Мюонный катализ

Мюо́нный ката́лиз ядерных реакций синтеза (англ. muon catalyzed fusion, MCFusion, MCF), или просто мюонный катализ — процесс, облегчающий слияние ядер, например, изотопов водорода, происходящий при участии отрицательно заряжённых мюонов. Реакция синтеза проходит при относительно низкой температуре в отличие от классического термоядерного синтеза. В настоящее время не может быть использована в термоядерном синтезе, так как невыгодна из-за высоких энергетических затрат на получение мюонов, за исключением варианта с использованием природных мюонов, сконцентрированных на мишени с помощью крупномасштабного магнитного разомкнутого контура на базе существующих инженерных конструкций из ферромагнитного материала (стали) большой протяженности, (например, главный рельсовый ход ТрансСиба).

Сущность процесса состоит в следующем: отрицательно заряженный

После образования мезомолекул DDμ, DTμ и TTμ чрезвычайно быстро, за время τ порядка 10⁻⁹…10⁻¹² с, происходит слияние их ядер за счет сильного взаимодействия в реакциях:

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

${\displaystyle \mathrm {D} +\mathrm {D} \ \rightarrow \ \mathrm {n} +{}^{3}\!\,\mathrm {He} +3{,}268\;\mathrm {MeV} ,}$

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

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

В мезомолекулах с протоном HDµ и HTµ скорость слияния ядер малая (время жизни до слияния ~10⁶ с⁻¹) в таких реакциях:

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

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

так как определяется относительно слабым электромагнитным взаимодействием.

Поскольку эти реакции в мезомолекулах идут в присутствии мюона µ⁻, то для каждой из них возможны три исхода, а именно, мюон может или освободиться, или же образовать мезоатом гелия или распасться. Свободный мюон может катализировать следующую реакцию синтеза, а мюон, захваченный ядром гелия (альфа-частицей) — нет, также, происходят распады мюонов на электроны и антинейтрино, время жизни мюона около 2,2 мкс.

Таким образом, число реакций синтеза X_c, инициируемых одним мюоном, ограничено величиной коэффициента прилипания мюона к гелию^[1] (≈ 0,5…1 %) и их распадами.

Экспериментально удалось получить значения X_c≈100, то есть один мюон способен высвободить энергию в 100 × 14 МэВ = 1,4 ГэВ. Но эта величина все же меньше, чем энергетические затраты на производство самого мюона на ускорителе (5…10 ГэВ для пучка дейтронов). Таким образом, мюонный катализ пока энергетически невыгодный процесс. Коммерчески выгодное применение мюонного катализа для производства энергии возможно при X_c свыше 10⁴.

Также предлагалось использование мюонного катализа для

• Карнаков Б. М., «Мюонный катализ ядерного синтеза», Статьи соросовского образовательного журнала
• Вайсенберг А. О. Мю-мезон. — М.: Наука, 1964. — 399 с.