МЮО́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
МЮО́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ, синтез (слияние) ядер изотопов водорода (протия p, дейтерия d и трития t), обусловленный их взаимодействием с отрицательно заряженными мюонами μ–. Без мюонов скорость слияния изотопов водорода (d+d→3He+n,t+d→4He+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 (H2,D2,T2) мюоны μ– образуют с их ядрами мюонные атомы (pμ,dμ,tμ) и мюонные молекулы (pμp,pμd,pμt,dμd,dμt,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 H2+D2 становится возможной последовательность реакций μ–+H2+D2→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 (μ–+D2→dμ→dμd→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 dμd с энергией связи ок. 2 эВ. В 1977 Герштейн и Л. И. Пономарёв теоретически предсказали, что в мюонной молекуле dμt 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 μ–+D2+T2→dμ+tμ→dμt→He4+n+μ– представлена на рис. В реакции синтеза часть мюонов «прилипает» к ядру гелия (dμt→μ4He+n) и выбывает из дальнейших циклов М. к. (происходит «отравление» катализатора). Вероятность ws 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 D2+T2, равно 117. Этот результат позволил рассмотреть возможность практич. использования М. к. для производства энергии и нейтронов. В каждом цикле М. к. в смеси D2+T2 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 U238 и образования ядер плутония Pu239. 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.