МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ

МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ

       

явление синтеза (слияния) ядер изотопов водорода при норм. условиях, происходящее при существ. участии мюонов. В отсутствие мюонов вероятность таких реакций, напр. дейтерия d+d ® 3Не+n; t+p или дейтерия и трития d+t®4He+n, требует высоких энергий сталкивающихся ч-ц (эквивалентных нагреванию в-ва на неск. десятков — сотни млн. град.). При торможении отрицательно заряж. мюонов в смеси изотопов водорода образуются мюонные атомы (см. МЕЗОАТОМ) рm, и dm,. Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они могут свободно проникать через электронные оболочки атомов и подходить на близкие расстояния к ядрам др. атомов. При этом происходят многообразные m-атомные и m-молекулярные явления, такие, как перехват мюонов ядрами более тяжёлых изотопов: рm+d ®dm+p, образование мюонных молекул: dm+p®pdm, и т. д. В мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояния =5•10-11 см, что в сотни раз меньше ср. расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде. Поэтому в мюонных молекулах вероятность слияния ядер, напр. по реакциям pdm ®3Не+m-, ddm®3He+n+m- и др., в миллионы раз больше, чем при столкновении m-атома с ядром по реакции dm+p®3He+m-. Освободившийся m- вновь может образовать мезоатом dm и повторить ещё раз всю цепочку реакций dm+p >pdm®3He+m- и т. д. В принципе число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона t==2.2•10-6 с. Однако в действительности почти всегда мюон в процессе реакции «прилипает» к образовавшемуся ядру гелия pdm ®m3Не+g и в дальнейшем не участвует в цикле последоват. реакций, приводящих к синтезу ядер. Эта реакция «отравления катализатора» не столь существенна при синтезе ядер дейтерия ddm®3He+n+m-, в к-рой только 12% мюонов прилипают к ядру 3Не по реакции ddm ®m3He+n.

На возможность каталитич. цепочки реакций указал Ф. Франк (США, 1947). В 1959 Я. Б. Зельдович выполнил первые расчёты этого процесса, а в 1957 амер. физик Л. Альварес наблюдал его экспериментально. К нач. 80-х гг. М. к. яд. реакций синтеза хорошо изучен как экспериментально, так и теоретически.

В 1977 в результате теоретич. расчётов было обнаружено существование у мезомолекулы dtm, слабосвязанного состояния с энергией =1 эВ. Благодаря наличию такого состояния мезомолекулы dtm, должны образовываться резонансным образом с большой скоростью (в конденсированной среде за время ?10-8 с). В 1979 этот вывод был подтверждён экспериментально в Лаборатории яд. проблем ОИЯИ (Дубна). Т. к, вероятность прилипания m- к 4Не. образовавшемуся в реакции dtm ®4Не+n+m-+17,6 МэВ, составляет =1%, то один m- в смеси дейтерия и трития может осуществить =100 актов катализа и освободить при этом =2 ГэВ энергии и =100 нейтронов. Изучаются возможности практич. использования этого явления для получения яд. энергии.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ

- явленно синтеза (слияния) ядер изотопов водорода, происходящее при существ. участии отрицательно заряж. мюонов. Мюоны, образуя с ядрами мезомолекулы, способствуют сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания ядерной реакции. Освобождаясь после акта реакции, m^- могут повторить этот процесс (т. е. они выступают в качестве катализатора).

В отсутствие мюонов реакции синтеза, напр. ядер дейтерия d + d ³He + n или ядер дейтерия и трития d + t ⁴He + n, происходят с заметной вероятностью лишь при высоких энергиях сталкивающихся частиц, 1 -10 кэВ, т. е. при темп-pax в десятки и сотни млн. градусов, поскольку ядрам нужно путём туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания, чтобы сблизиться до расстояний действия ядерных взаимодействий (r_N ~5 10^-13 см) (рис. 1).

Рис.1. Схематическое изображение потенциальной энергии V взаимодействия ядер в зависимости от расстояния r между ними: 1 - сильное притяжение на малых расстояниях ~ r_N; 2 - кулоновское отталкивание на больших расстояниях; 3 - взаимодействие ядер в мюонной молекуле, имеется область притяжения V(r)< 0 при r> r_m >> r_N.

При торможении отрицательно заряж. мюонов в плотной смеси изотопов водорода за время 10^-12 с образуются мюонные атомы pm, dmи tm. Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки атомов и подходят на близкие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные m-атомные и m-молеку-лярные процессы: перехват мюонов ядрами более тяжёлых изотопов pm + d dm+ p, dm + t tm + d; образование мюонных молекул dm+ p pdm. и т. д. Образование мюонных молекул является решающим условием протекания M. к. В принципе (благодаря экранировке кулоновского поля ядра мюонов в мезоатоме водорода и значит. уменьшению ширины кулоновского барьера) реакции синтеза могли бы протекать на лету, т. е. при столкновениях свободных мезоатомов с ядрами изотопов водорода (напр., dm+ p ³He+ m^-, dm + d ³He + n + m^- )· Однако в мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояние порядка удвоенного боровского радиуса мезоатома 2r_m ~ 5^.10^-11 см, что в сотни раз меньше ср. расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде (~10^-8 см). Поэтому частота столкновений ядер, приводящих к под-барьерному переходу и реакции синтеза в мюoнных молекулах, напр. pdm ³He + m^-, ddm³He + n + + m^-, В млн. раз больше, чем в реакциях на лету. Освободившийся m^- вновь может образовать мезоатом и повторить ещё раз всю цепочку реакций dm + ppdm ³He + m^- и т. д. В принципе число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона t₀= 2,2· 10^-6 с. Однако в действительности почти всегда m^- в процессе реакции "прилипает" к образовавшемуся ядру гелия pdm m³He + g и в дальнейшем выпадает из цикла последоват. реакций, приводящих к синтезу ядер. Эта реакция "отравления катализатора" по столь существенна при синтезе ядер дейтерия ddm ³He + n + m^-, в к-рой только 12% мюо-нов "прилипает" к ядру ³He по реакции ddmm³He + + n. Ещё меньше мюонов (~0,6%) "прилипает" к ядру ⁴He в реакции dtm.m⁴He + n.

На возможность реакции синтеза в мюонной молекуле pdm указал в 1947 Ф. Франк (F. Frank). B 1954 Я. Б. Зельдович выполнил первые расчёты этого процесса, включая механизм образования мюонных молекул, согласно к-рому m-атом водорода при столкновении с ядром атомарного водорода связывается в мюон-ную молекулу путём передачи энергии связи мезомо-лекулы атомному электрону (именно таков механизм образования мезомолекул ppm, pdm, ttm). Одновременно он указал на то, что наличие в мезомолекулах возбуждённых уровней с малой энергией связи может приводить к существ. увеличению вероятности их образования. В 1957 Л. Альварес (L. W. Alvarez) и др. впервые экспериментально обнаружили реакции M. к. pdm ³He + m^- и ddmT + p + m^-. K нач. 80-х гг. M. к. ядерных реакций синтеза в водороде и дейтерии был хорошо изучен как экспериментально, так и теоретически.

Мезоатомные и мезомолекулярные процессы, составляющие последовательность реакций M. к., отличаются большим разнообразием. Одно из таких явлений - резонансное образование мезомолекул ddm - наблюдалось впервые группой В. П. Джелепова в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна) в 1964-66. В 1967 Э. А. Весман предложил объяснение этому явлению, предположив у мезомолекулы ddmналичие слабосвязанного вращательно-колебат. состояния J = u= 1 (где J и u - вращат. и колебат. квантовые числа) с анергией -2 эВ (указание на возможность существования такого состояния было получено С. С. Герштейном в 1958). Это состояние действительно было обнаружено в 1973 в расчётах группы Л. И. Пономарёва в Дубне (в настоящее время энергия этого состояния известна с большой точностью: _l1 = = -1,975 эВ).

В 1977 в результате теоретич. расчётов та же группа обнаружила у мезомолекулы dtm слабосвязанное вращательно-колебат. состояние (J =u =1)с энергией ₁₁ = -0,657 эВ. Благодаря наличию такого состояния мезомолекулы dtm должны образовываться резонансным образом с большой скоростью (в конденсиров. среде за время ~10^-8 с). В 1979 этот вывод был подтверждён экспериментально группой В. П. Джелепова и В. Г. Зинова и др. Теоретич. представления о резонансном характере образования мезомолекул dtmнадёжно обоснованы в экспериментах группы С. Джонса (S. Johnes, Лос-Аламос, 1983), в к-рых измерена резонансная скорость Яда 5^.10⁸ с ^-1 образования dtm-молекул, а также её зависимость от темп-ры смеси.

В резонансном процессе мезоатом tm, приближаясь к одному из ядер молекулы D₂, объединяется с ним в мезомолекулу dtm, к-рая становится тяжёлым "ядром" мезомолекулярного комплекса [(dtm)dee] в возбуждённом колебательном (u)и вращательном (J) состоянии, а выделяющаяся при этом энергия связи мезомолекулы передаётся на колебания и вращение мезомолекулярного комплекса.

Группа Джонса наблюдала в жидкой смеси дейтерия и трития 160 b 20 циклов M. к., к-рые осуществляет один мюон по схеме, представленной на рис. 2 (где l_a ~ 10¹² с ^-1 - скорость образования dm- и tm-атомов, l_dt3^.10⁸ c^-1, l_dtm >= 4^.10⁸ c^-1, l_f 10¹² c^-1 - скорость ядерного синтеза в мезомолекуле, w_s = = 0,58^.10^-2 - вероятность "прилипания" m^- к гелию).

Число циклов катализа х _с приближённо равно:

где c_d и c_t - концентрации дейтерия и трития в смеси (c_d + c_t = 1), f - плотность смеси в единицах N₀ = 4,25^.10²² ядер/см ³, l₀ = 0,46^.10⁶ с ^-1 - скорость распада свободного мюона. T. о., в плотной смеси дейтерия и трития один m^- может осуществить до 170 циклов катализа и освободить при этом ~ 3 ГэВ энергии и ~170 нейтронов.

Вывод о высокой эффективности M. к. в дейтерий-тритиевой смеси позволил рассмотреть разл. возможности использования этого явления для производства ядерной энергии и нейтронов. Первую схему мюон-нокаталитич. гибридного реактора рассмотрел Ю. В. Петров в 1979. В этой схеме предлагается увеличивать энерговыделение в реакции dtm ⁴He + n + m^- + 17,6 МэВ путём дальнейшего размножения нейтронов с энергией 14,1 МэВ в урановом бланкете при делении ядер урана, n + ²³⁸U n + осколки, и образования ядер плутония, n + ²³⁸U ²³⁹Pu. Предварит. оценки показывают, что такая гибридная система может оказаться экономически эффективной в ядерной энергетике будущего. Интенсивные исследования M. к. продолжаются во многих лабораториях мира.

Лит.: Зельдович Я. В., Герштейн С. С., Ядерные реакции в холодном водороде, "УФН", 1960, т. 71, с. 581; Gеrstein S. S., Ponomarev L. I., Mesomolecular processes induced by m^- and p^-.mesons, в кн.: Muon physics, v. 3, ed. by V. W. Hughes, C. S. Wu, N. Y., 1975; Пономарев Л. И., Мюонный катализ ядерных реакций синтеза, "Природа", 1979, № 9; Петpов Ю. В., Гибридные ядерные реакторы и мюон-ный катализ, там же, 1982, №4; Вrассi L., Fiorenti-ni G., Mesic molecules and muon catalysed fusion, "Phys. Rcpts", 1982, v. 86, p. 169. Л. И. Пономарёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.