Мюонный катализ ядерного синтеза: возможности и ограничения.

Введение

Процесс ядерного синтеза
Муонный каталитический синтез (сокращенно μCF или MCF) — это процесс, позволяющий ядерному синтезу происходить при температурах, значительно более низких, чем температуры, необходимые для термоядерного синтеза, вплоть до комнатной температуры и ниже. Это один из немногих известных способов катализа реакций ядерного синтеза. Мюоны — нестабильные субатомные частицы, подобные электронам, но в 207 раз массивнее. Если мюон замещает один из электронов в молекуле водорода, ядра сближаются на расстояние в 186…

Для создания эффективного муонного каталитического синтеза при комнатной температуре реакторам потребуется дешевый и эффективный источник мюонов и/или способ, позволяющий каждому отдельному мюону катализировать большее количество реакций синтеза.

История

Андрей Сахаров и Ф. К. Франк теоретически предсказали явление муонокатализированного синтеза до 1950 года. Яков Борисович Зельдович также писал об этом явлении в 1954 году. Луис В. Альварес и др., полученное делящееся топливо затем может быть "сработано" либо в обычном критическом ядерном реакторе деления, либо в нетрадиционном субкритическом реакторе деления, например, в реакторе, использующем ядерную трансмутацию для переработки ядерных отходов, или в реакторе, использующем концепцию усилителя энергии, разработанную Карло Руббией и другими. Другим преимуществом муонокатализированного синтеза является то, что процесс синтеза может начинаться с чистого дейтерия без использования трития. Плазменные термоядерные реакторы, такие как ITER или Wendelstein X7, нуждаются в тритии для запуска и требуют наличия тритиевого завода. Муонокатализированный синтез генерирует тритий в процессе работы и повышает эффективность до оптимального значения, когда соотношение дейтерия к тритию достигает примерно 1:1. Муонокатализированный синтез может функционировать как тритиевый завод, обеспечивая тритий для материаловедческих и плазменных исследований синтеза.

Проблемы, с которыми сталкивается практическая эксплуатация

За исключением некоторых уточнений, мало что изменилось с момента оценки осуществимости синтеза, катализированного мюонами, проведенной Джексоном в 1957 году, за исключением предсказания Весмана в 1967 году о гиперфинорезонансном образовании мюонного (d–μ–t)+ молекулярного иона, которое впоследствии было экспериментально подтверждено. Это способствовало возрождению интереса ко всей области муонокатализованного синтеза, которая остается активной областью исследований во всем мире. Однако, как отметил Джексон в своей работе, муонокатализованный синтез "вряд ли" обеспечит "полезную выработку энергии", если не будет найден более экономичный способ производства мюонов. Проблема "прилипания" альфа-частиц заключается в приблизительно 1% вероятности "прилипания" мюона к альфа-частице, образующейся в результате ядерного синтеза дейтерия и трития, что эффективно исключает мюон из процесса муонокатализа. Даже если бы мюоны были абсолютно стабильными, каждый мюон мог бы катализировать в среднем около 100 реакций синтеза дейтерия и трития, прежде чем "прилипнуть" к альфа-частице, что составляет лишь около одной пятой количества мюонно-катализированных реакций d–t, необходимых для достижения точки безубыточности, когда количество генерируемой тепловой энергии равно количеству электрической энергии, потребляемой для производства мюонов, согласно приблизительной оценке Джексона. Действительно, команда под руководством Стивена Э. Джонса достигла 150 реакций d–t на мюон (в среднем) на Мезонном физическом комплексе в Лос-Аламосе. Результаты были многообещающими и почти достаточными для достижения теоретической точки безубыточности. К сожалению, этих измерений количества мюонно-катализированных реакций d–t на мюон все еще недостаточно для достижения промышленной точки безубыточности. Даже при достижении точки безубыточности эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую составляет всего около 40%, что еще больше ограничивает практическую применимость. Лучшие современные оценки электрической "энергетической стоимости" одного мюона составляют около 6 при использовании ускорителей, которые (случайно) на 40% эффективны в преобразовании электрической энергии из сети в ускорение дейтеронов. По состоянию на 2012 год ни один практический метод производства энергии таким способом не был опубликован, хотя некоторые открытия, основанные на эффекте Холла, выглядят перспективно.

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.

Альтернативная оценка безубыточности

По словам Гордона Пуша, физика из Национальной лаборатории Аргонн, различные расчёты точки безубыточности при мюонно-катализированном синтезе не учитывают тепловую энергию, которую сам мюонный пучок откладывает в мишень. Принимая этот фактор во внимание, мюонно-катализированный синтез уже может превысить точку безубыточности; однако, потребляемая для рециркуляции мощность обычно значительно превышает выходную электрическую мощность (примерно в 3–5 раз, по оценкам). Несмотря на относительно высокую потребляемую мощность, общая эффективность цикла сопоставима с традиционными ядерными реакторами; однако потребность в 4–6 МВт генерирующей мощности на каждый мегаватт, выдаваемый в сеть, вероятно, представляет собой неприемлемо большие капитальные вложения. Пуш предложил использовать концепцию "мигмы" – самостолкновенияющих пучков Богдана Маглиха – для существенного повышения эффективности производства мюонов, за счёт устранения потерь в мишени, и использовать ядра трития в качестве управляющего пучка для оптимизации количества отрицательных мюонов. В 2021 году Келли, Харт и Роуз разработали μCF-модель, в которой было оптимизировано отношение Q – отношение произведённой тепловой энергии к кинетической энергии ускоренных дейтеронов, используемых для создания отрицательных пионов (и, следовательно, отрицательных мюонов в результате распада пионов). В этой модели тепловая энергия входящих дейтеронов, а также частиц, образующихся при столкновении деутеронного пучка с вольфрамовой мишенью, восстанавливалась в максимально возможной степени, как предлагал Гордон Пуш в предыдущем абзаце. Кроме того, восстанавливалась тепловая энергия, выделяющаяся при воспроизводстве трития в литий-свинцовой оболочке, как предлагали Джендель, Данос и Рафелски в 1988 году. Лучшее значение Q составило около 130%, при условии, что 50% произведённых мюонов фактически используются для катализа синтеза. Более того, предполагая, что эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую энергию дейтеронов у ускорителя составляет 18%, а эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую – 60%, они оценивают, что в настоящее время реактор μCF сможет произвести лишь 14% от потребляемой им электрической энергии. Для улучшения этого показателя, по их мнению, потребуется сочетание: а) повышения эффективности ускорителя и б) увеличения количества реакций синтеза на отрицательный мюон выше предполагаемого уровня 150.

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

Для создания этого эффекта поток отрицательных мюонов, чаще всего образующихся при распаде пионов, направляется в блок, который может состоять из всех трех изотопов водорода (протия, дейтерия и/или трития). Этот блок обычно заморожен и может иметь температуру около 3 кельвинов (-270 градусов Цельсия) или около того. Мюон может выбить электрон из одного из изотопов водорода. Мюон, масса которого в 207 раз превышает массу электрона, эффективно экранирует и уменьшает электромагнитное отталкивание между двумя ядрами, сближая их гораздо сильнее, чем это возможно при ковалентной связи, образованной электроном. Благодаря такому близкому расположению ядер, вступает в действие сильное ядерное взаимодействие, способное связать оба ядра вместе. Они сливаются, высвобождая каталитический мюон (в большинстве случаев), и часть исходной массы обоих ядер преобразуется в энергию в виде частиц, как и при любом другом типе ядерного синтеза. Высвобождение каталитического мюона критически важно для продолжения реакций. Большинство мюонов продолжают связываться с другими изотопами водорода и инициировать дальнейшее слияние ядер. Однако не все мюоны возвращаются в цикл: некоторые связываются с другими продуктами распада, образующимися после слияния ядер (например, с альфа-частицами и гелионами), что исключает их из каталитического процесса. Это постепенно замедляет реакции, поскольку количество мюонов, способных связываться с ядрами, уменьшается. В лабораторных условиях удается достичь до 150 d–t-слияний на один мюон (в среднем).

Деутерий-тритий (dt или dt)

В наиболее интересных реакциях муонного катализа, положительно заряженный дейтерон (d), положительно заряженный тритон (t) и мюон по существу образуют положительно заряженный мюонный молекулярный ион тяжелого водорода (d–μ–t)+. Мюон, имеющий массу покоя в 207 раз большую, чем масса покоя электрона, способен приблизить более массивные тритон и дейтерон в 207 раз ближе друг к другу в мюонном (d–μ–t)+ молекулярном ионе, чем это возможно для электрона в соответствующем электронном (d–e–t)+ молекулярном ионе. Среднее расстояние между тритоном и дейтероном в электронном молекулярном ионе составляет около одного ангстрема (100 пм), поэтому среднее расстояние между тритоном и дейтероном в мюонном молекулярном ионе в 207 раз меньше. Благодаря сильному ядерному взаимодействию, когда тритон и дейтерон в мюонном молекулярном ионе оказываются еще ближе друг к другу во время их периодических колебаний, значительно возрастает вероятность того, что положительно заряженные тритон и дейтерон пройдут квантовое туннелирование через отталкивающий кулоновский барьер, препятствующий их сближению. Действительно, вероятность квантово-механического туннелирования приблизительно экспоненциально зависит от среднего расстояния между тритоном и дейтероном, что позволяет одному мюону катализировать ядерный синтез d–t менее чем за полпикосекунды после формирования мюонного молекулярного иона. После образования мюонного молекулярного ионного состояния, экранирование муоном положительных зарядов протонов тритона и дейтерона друг от друга позволяет тритону и дейтерону туннелировать через кулоновский барьер за время порядка наносекунды. Мюон переживает реакцию ядерного синтеза, катализированную дт-муоном, и обычно остается доступным для катализации дальнейших дт-муонных реакций ядерного синтеза. Каждая экзотермическая реакция d–t ядерного синтеза высвобождает около 17,6 МэВ энергии в виде "очень быстрого" нейтрона с кинетической энергией около 14,1 МэВ и альфа-частицы α (ядра гелия-4) с кинетической энергией около 3,5 МэВ.

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 и другие виды

Первым экспериментально наблюдаемым видом муонокаталитического синтеза был синтез, катализируемый мюонами, между протием (H или 1H1) и дейтерием (D или 1H2). Оценка скорости реакции p–d (или pd) муонокаталитического синтеза показывает, что она примерно в миллион раз медленнее, чем скорость реакции d–t муонокаталитического синтеза. Более практический интерес представляет собой муонокаталитический синтез дейтерий-дейтериевый, который часто наблюдается и широко изучается экспериментально, во многом потому, что дейтерий уже существует в относительном изобилии и, как и протий, не является радиоактивным. (Тритий редко встречается в природе и является радиоактивным с периодом полураспада около 12,5 лет. В 1957 году Теодор Стерджен написал повесть "Клетка в барьере", в которой человечество располагает повсеместными реакторами холодного синтеза, работающими на мюонах. В повести описывается реакция: "Когда водород один и водород два находятся в присутствии мю-мезонов, они сливаются в гелий три, с выделением энергии в 5,4 × 10⁵ электронвольт". В отличие от термоядерной бомбы, содержащейся в капсуле (которая используется для уничтожения барьера), эти реакторы могут временно отключаться "концентрированным неверием" в работоспособность муонного синтеза. В третьем романе серии "Космическая одиссея" сэра Артура Кларка, "2061: Одиссея Три", муонокаталитический синтез является технологией, позволяющей человечеству легко осуществлять межпланетные путешествия. Главный герой, Хейвуд Флойд, сравнивает Луиса Альвареса с лордом Резерфордом за недооценку будущего потенциала их открытий.