Теоретический отдел Института физических проблем в 1956 г. Сидят: Л. А. Прозорова (единственный физик-экспериментатор), А. А. Абрикосов, И. М. Халатников, Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Стоят: С. С. Герштейн, Л. П. Питаевский, Л. А. Вайнштейн, Р. Г. Архипов, И. Е. Дзялошинский. Источник: elementy.ru
В 1960 году Яков Зельдович и Семён Герштейн — тогда аспирант Ландау, а сейчас профессор кафедры теоретической физики МФТИ — опубликовали обзор. В этой статье, помимо прочего, они предсказали эксперименты, в которых можно наблюдать более быстрый и «холодный» термоядерный синтез. Прошло около 60 лет, и предсказания теоретиков сбылись в эксперименте.
С Дмитрием Деминым, выпускником Физтеха и одним из авторов эксперимента, подтвердившего теоретические выкладки, мы поговорили о мюоном катализе — способе ускорения термоядерного синтеза с помощью мюонов.
Термоядерная энергетика
Превращения атомных ядер могут сопровождаться значительным выделением энергии. Свечение Солнца и других звезд как раз вызвано такими реакциями.
Управляемые реакция термоядерного синтеза — когда из более легких ядер получаются более тяжелые, а разница энергий связи выделяется в виде тепла — являются привлекательным источником энергии. При слиянии ядер выделяется энергия, которая в миллионы раз превышает «теплоту» обычного горения. Поэтому исследованиями и разработкой технологий активно занимаются ученые во всех передовых странах.
Сегодня мы в основном пользуемся истощающимися источниками энергии: нефть, газ, уголь. Даже промышленная ядерная энергетика базируется на расходовании запасов урана и других тяжелых радиоактивных ядер.
Физические исследования ускорения реакции термоядерного синтеза с помощью мюонов позволяют надеяться, что в будущем ученые смогут найти решение проблемы мирового энергетического кризиса.
Маленький да тяжеленький
Мюон — элементарная частица, свойства которой, включая взаимодействия с другими частицами, аналогичны свойствам электрона. Однако мюон тяжелее своего более известного товарища в 207 раз. А еще мюон — нестабильная частица, время его жизни порядка двух микросекунд.
Иногда мюон называют отрицательным мю-мезоном, хотя в современном представлении физики элементарных частиц мюон не является мезоном.
Мюон способен образовывать с ядрами изотопов водорода структуры, подобные атому водорода или молекулярного водородного иона. Однако размеры таких систем будут примерно в 200 раз — в отношение масс мюон / электрон — меньше «привычных», с электроном на орбите.
Быстрее и проще
Мюонный катализ, физически красивый процесс, состоит в следующем: в водородной среде с атомами дейтерия и трития свободный мюон сначала образует мюонный атом с ядрами дейтерия или трития. Реакция ядерного синтеза для такого атома случится быстрее, чем для «обычного», так как мюонный атом мал.
После того, как ядра изотопов водорода сливаются, мюон высвобождается, объединяется со следующим ядром в мюонный атом, снова облегчая ему слияние с другим ядром. Такая цепочка превращений может повторяться, пока не распадется сам мюон.
Это явление в 1947 году описали английский ученый Фредерик Франк и, независимо от него, академик Андрей Сахаров, столетие со дня рождения которого будет отмечаться в этом году.
Детали
Мюоны в атмосфере, известно много фактов их наблюдения. В экспериментальной деятельности мюоны получают на ускорителях. Эти частицы образуются при ударении протоном по мишени углерода или бериллия. Сначала рождаются отрицательные пи-мезоны, из которых через некоторое время получаются отрицательные мюоны.
«Если мюон попадает в водородную среду с атомами дейтерия и трития, у него формируется особое отношение с этой средой. С помощью всевозможных магнитных систем линз мы трансформируем мюоны в среду изотопа водорода — обычно это плотная газовая среда водорода с примесью дейтерия и трития. Когда мюон захватывается на орбиту одного из атомов водорода, образуется мезоатом. Благодаря маленькому размеру мезоатом может свободно проникать под электронную оболочку обычных атомов водорода и образовывать связанные соединения — мезомолекулы», — комментирует Дмитрий Демин.
Мезомолекула образуется резонансным образом: при определенных стечениях экспериментальных условий ядра сливаются. Причем это происходит при температурах, гораздо меньших, чем необходимы для «стандартного» термоядерного синтеза.
В 1957 году американский исследователь Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии, случайно открыл это явление в пузырьковой водородной камере. Оценки теоретиков были незначительными, и никто не ожидал наблюдения термоядерного синтеза из мезомолекул в 57-м году.
«С конца пятидесятых годов образование мезоатомов стало интенсивно разрабатываться теоретиками. В современном состоянии этой области науки практически все предсказания сбылись, — говорит Дмитрий Демин. — В 2016 году мы начали проводить эксперименты, результаты которых доложили на семинаре в конце 2020 года. Мы обнаружили, что предсказанные Герштейном и Зельдовичем реакции действительно идут. Более того, наблюдаемые “запрещенные” каналы реакций по своей интенсивности оказались сравнимы с “разрешенными”, обычными каналами синтеза».
Разработчики эксперимента, 1998 год. Слева направо: Дмитрий Демин, Аркадий Юхимчук и Валентин Зинов, который был в первом «долгопрудненском» выпуске МФТИ (Фото предоставлено Дмитрием Деминым)
Теория или реальность?
На первых этапах исследования ускорения термоядерного синтеза с помощью мюонов теоретики предсказывали, что практического применения не будет. В связи с этим интереса к более глубокому изучению практически и не возникло.
В середине шестидесятых в группе академика Джелепова, именем которого названа лаборатория, где работает Дмитрий, открыли резонансный механизм образования мезомолекулы. Это сразу привлекло большой интерес экспериментаторов во всем мире: в Америке, Англии, Канаде, Японии, Швейцарии и России. Несмотря на первичный энтузиазм, параметры катализа оказались недостаточны для его применения на современном этапе.
Бутылочное горлышко
Ядерные реакции синтеза в мезомолекулах идут в присутствии мюона µ−. Каждая реакция может иметь четыре финала: мюон освободится, образует мезоатом трития, образует мезоатом гелия или распадется. Освободившийся или попавший в атом трития мюон запустит новый цикл синтеза, а попавший в атом гелия или распавшийся — нет.
Число реакций, которые может «провернуть» один мюон, ограничено в основном величиной коэффициента прилипания мюона к гелию и временем его жизни. При самой интересной для энергетиков реакционной смеси дейтерия и трития мюон прилипает в половине процентов случаев. Экспериментально было зарегистрировано сто пятьдесят реакционных циклов на один мюон.
«Чтобы по КПД синтеза выйти в ноль, нам нужно добиться пятисот циклов. Для перевода в промышленные масштабы — увеличить это значение на порядок-два. Это нам пока недоступно. Но над этим работают», — комментирует Дмитрий.
У нас, жителей Земли, еще есть время научиться беречь природные топливные ресурсы, пока мы ждем чудесного термоядерного источника энергии.
