Мұондық катализделген термоядролық синтез процесі

Кіріспе

Ядролық синтез процесі
Мюондық катализделген синтез (қысқаша μCF немесе MCF) – термоядролық синтез үшін қажетті температуралардан әлдеқайда төмен температурада, тіпті бөлме температурасында немесе одан да төмен температурада ядролық синтездің жүзеге асуына мүмкіндік беретін процесс. Бұл ядролық синтез реакцияларын катализдейтін сирек таралған әдістердің бірі. Мюон – электрондарға ұқсас, бірақ олардан 207 есе салмағы ауыр тұрақсыз субатомдық бөлшектер. Егер мюон сутегі молекуласындағы бір электронды алмастырса, ядролар оған сәйкес жақындасады.

Пайдалы бөлме температурасында мюондық катализделген синтезді іске асыру үшін реакторларға арзан, тиімді мюон көзі және/немесе әрбір жеке мюонның көптеген синтез реакцияларын катализдейтін тәсіл қажет болады.

Тарих

Андрей Сахаров пен Ф. К. Франк 1950 жылға дейін мюондық катализделген синтез құбылысын теориялық тұрғыдан болжаған. Яков Борисович Зельдович 1954 жылы мюондық катализделген синтез құбылысы туралы да жазды. Луис В. Альварес және басқалар: Дайындалған бөлінетін отынды, мысалы, дәстүрлі критикалық ядролық бөліну реакторында немесе дәстүрлі емес субкритикалық бөліну реакторында, ядролық қалдықтарды өңдеу үшін ядролық трансмутация қолданатын реакторда, не Карло Руббия және басқалар ұсынған энергия күшейткіш концепциясын пайдаланатын реакторда "жағуға" болады. Мюондық катализделген синтездің тағы бір артықшылығы – синтез процесі тритийсіз, таза дейтерий газымен басталуы мүмкін. ITER немесе Wendelstein X7 сияқты плазмалық синтез реакторларына тритийді іске қосу үшін тритий зауыты қажет. Мюондық катализделген синтез жұмыс істеу кезінде тритийді өндіреді және дейтерий:тритий қатынасы шамамен 1:1-ге жеткенде жұмыс тиімділігін оңтайлы деңгейге дейін арттырады. Мюондық катализделген синтез тритий зауыты ретінде жұмыс істей алады және материалдар мен плазмалық синтез зерттеулері үшін тритийді жеткізеді.

Нақты пайдаланудағы проблемалар

Кейбір жетілдірулерді қоспағанда, Джексонның 1957 жылғы мюондық катализделген синтездің мүмкіндігін бағалауынан бастап, Весманның 1967 жылғы, кейіннен тәжірибелік түрде расталған мюондық (d–μ–t)+ молекулалық ионының гиперфина резонанстық түзілуін болжауынан басқа, көп өзгеріс болған жоқ. Бұл мюондық катализделген синтез саласына жаңа қызығушылықты қайта оятуға көмектесті, және бүкіл әлемде белсенді зерттеулер жүргізілуде. Дегенмен, Джексон өз мақаласында атап өткендей, мюондық катализделген синтез "мюондарды өндірудің энергиялық тұрғыдан арзан жолы табылмаса, пайдалы қуат өндіруді қамтамасыз етуі екіталай". α-бөлшекке жабысу мәселесі – деутерон-тритон ядролық синтезі нәтижесінде мюонның альфа-бөлшекке шамамен 1% ықтималдықпен "жабысып" қалуы, бұл мюонды катализ процесінен толығымен шығарып тастайды. Мюондар толығымен тұрақты болған жағдайда да, әр мюон альфа-бөлшекке жабысудан бұрын орташа есеппен 100 д-т синтезін катализдей алады, бұл Джексонның бағалауынша, мюондарды өндіруге жұмсалатын электр энергиясымен тең жылу энергиясын алу үшін қажетті мюондық катализделген д-т синтезінің бес бөлігіне ғана жетеді. Шындығында, Стивен Э. Джонс басқарылған команда Лос-Аламос мезондық физика мекемесінде мюонға орташа есеппен 150 д-т қосылуға қол жеткізді. Нәтижелер перспективалы болды және теориялық тепе-теңдікке жақындауға жеткілікті көрінді. Алайда, мюонға шаққандағы катализделген д-т синтезінің санының өлшемдері әлі де өнеркәсіптік тепе-теңдікке жету үшін жеткіліксіз. Тіпті тепе-теңдікке жеткен жағдайда да, жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру тиімділігі шамамен 40% құрайды, бұл қолданылу мүмкіндігін одан әрі шектейді. Мюонға шаққандағы электр энергиясының "құны" соңғы бағалаулар бойынша шамамен 6 құрайды, ал үдеткіштер (сәйкестік бойынша) электр желісінен алынған электр энергиясын деутеронды үдетуге айналдыруда шамамен 40% тиімді. 2012 жылға дейін энергияны осы әдіспен өндірудің практикалық жолы жарияланбады, бірақ Холл эффектін пайдалануға қатысты кейбір жаңалықтар үміт береді.

Except for some refinements, little has changed since Jackson's 1957 assessment of the feasibility of muon catalyzed fusion other than Vesman's 1967 prediction of the hyperfine resonant formation of the muonic (d–μ–t)+ molecular ion which was subsequently experimentally observed. This helped spark renewed interest in the whole field of muon catalyzed fusion, which remains an active area of research worldwide. However, as Jackson observed in his paper, muon catalyzed fusion is "unlikely" to provide "useful power production unless an energetically cheaper way of producing μ− mesons can be found." The α sticking problem is the approximately 1% probability of the muon "sticking" to the alpha particle that results from deuteron triton nuclear fusion, thereby effectively removing the muon from the muon catalysis process altogether. Even if muons were absolutely stable, each muon could catalyze, on average, only about 100 d t fusions before sticking to an alpha particle, which is only about one fifth the number of muon catalyzed d–t fusions needed for break even, where as much thermal energy is generated as electrical energy is consumed to produce the muons in the first place, according to Jackson's rough estimate. Indeed, the team led by Steven E. Jones achieved 150 d–t fusions per muon (average) at the Los Alamos Meson Physics Facility. The results were promising and almost enough to reach theoretical break even. Unfortunately, these measurements for the number of muon catalyzed d–t fusions per muon are still not enough to reach industrial break even. Even with break even, the conversion efficiency from thermal energy to electrical energy is only about 40% or so, further limiting viability. The best recent estimates of the electrical "energy cost" per muon is about 6 with accelerators that are (coincidentally) about 40% efficient at transforming electrical energy from the power grid into acceleration of the deuterons. As of 2012, no practical method of producing energy through this means has been published, although some discoveries using the Hall effect show promise.

Теңдестірудің баламалы бағасы

Аргонн ұлттық зертханасының физигі Гордон Пуштің айтуынша, мюондық катализделген синтез бойынша жасалған түрлі есептер мюондық шоқтың нысанаға жеткізетін жылу энергиясын ескермейді. Осы факторды ескергенде, мюондық катализделген синтез тежелу нүктесінен асып түсуі мүмкін; алайда, қайта айналымға түсетін қуат көбінесе электр желісіне берілетін қуаттан әлдеқайда жоғары (шамамен 3–5 есе). Осы жоғары қайта айналым қуатына қарамастан, жалпы циклдық тиімділік дәстүрлі ядролық бөліну реакторларымен салыстыруға болады; алайда, желіге бір мегаватт қуат беру үшін 4–6 МВт электр қуатын өндіру қажеттілігі, қабылдауға келмейтіндей үлкен капиталдық инвестицияны білдіреді. Пуш Богдан Маглихтің «мигма» өзін-өзі соқтығыстыратын шоқ тұжырымын қолдануды ұсынды, бұл нысанадағы жоғалтуларды жою арқылы мюон өндірісінің тиімділігін едәуір арттырады, ал тритий ядроларын басқарушы шоқ ретінде пайдалану арқылы теріс мюондардың санын оңтайландыруға болады. 2021 жылы Келли, Харт және Роуз μCF моделін жасады, онда термиялық энергияның Q қатынасы, теріс пиондар (содан кейін теріс мюондар пион ыдырауы арқылы пайда болады) жасау үшін қолданылатын үдетілген деутеронның кинетикалық энергиясына қатысты оңтайландырылды. Бұл модельде, Гордон Пуш бұрынғы абзацта ұсынғандай, деутерон шоғының вольфрам нысанасына соқтығысуынан пайда болған бөлшектердің, сондай-ақ кіріс деутеронның жылу энергиясы мүмкіндігінше қайта қалпына келтірілді. Сонымен қатар, 1988 жылы Яндел, Данос және Рафельски ұсынғандай, литий-қоңыр қабықта тритийдің өндірілуінен туындаған жылу энергиясы да қайта қалпына келтірілді. Ең жақсы Q мәні шамамен 130% құрады, егер өндірілген мюондардың 50% -ы синтезді катализдеу үшін нақты қолданылса. Бұдан әрі, үдеткіш электр энергиясын деутеронның кинетикалық энергиясына айналдыруда 18% тиімділікке және жылу энергиясын электр энергиясына айналдыруда 60% тиімділікке ие болса, қазіргі уақытта μCF реакторынан өндірілетін электр энергиясының мөлшері тұтынылатын электр энергиясының 14% -ын құрайды деп есептейді. Бұл көрсеткішті жақсарту үшін олар а) үдеткіштің тиімділігін арттыру және б) теріс мюонға шаққандағы синтез реакцияларының санын қабылданған 150 деңгейінен жоғарылатудың қандай да бір комбинациясы қажет деп санайды.

According to Gordon Pusch, a physicist at Argonne National Laboratory, various breakeven calculations on muon catalyzed fusion omit the heat energy the muon beam itself deposits in the target. By taking this factor into account, muon catalyzed fusion can already exceed breakeven; however, the recirculated power is usually very large compared to power out to the electrical grid (about 3–5 times as large, according to estimates). Despite this rather high recirculated power, the overall cycle efficiency is comparable to conventional fission reactors; however the need for 4–6 MW electrical generating capacity for each megawatt out to the grid probably represents an unacceptably large capital investment. Pusch suggested using Bogdan Maglich's "migma" self colliding beam concept to significantly increase the muon production efficiency, by eliminating target losses, and using tritium nuclei as the driver beam, to optimize the number of negative muons. In 2021, Kelly, Hart and Rose produced a μCF model whereby the ratio, Q, of thermal energy produced to the kinetic energy of the accelerated deuterons used to create negative pions (and thus negative muons through pion decay) was optimized. In this model, the heat energy of the incoming deuterons as well as that of the particles produced due to the deuteron beam impacting a tungsten target was recaptured to the extent possible, as suggested by Gordon Pusch in the previous paragraph. Additionally, heat energy due to tritium breeding in a lithium lead shell was recaptured, as suggested by Jändel, Danos and Rafelski in 1988. The best Q value was found to be about 130% assuming that 50% of the muons produced were actually utilized for fusion catalysis. Furthermore, assuming that the accelerator was 18% efficient at transforming electrical energy into deuteron kinetic energy and conversion efficiency of heat energy into electrical energy of 60%, they estimate that, currently, the amount of electrical energy that could be produced by a μCF reactor would be 14% of the electrical energy consumed. In order for this to improve, they suggest that some combination of a) increasing accelerator efficiency and b) increasing the number of fusion reactions per negative muon above the assumed level of 150 would be needed.

Процесс

Бұл әсерді жасау үшін көбінесе пиондардың ыдырауы арқылы пайда болатын теріс мюондар ағыны, барлық үш сутегі изотопынан (протий, дейтерий және/немесе тритий) тұратын блокқа жіберіледі. Блок әдетте қатырылады және шамамен 3 кельвин (-270 градус Цельсий) температурасында болуы мүмкін. Мюон сутегі изотоптарының бірінен электронды ығыстырып шығаруы мүмкін. Электроннан 207 есе ауыр мюон екі ядро арасындағы электромагниттік итергіш күшті тиімді түрде азайтып, оларды электронға қарағанда ковалентті байланысқа жақындатады. Ядролар соншалықты жақын келгендіктен, күшті ядролық күш іске қосылып, екі ядроны біріктіреді. Олар бірігіп, катализаторлық мюонды (көбінесе) босатады, ал екі ядроның бастапқы массасының бір бөлігі, кез келген ядролық синтез сияқты, энергетикалық бөлшектер түрінде шығарылады. Катализаторлық мюонның босатылуы реакциялардың жалғасуы үшін маңызды. Көптеген мюондар басқа сутегі изотоптарымен байланысып, ядроларды біріктіруді жалғастырады. Дегенмен, барлық мюондар да қайта қолданылмайды: кейбір мюондар ядролардың бірігуінен кейін пайда болатын басқа да бөлшектермен (мысалы, альфа бөлшектері мен гелиондармен) байланысып, оларды каталитикалық процестен шығарып тастайды. Бұл реакцияларды біртіндеп баяулатады, себебі ядролармен байланыса алатын мюондар саны азаяды. Лабораториядағы реакциялардың саны мюонға шаққанда 150 д-т бірігуіне жете алады (орташа есеп бойынша).

Девтерий-тритий (dt немесе dt)

Мюондық катализделген бірігуде оң зарядталған деутерон (d), оң зарядталған тритон (t) және мюон негізінен оң зарядталған мюондық молекулалық ауыр сутек ионын (d–μ–t)+ құрайды. Мюон, тыныш күйдегі массасы электронның тыныш күйдегі массасынан 207 есе артық болатын, тритон мен деутеронды мюондық (d–μ–t)+ молекулалық ионда электрондық (d–e–t)+ молекулалық иондағы электронға қарағанда 207 есе жақын бір-біріне тарта алады. Электрондық молекулалық иондағы тритон мен деутеронның орташа арақашықтығы шамамен бір ангстром (100 пм) болса, мюондық молекулалық иондағы тритон мен деутеронның орташа арақашықтығы одан 207 есе кішідірек. Күшті ядролық күштің әсерінен, мюондық молекулалық иондағы тритон мен деутерон олардың периодтық тербелістік қозғалыстары кезінде бір-біріне одан да жақындаса, оң зарядталған тритон мен оң зарядталған деутеронның оларды бөліп тұратын Кулон кедергісі арқылы кванттық туннельдеуге ұшырау ықтималдығы күрт артады. Шындығында, кванттық механикалық туннельдеу ықтималдығы тритон мен деутерон арасындағы орташа арақашықтыққа шамамен экспоненциалды түрде тәуелді, бұл мюондық молекулалық ион пайда болғаннан кейін бір мюонның d–t ядролық бірігуін жарты пикосекундтан кем уақыт ішінде катализдей алуына мүмкіндік береді. Мюондық молекулалық иондық күй қалыптасқаннан кейін, мюонның тритон протонының және деутерон протонының оң зарядтарын бір-бірінен қорғауы тритон мен деутеронның Кулон кедергісінен наносекундтық уақыт ішінде өтуіне мүмкіндік береді. Мюон d–t мюондық катализделген ядролық бірігу реакциясынан аман қалады және (әдетте) одан әрі d–t мюондық катализделген ядролық бірігулерді катализдей алуға дайын болады. Әрбір экзотермиялық d–t ядролық бірігу шамамен 17.6 МэВ энергияны, шамамен 14.1 МэВ кинетикалық энергиясы бар "өте жылдам" нейтрон және шамамен 3.5 МэВ кинетикалық энергиясы бар α (гелий-4 ядросы) альфа бөлшегі түрінде бөліп шығарады.

In the muon catalyzed fusion of most interest, a positively charged deuteron (d), a positively charged triton (t), and a muon essentially form a positively charged muonic molecular heavy hydrogen ion (d–μ–t)+. The muon, with a rest mass 207 times greater than the rest mass of an electron, is able to drag the more massive triton and deuteron 207 times closer together to each other
in the muonic (d–μ–t)+ molecular ion than can an electron in the corresponding electronic (d–e–t)+ molecular ion. The average separation between the triton and the deuteron in the electronic molecular ion is about one angstrom (100 pm), so the average separation between the triton and the deuteron in the muonic molecular ion is 207 times smaller than that. Due to the strong nuclear force, whenever the triton and the deuteron in the muonic molecular ion happen to get even closer to each other during their periodic vibrational motions, the probability is very greatly enhanced that the positively charged triton and the positively charged deuteron would undergo quantum tunnelling through the repulsive Coulomb barrier that acts to keep them apart. Indeed, the quantum mechanical tunnelling probability depends roughly exponentially on the average separation between the triton and the deuteron, allowing a single muon to catalyze the d–t nuclear fusion in less than about half a picosecond, once the muonic molecular ion is formed. Once the muonic molecular ion state is formed, the shielding by the muon of the positive charges of the proton of the triton and the proton of the deuteron from each other allows the triton and the deuteron to tunnel through the Coulomb barrier in time span of order of a nanosecond The muon survives the d–t muon catalyzed nuclear fusion reaction and remains available (usually) to catalyze further d–t muon catalyzed nuclear fusions. Each exothermic d–t nuclear fusion releases about 17.6 MeV of energy in the form of a "very fast" neutron having a kinetic energy of about 14.1 MeV and an alpha particle α (a helium 4 nucleus) with a kinetic energy of about 3.5 MeV.

Деутерий және басқа да түрлері

Мюондық катализделген синтездің алғашқы түрін Л. В. Альварес және басқалар тәжірибелік түрде байқады, ол протий (H немесе 1H1) және дейтерий (D немесе 1H2) мюондық катализделген синтез болды. p–d (немесе pd) мюонмен катализделген синтездің синтез жылдамдығы dt мюонмен катализделген синтез жылдамдығынан шамамен миллион есе баяу деп бағаланды. Іс жүзінде маңыздырақ, дейтерий–дейтерий мюондық катализделген синтез жиі байқалып, тәжірибе жүзінде кеңінен зерттелді, өйткені дейтерий, протий сияқты, салыстырмалы түрде көптеп кездеседі және радиоактивті емес. (Тритий табиғатта сирек кездеседі және шамамен 12,5 жылдық жартылай ыдырау периодымен радиоактивті. 1957 жылы Теодор Стерджен "Барьердегі қапшық" атты повесть жазды, онда адамзаттың мюондармен жұмыс істейтін кең таралған суық термоядролық реакторлары бар. Реакция: "Гидроген бір және гидроген екі Мю-мезондардың қатысуымен гелий үшке бірігіп, энергияны электронвольтпен 5,4 есе 10-ның бесінші дәрежесіне дейін шығарады". Капсуладағы термоядролық бомбадан (ол Барьерді жою үшін қолданылады) айырмашылығы, олар мюондық синтездің жұмыс істейтініне "күшті сенімсіздікпен" уақытша тоқтатылуы мүмкін. Сер Артур Кларктың "Ғарыштық Одиссея" сериясындағы үшінші романында, 2061: Одиссея Үш, мюондық катализделген синтез – адамзатқа оңай планетааралық саяхат жасауға мүмкіндік беретін технология. Басты кейіпкер Хейвуд Флойд Луис Альваресті Лорд Рутерфордпен салыстырады, олардың жаңалықтарының болашақ әлеуетін дұрыс бағаламағаны үшін.