Mюонный катализ реакций ядерного dd- и dt- синтеза А.А. Воробьев, С,С.Герштейн. Л.И.Пономарев Научное сообщение на Президиуме РАН 23 марта 2004 года 23 марта 2004 года

Реакции синтеза ядер – возможные источники энергии d + d 3 He+ n +3.3Мэв t + n Мэв d + t 4 He + n Мэв p + 3 He 4 He + γ Мэв

Преодоление кулоновского барьера В термоядерной установке Т ~ 5·10 7 К Е ~ 5 Кэв

μ – мезон μ - - мезон - это тяжелый электрон mμ= 207 me pμ атом аналог H (ppμ) + молекула аналог (Н 2 ) + ~ см ~ время жизни 2.2 мксек μ -e ν

источники μ-мезонов p (~1 Гэв) + ядро π - μ - + ν космические лучи Синхроциклотрон ОИЯИ (600 Мэв) Синхроциклотрон ПИЯФ (1000 Мэв) Ускоритель KEK (Япония) Ускоритель RAL (Англия) Мезонные фабрики PSI (Швейцария) LAMPF (США) TRIUMF(Канада)

C.Frank (1947) Идея мезокатализа μ - dμ+p 3 He+μ+5.5 Мэв Холодный синтез в мезомолекуле А.Д.Сахаров (1948) μ + d ddμ Сужение барьера в мезо-молекуле Проницаемость барьера B = Частота колебаний ω~ сек -1 Вероятность синтеза 100% За ~ сек

Механизм образования ddμ - молекулы dμ + D 2 [(ddμ)de] + + e - Механизм образования мезомолекулы внутри D 2 молекулы с испусканием Оже-электрона Я.Б.Зельдович (1954)

d μ-атом D 2 - молекула

e d dd μ e [(ddμ)de] + - комплекс

e d dd μ e В модели Зельдовича вероятность образования мезомолекулы мала: ~ 40% за время жизни мезона

Первое наблюдение мезокатализа реакции pd -синтеза 1956 L.Alvarez Berkeley,USA μ -pμ -dμ -pdμ - 3 He+μ Мэв Снимок с жидководородной пузырьковой камеры

New York Times Dec 28, 1954 Скорость процесса оказалась малой - около одной мезомолекулы за время жизни мезона. Но:

Первые наблюдения d-μ-d синтеза λ ddμ /λ 0 = 0.2 Жидкий водород/дейтерий Т = 20 К λ ddμ /λ 0 = 1.6 J.Fetkovich (1960) J.Doede (1963) В.П.Джелепов Дубна (1966) Газ D 2 /H 2 16 атм Т = 240 К Расчет в модели Я.Б.Зельдовича λ ddμ /λ 0 = H + p + μ - λ ddμ μ-μ- dμdμddμ λ ddμ не должно зависить от температуры

Резонансное образование мезомолекул Гипотеза Э.А.Весмана (1967, Дубна) Если в мезомолекуле есть уровень с малой энергией связи ( < 4.5 эв), то возможен резонансный переход c вобуждением D 2 молекулы dμ + D 2 [(ddμ)de] + + e - dμ + D 2 [(ddμ)de]* Модель Зельдовича Модель Весмана

Резонансное образование мезомолекул Резкое увеличение скорости образования мезомолекулы Возможна зависимость от температуры J=ν=1 ε 11 ε0ε0 [(ddμ)dee]* dμ+D 2

Прецизионные вычисления энергий слабосвязанных уровней мезомолекул С.С.Гершейн и Л.И.Пономарев (1977) Задача 3-х тел Точность расчета Доказано существование слабосвязанных уровней в мезомолекулах ddμ ε 11 = эв dtμ ε 11 = эв Вычислена вероятность образования ddμ и dtμ молекул Предсказана высокая скорость d-μ-t синтеза J,v- квантовые числа вращательных и колебательных состояний мезомолекулы J=v=1

Энергетические уровни мезомолекул (энергии связи в эв.) (Jv) (00)(01)(10)(11)(20)(30) рμррμр pμdpμd pμtpμt dμddμd dμtdμt tμt tμt (J,v)- квантовые числа вращательных и колебательных уровней мезомолекул

Экспериментальное обнаружение мезокатализа dt-синтеза D 2 +T 2 n μ-μ- μ - dμ tμ dtμ 4 He+n+μ - λ dt λ dtμ 1981 В.П.Джелепов и др. Дубна Мишень Р= 66 атм Т= К 5000 Кюри λ dt = 3·10 8 с -1 λ dtμ > 10 8 c -1 λ 0 = 0.45·10 6 c -1 Один мезон может катализировать более 100 dt-синтезов !!!

Поддержка АН Минатм Миннауки

Число публикаций,связанных с мезокатализом Число публикаций Год ОИЯИ ПИЯФ КЦ ИТЭФ Швейцария США Канада Япония Англия Бельгия Австрия Германия Италия Польша Швеция

Основные конференции по мезокатализу 1986 Tokyo Япония 1987 Гатчина Россия 1988 Sanibel США 1989 Oxford Англия 1990 Vienna Австрия 1992 Uppsala Швеция 1995 Дубна Россия 1998 Ascona Швейцария 2001 Shimoda Япония 2002 Vienna Австрия

С 1987 года издается журнал μ СF

Исследование мезокатализа dd-синтеза

НОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ МЕЗОКАТАЛИЗА ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА р t μ-μ А.А.Воробьев и др. ПИЯФ, Гатчина Время-проекционная водородная ионизационная камера H 2,D 2,HD,D 2 +T 2 Р= атм Т= К (ddμ) + 3 H + p + μ - 3 He+ n + μ - 3 Heμ + n Регистрируются все каналы dd-синтеза 100% эффективность Высокая абсолютная точность

Сотрудничество с Швейцарской Мезонной Фабрикой Гатчинский детектор на мезонном канале ШМФ После первых экспериментов в Гатчине исследования были перенесены в Швейцарскую Мезонную Фабрику Энергия протонов 600 Мэв Ток в пучке 2 мА 100% Duty Factor Эффективный мезонный канал В эксперментах приняли участие группы из Швейцарии,Германии, Австрии, США. Были измерены все основные параметры d-μ-d синтеза

Пример амплитудного спектра продуктов d-μ-d синтеза Пример временного распределения продуктов d-μ-d синтеза

R=Y( 3 He+n) / Y( 3 H+p) 3 H + p + μ - 3 He+ n + μ - (ddμ) + Отношение выходов изотопически симметричных каналов

Вероятность прилипания мюона к ядру 3 He Эксперимент ω dd = (6 ) Теория ω dd = (Л.И.Пономарев и др) (ddμ) 3 Heμ + n

Вероятность образования ddμ-молекул d μ(F=3/2) ddμ dμ(F=1/2) ddμ HD D2 Линии- теория М.П.Файфман

Физика мезоатомов Уровни мезомолекул Волновые функции мезомолекул Матричные элементы перехода в комплекс [(ddμ)de]* Вероятность слияния ядер Вероятность прилипания мюонов к ядрам Не Прогресс в теории мезокатализа

Сравнение теории и эксперимента Е 11 = (3) эв эксп Ε 11 = эв теория Вклад поляризации вакуума δE 11 = эв Ограничение на существование дальнодействующих ядерных сил

Исследование мезокатализа dt-синтеза

D 2 +T 2 dμdμdμdμ tμtμtμtμ μˉ dμtdμtdμtdμt 4 He+n μ 4 He+n μˉ λaλaλaλa λdμtλdμtλdμtλdμt ω dt λ dt λ o = 0.46/mkсек

Вероятность прилипания мюона к ядру 4 He ω dt = (0.56±0.04)% Эксперимент Гатчина-PSI Среднее предельное число dt-синтезов,катализируемых одним мюоном = 175±15

Прямое измерение числа dt-синтезов в D/T смеси Эксперимент Дубна-Саров

Концентрация трития К Зависимость скорости катализа от температуры и процентного содержания трития Среднее число dt-синтезов, полученное в оптимальных условиях, равно 120. Результат PSI: 120 циклов Результат LAMPF: 150 циклов Эксперимент Дубна-Саров

Возможные практические применения мезокатализа dt-синтеза Получение энергии Интенсивный источник нейтронов с энергией 14 Мэв

D 2 +T 2 n n n n d 238 U π-π- B0B0 p,n 2 Гэв 1.4 Гэв 238 U Схема мезокаталитического реактора Ю.В Петров (Пияф ) Ускоритель 1d 0.26μ - 26n 21делений+24 ядра Pu 3.2 Гэв 2 Гэв 0.45 Гэв 8.8 Гэв (электрич) (электрич)

уск d 1 Гэв/нуклон Li p,n 1.4 Гэв 0.34 π μ - 238U, 6 Li D 2 +T 2 26 n АЭС 60 Pu 14 Гэв 3.2 Гэв 17.2 Гэв 14 Гэв(эл) 3.2 Гэв(эл) с 18 T 2 Схема гибридного реактора Ю.В.Петров (ПИЯФ )

Добавление мезокатализа к электроядерному каналу увеличивает эффективность системы вдвое. Произведенная гибридным реактором энергия достаточна для покрытия собственных расходов, а наработанный плутоний может обеспечить работу четырех АЭС такой же мощности, работающих на тепловых нейтронах Основная техническая проблема- создание сильноточного ускорителя: для обеспечения плутонием АЭС мощностью ~1 Гвт необходим ускоритель дейтронов (протонов) с энергией в пучке ~ 100 Мвт.

Изучение возможности создания источника нейтронов на основе мезокатализа РНЦ Курчатовский центр ИАТЭ Обнинск ВНИИЭФ Саров ИЯИ Троицк ПИЯФ Гатчина ENEA Bologna Italy Координатор Л.И.Пономарев Fusion Technology v.39 (2001) Стр Интенсивный источник нейтронов для исследования материалов, используемых в термоядерных установках Требуемые параметры: Энергия нейтронов E n = 14 Мэв, Полная интенсивность I n = n/сек, Поток Ф n =10 14 n/см 2

d 2Гэв 12 мА I I n =1.4·10 17 n/s Ф n =0.9·10 14 n/см 2 Магнитное поле 17/7 Тесла d+t 4 He+n (14.1Мэв)

Заключение Усилиями международного сотрудничества за последние 20лет достигнут огромный прогресс в исследовании мезоатомной и мезомолекулярной физики. В частности, всесторонне изучено уникальное явление мюонного катализа реакций ядерного синтеза В этих исследованиях роль российских ученых была и остается исключительно весомой. Для дальнейшего развития мезонной физики в нашей стране (фундаментальной и прикладной) важно как можно скорее завершить создание Московской Мезонной Фабрики.