МЮО́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МЮО́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ, синтез (слияние) ядер изотопов водорода (протия $\ce{p}$, дейтерия $\ce{d}$ и трития $\ce{t}$), обусловленный их взаимодействием с отрицательно заряженными мюонами $μ^{–}$. Без мюонов скорость слияния изотопов водорода ($\ce{d+d→^{3}He+n,\, t+d→^4 He+n}$ и др.) при комнатной темп-ре очень мала, поскольку для таких реакций изотопы необходимо сблизить до расстояний ~10–11 см, что возможно только при нагревании до темп-ры в неск. миллионов градусов. В смеси изотопов водорода ($\ce{H_2,\, D_2,\, T_2}$) мюоны $μ^{–}$ образуют с их ядрами мюонные атомы ($\ce{pμ,\, dμ,\, tμ}$) и мюонные молекулы ($\ce{pμp,\, pμd,\, pμ t,\, dμ d,\, dμ t,\, tμt}$), в которых ядра сближены до расстояний ~5·10–11 см. Поэтому скорость ядерных реакций синтеза в них составляет 106–1012 с–1, что больше скорости распада мюона (5·105 с–1). Скорости образования мюонных молекул (~106–108 с–1) также превышают скорость распада $μ^{–}$, поэтому в смеси $\ce{H_2 +D_2}$ становится возможной последовательность реакций $$\ce{μ^{–}+H_2 +D_2 →pμ+dμ→pμd→^3He +γ+μ^{–},}$$ в которой $μ^{–}$ освобождается в конце цепочки и может принять участие ещё в нескольких циклах мюонного катализа.
Возможность М. к. впервые предположил англ. физик Ч. Франк в 1947 при анализе опытов, в которых был открыт $π$-мезон. В 1954 и 1957 Я. Б. Зельдович и А. Д. Сахаров выполнили первые расчёты этого процесса, а в 1957 Л. Альварес обнаружил его экспериментально. В 1966 В. П. Джелепов, наблюдая цикл М. к. в дейтерии ($\ce{μ^{–} + D_2→ dμ→ dμ d→ ^3He +n +μ^{–}}$), установил, что он зависит от темп-ры среды. Теоретич. анализ этого явления (С. С. Герштейн, Э. А. Весман) показал, что оно объясняется процессом резонансного образования мюонных молекул, в частности существованием слабосвязанного состояния мюонной молекулы $\ce{dμ d}$ с энергией связи ок. 2 эВ. В 1977 Герштейн и Л. И. Пономарёв теоретически предсказали, что в мюонной молекуле $\ce{dμ t}$ существует слабосвязанный уровень с энергией связи 0,64 эВ, благодаря которому скорость образования этих молекул возрастает до ∼108 с–1, т. е. почти в 200 раз превышает скорость распада $μ^{–}$. В 1978 это предсказание было подтверждено экспериментально.
Схема цикла М. к. в смеси дейтерия и трития $$\ce{μ^{–} +D_2 +T_2→dμ +tμ→dμt → ^4He +n +μ^{–}}$$ представлена на рис. В реакции синтеза часть мюонов «прилипает» к ядру гелия ($\ce{dμ t→μ^4He + n}$) и выбывает из дальнейших циклов М. к. (происходит «отравление» катализатора). Вероятность $w_s$ прилипания мюона к ядру гелия в М. к. в смеси дейтерия и трития составляет 10–2. Макс. число циклов, которое один $μ^{–}$ может осуществить в жидкой смеси $\ce{D_2 + T_2}$, равно 117. Этот результат позволил рассмотреть возможность практич. использования М. к. для производства энергии и нейтронов. В каждом цикле М. к. в смеси $\ce{D_2 + T_2}$ выделяется энергия 17,6 МэВ, из которых 14,1 МэВ уносит нейтрон. При использовании мюонно-каталитич. гибридного реактора можно увеличить энерговыделение путём дальнейшего размножения нейтронов в урановом бланкете при делении ядер урана $\ce{^{238}U}$ и образования ядер плутония $\ce{^{239}Pu}$. В этом случае каждый нейтрон синтеза суммарно освобождает ок. 1 ГэВ энергии, что примерно в 60 раз превышает энергию чистого синтеза (17,6 МэВ). Такая гибридная система может быть экономически выгодной в ядерной энергетике будущего.
Интенсивный нейтронный источник на основе М. к. может обеспечить монохроматич. поток нейтронов с энергией 14 МэВ ок. 1017 нейтрон/с с плотностью ∼1014 нейтрон/(см2·с). Явление М. к. открывает новые возможности для изучения ядерных реакций синтеза.