Мюонны каталіз

Мюонны каталіз ядзерных рэакцый сінтэзу (англ.: muon catalyzed fusion, MCFusion, MCF) заключаецца ў наступным: адмоўна зараджаны мюон (нестабільная часціца з часам жыцця τ_μ = 2,2 · 10⁻⁶ с і масай m_μ = 206,769 m_e), трапляючы ў сумесь ізатопаў вадароду, утварае там мезаатамы pμ, dμ і tμ, якія, сутыкаючыся затым з малекуламі Н₂, D₂ і Т₂ (а таксама HD, НТ і DT), утвараюць мезамалекулы ppμ, pdμ, ptμ, ddμ, dtμ і ttμ (ці, дакладней, мезамалекулярныя іоны (ppμ)⁺, (pdμ)⁺ і т. д.).

Паколькі мюон прыкладна ў 207 разоў цяжэй электрона, то памеры мезамалекул у столькі ж разоў менш памераў малекулярных іонаў H+2, HD⁺ і т. д., у якіх ядры аддаленыя адно ад аднаго ў сярэднім на адлегласць у дзве атамныя адзінкі ~2a₀ = 2h²/m_ee² ~10⁻⁸ см. У мезамалекулах ядры аддаленыя на адлегласць прыкладна ў дзве мезаатамныя адзінкі ~2a_μ = 2h²/m_μe² ~5×10⁻¹¹ см. На такую адлегласць збліжаюцца ядры ізатопаў вадароду пры кінетычнай энергіі ~3 кэВ, што адпавядае ~30 мільёнам градусаў, што параўнальна з тэмпературай, дасягнутай у сучасных тэрмаядзерных устаноўках.

Пасля ўтварэння мезамалекул ddμ, dtμ і ttμ вельмі хутка, за час τ = 10⁻⁹ — 10⁻¹² с, адбываецца зліццё іх ядзер за кошт моцнага ўзаемадзеяння ў рэакцыях

${\displaystyle \mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {p} +\mathrm {T} +4{,}032\;\mathrm {MeV} }$

${\displaystyle \mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{3}\mathrm {He} +3{,}268\;\mathrm {MeV} }$

${\displaystyle \mathrm {D} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{4}\mathrm {He} +17{,}589\;\mathrm {MeV} }$

${\displaystyle \mathrm {T} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ 2\,\mathrm {n} +{}^{4}\mathrm {He} +11{,}332\;\mathrm {MeV} }$

У мезамалекулах pdμ і ptμ параўнальна малая скорасць (~ 10⁶ с⁻¹) рэакцый

${\displaystyle \mathrm {p} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ {}^{3}\mathrm {He} +\gamma +5{,}4\;\mathrm {MeV} }$

${\displaystyle \mathrm {p} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ {}^{4}\mathrm {He} +\gamma +19{,}814\;\mathrm {MeV} }$

вызначаецца электрамагнітным узаемадзеяннем.

Паколькі гэтыя рэакцыі ў мезамалекулах ідуць у прысутнасці мюона μ⁻, то для кожнай з іх магчымыя два зыходы, а менавіта, мюон можа ці вызваліцца, ці ўтварыць мезаатам гелію. Свабодны мюон можа ініцыяваць наступную рэакцыю сінтэзу, а мюон, захоплены ядром гелію (альфа-часціцай) — не. Такім чынам, лік рэакцый сінтэзу X_c, якія ініцыююцца адным мюонам, абмежаваны велічынёй каэфіцыента прыліпання мюона да гелію (~ 0,5 — 1 %). Эксперыментальна ўдалося атрымаць значэнні X_c ~ 100, гэта значыць адзін мюон здольны вызваліць энергію ~ 100 × 20 МэВ = 2 ГэВ. Але гэта велічыня ўсё ж меншая, чым энергетычныя затраты на вытворчасць самога мюона на паскаральніку (5-10 ГэВ для пучка дэйтронаў). Такім чынам, мюонны каталіз пакуль энергетычна нявыгадны працэс. Камерцыйна выгадная вытворчасць энергіі магчыма пры X_c ~ 104.

Таксама прапаноўвалася выкарыстанне мюоннага каталізу для ядзернага размнажэння шляхам атрымання вялікага патоку нейтронаў у кіруемай тэрмаядзернай рэакцыі і наступнай трансмутацыі U-238 у Pu-239^[1].

Зноскі

1. Карнаков Б.М. «Мюонный катализ ядерного синтеза».