Мюонный катализ

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 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, 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 X_c, инициируемое одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона к гелию (~ 1%). Экспериментально удалось получить значения X_c ~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 (5-10 ГэВ). Таким ообразом мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное производство энергии возможно при X_c ~ 10⁴.

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).^{[источник не указан 1307 дней]}

Также возможно использование мюонного катализа для ядерного бридинга.

Литература

• Карнаков Б.М., «Мюонный катализ ядерного синтеза», Статьи соросовского образовательного журнала
• С.С. Герштейн, Ю.В. Петров, Л.И. Пономарев «Мюонный катализ и ядерный бридинг» Успехи физических наук, Том 160, вып.8, 1990