Muonikus katalízis

A magfúziós reakciók müonkatalízise ( angolul müon katalizált fúzió , MCFusion , MCF ), vagy egyszerűen müonkatalízis , olyan folyamat, amely elősegíti az atommagok, például a hidrogénizotópok fúzióját, amely negatív töltésű müonok részvételével megy végbe . A fúziós reakció viszonylag alacsony hőmérsékleten megy végbe, ellentétben a klasszikus termonukleáris fúzióval. Termonukleáris fúzióban jelenleg nem használható, mivel a müonok beszerzésének magas energiaköltsége miatt veszteséges.

A folyamat lényege a következő: ott hidrogénizotópok keverékébe kerülve egy negatív töltésű müon ( egy instabil részecske élettartama τ μ = 2,2⋅10 −6 s, tömege m μ =206,769 m e ) keletkezik. mezoatomok - olyan atomok, amelyekben az elektront müon helyettesíti, - proton-müon (H-μ), deuteron-müon (D-μ) és triton-müon (T-μ) atomok, amelyek a H 2 molekulákkal ütközve , D 2 és T 2 (valamint a HD, HT és DT molekulákkal) HH -μ, HD-μ, HT-μ, DD-μ, DT-μ és TT-μ (vagy pontosabban: mezomolekuláris ionok (HH-μ) + , (HD -μ) + stb.).

Mivel a müon körülbelül 207-szer nehezebb, mint az elektron , a mezomolekulák mérete ugyanannyiszor kisebb, mint a H 2 + , HD + stb. molekulaionok mérete, amelyekben az atommagok egymástól elválasztottak. két atomi egység átlagos távolsága ~2 a 0 \u003d 2 h 2 / m e e 2 ≈ 10 -10 m . A mezomolekulákban a magok körülbelül két μa2~egységnyimezoatomi A hidrogénizotóp magjai ~3 k eV kinetikus energiával közelítik meg ugyanezt a távolságot , ami ~30 millió foknak felel meg, ami összemérhető a modern kísérleti, magas hőmérsékletű termonukleáris létesítményekben elért hőmérséklettel.

A DDμ, DTμ és TTμ mezomolekulák kialakulása után ezek magjai rendkívül gyorsan, 10 -9 ... 10 -12 s nagyságrendű τ idő alatt egyesülnek, a reakciók erős kölcsönhatása miatt :

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

\mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{3}\!\,\mathrm {Ő} +3{,}268\;\mathrm { MeV} ,

\mathrm {D} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{4}\!\,\mathrm {Ő} +17{,}589\;\mathrm { MeV} ,

\mathrm {T} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ 2\,\mathrm {n} +{}^{4}\!\,\mathrm {Ő} +11{,}332\;\mathrm { MeV} .

A HDµ és HTµ protonokat tartalmazó mezomolekulákban a magfúzió sebessége alacsony (a fúzióig eltelt élettartam ~106 s -1 ) a következő reakciókban:

\mathrm {p} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ {}^{3}\!\,\mathrm {Ő} +\gamma +5{,}4\;\mathrm {MeV},

\mathrm {p} +\mathrm {T} \ \rightarrow \ {}^{4}\!\,\mathrm {Ő} +\gamma +19{,}814\;\mathrm {MeV},

mivel azt a viszonylag gyenge elektromágneses kölcsönhatás határozza meg .

Mivel ezek a reakciók a mezomolekulákban a µ − müon jelenlétében mennek végbe , így mindegyikre három kimenetel lehetséges: a müon vagy felszabadul, vagy hélium -mezoatomot képez , vagy elbomlik. Egy szabad müon katalizálhatja a következő fúziós reakciót, de a héliummag (alfa részecske) által befogott müonok sem bomlanak le elektronokká és antineutrínókká, a müon élettartama körülbelül 2,2 μs.

Így az egy müon által elindított X c szintézis reakciók számát korlátozza a müon-hélium tapadási együttható [1] értéke (≈ 0,5…1%) és ezek bomlásai.

Kísérletileg sikerült elérni az X c ≈100 értékeket, vagyis egy müon 100 × 14 MeV = 1,4 GeV energiát képes felszabadítani. De ez az érték még mindig kevesebb, mint magának a müonnak a gyorsítónál történő előállításának energiaköltsége (5...10 GeV egy deuteronsugár esetében). Így a müonkatalízis továbbra is energetikailag kedvezőtlen folyamat. A müonkatalízis kereskedelmileg előnyös alkalmazása energiatermelésre 10 4 feletti X c -nél lehetséges .

Azt is javasolták, hogy müonkatalízist alkalmazzanak nukleáris tenyésztésre oly módon, hogy szabályozott termonukleáris reakcióban nagy neutronáramot kapnak, és neutronokat használnak az urán-238 későbbi transzmutációjához plutónium-239 - vé [2] .

Jegyzetek

↑ Jackson, JD Hidrogénizotópok közötti nukleáris reakciók katalízise μ − -Mesons által // Fizikai áttekintés : folyóirat . - 1957. - 1. évf. 106 , sz. 2 . — 330. o . - doi : 10.1103/PhysRev.106.330 . — .
↑ Muonkatalízis és nukleáris tenyésztés / Gershtein S. S., Petrov Yu. V., Ponomarev L. I. // Phys . - 1990. - T. 160. szám. 8 (augusztus). - P. 3-46. - doi : 10.3367/UFNr.0160.199008a.0003 .

Irodalom

Karnakov B. M., "A nukleáris fúzió müonkatalízise", a Soros oktatási folyóirat cikkei
Vaisenberg A. O. Mu-meson. — M .: Nauka, 1964. — 399 p.

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)