии в электронвольтах 5,4 раза в десять в пятой степени». В отличие от термоядерной бомбы, содержащейся в капсуле (которая используется для разрушения Барьера), они могут быть временно выведены из строя из-за «концентрированного неверия» в то, что мюонный синтез работает.

В третьем романе сэра Артура Кларка из серии «Космическая одиссея» «2061: Одиссея третья » мюонный катализируемый синтез — это технология, которая позволяет человечеству легко совершать межпланетные путешествия. Главный герой Хейвуд Флойд сравнивает Луиса Альвареса с лордом Резерфордом за недооценку будущего потенциала их открытий.

Внешние ссылки

• Резервное копирование веб-архива: статьи и презентации по этой теме
• Резервная копия веб-архива: диаграмма мюонного термоядерного синтеза