Muoninen katalyysi

Ydinfuusioreaktioiden myonikatalyysi ( eng. muon catalysed fuusio , MCFusion , MCF ) tai yksinkertaisesti myonikatalyysi on prosessi, joka helpottaa ytimien, esimerkiksi vetyisotooppien, fuusiota , joka tapahtuu negatiivisesti varautuneiden myonien osallistuessa . Fuusioreaktio tapahtuu suhteellisen alhaisessa lämpötilassa, toisin kuin klassinen lämpöydinfuusio. Tällä hetkellä sitä ei voida käyttää lämpöydinfuusiossa, koska se on kannattamatonta myonien hankinnan korkeiden energiakustannusten vuoksi.

Prosessin olemus on seuraava: sinne muodostuu negatiivisesti varautunut myoni (epästabiili hiukkanen, jonka elinikä on τ μ =2,2⋅10 −6 s ja massa m μ =206,769 m e ) , joutuessaan vetyisotooppien seokseen mesoatomit - atomit, joissa elektroni on korvattu myonilla, - atomit protoni-müoni (H-μ), deuteroni-müoni (D-μ) ja triton-muoni (T-μ), jotka törmäävät sitten molekyyleihin H 2 , D 2 ja T 2 (sekä HD-, HT- ja DT-molekyylien kanssa) muodostavat mesomolekyylejä HH-μ, HD-μ, HT-μ, DD-μ, DT-μ ja TT-μ (tai tarkemmin mesomolekulaariset ionit (HH-μ) + , (HD -μ) + jne.).

Koska myoni on noin 207 kertaa raskaampi kuin elektroni , mesomolekulien mitat ovat saman verran pienempiä kuin molekyyli-ionien H 2 + , HD + jne. mitat, joissa ytimet on erotettu toisistaan kahden atomiyksikön keskimääräinen etäisyys ~2 a 0 \u003d 2 h 2 / m e e 2 ≈ 10 −10 m . Mesomolekyyleissä ytimet poistetaan noin kahden mesoatomiyksikön etäisyydellä tapahtuukonvergenssiμa2~ lämpötiloissa . Vedyn isotooppiytimet lähestyvät samaa etäisyyttä ~3 k eV :n kineettisellä energialla , mikä vastaa ~30 miljoonaa astetta, mikä on verrattavissa nykyaikaisissa kokeellisissa korkean lämpötilan lämpöydinlaitoksissa saavutettuun lämpötilaan.

DDμ-, DTμ- ja TTμ-mesomolekyylien muodostumisen jälkeen niiden ytimet sulautuvat erittäin nopeasti, 10 -9 ... 10 -12 s luokkaa olevan ajan τ aikana, johtuen reaktioiden voimakkaasta vuorovaikutuksesta :

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

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

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

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

Mesomolekyyleissä, joissa on HDµ- ja HTµ-protoneja, ydinfuusionopeus on alhainen (elinikä fuusioon ~106 s -1 ) seuraavissa reaktioissa:

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

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

koska sen määrää suhteellisen heikko sähkömagneettinen vuorovaikutus .

Koska nämä reaktiot mesomolekyyleissä etenevät myonin µ − läsnäollessa , niin kullekin niistä on mahdollista kolme lopputulosta, nimittäin myoni voi joko vapautua tai muodostaa heliummesoatomin tai hajota. Vapaa myoni voi katalysoida seuraavaa fuusioreaktiota, mutta heliumytimen (alfahiukkasen) vangitsema myon ei myöskään voi hajota elektroneiksi ja antineutriinoiksi, myonin elinikä on noin 2,2 μs.

Siten yhden myonin käynnistämien X c -synteesireaktioiden määrää rajoittaa myonin ja heliumin tarttumiskertoimen [1] arvo (≈ 0,5…1 %) ja niiden hajoamiset.

Kokeellisesti oli mahdollista saada arvot X c ≈100, eli yksi myoni pystyy vapauttamaan energiaa 100 × 14 MeV = 1,4 GeV. Mutta tämä arvo on silti pienempi kuin energiakustannukset itse myonin tuotannosta kiihdyttimessä (5...10 GeV deuteronisäteelle). Siten myonikatalyysi on edelleen energeettisesti epäsuotuisa prosessi. Kaupallisesti edullinen myonikatalyysin käyttö energiantuotantoon on mahdollista X c :ssä yli 10 4 .

Lisäksi ehdotettiin myonikatalyysin käyttöä ydinvoiman kasvattamiseen saamalla suuri neutronivirta kontrolloidussa lämpöydinreaktiossa ja käyttämällä neutroneja uraani-238 :n muuntamiseen plutonium -239 :ksi [2] .

Muistiinpanot

↑ Jackson, JD Vetyisotooppien välisten ydinreaktioiden katalyysi μ − -Mesonien avulla // Physical Review : Journal . - 1957. - Voi. 106 , nro. 2 . - s. 330 . - doi : 10.1103/PhysRev.106.330 . - .
↑ Muonikatalyysi ja ydinkasvatus / Gershtein S. S., Petrov Yu. V., Ponomarev L. I. // Phys . - 1990. - T. 160, numero. 8 (elokuu). - s. 3-46. - doi : 10.3367/UFNr.0160.199008a.0003 .

Kirjallisuus

Karnakov B. M., "Ydinfuusion muonikatalyysi", Soros-koulutuslehden artikkelit
Vaisenberg A. O. Mu-meson. - M .: Nauka, 1964. - 399 s.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)