МЮО́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ

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.

Основной цикл мюонного катализа в смеси дейтерия и трития.

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.