Muon-katalysierte Fusion (μCF) ist ein Prozess, der Kernfusion erlaubt, bei Temperaturen bedeutsam tiefer stattzufinden, als die Temperaturen, die für die thermonukleare Fusion sogar bei der Raumtemperatur oder tiefer erforderlich sind. Es ist eine der wenigen bekannten Weisen, Kernfusionsreaktionen zu katalysieren.

Muons sind nicht stabile subatomare Partikeln. Sie sind Elektronen ähnlich, aber sind ungefähr 207mal massiver. Wenn ein muon eines der Elektronen in einem Wasserstoffmolekül ersetzt, werden die Kerne folglich 207mal näher zusammen gezogen als in einem normalen Molekül. Wenn die Kerne das eng miteinander sind, wird die Wahrscheinlichkeit der Kernfusion zum Punkt außerordentlich vergrößert, wo eine bedeutende Anzahl von Fusionsereignissen bei der Raumtemperatur geschehen kann.

Leider verlangen aktuelle Techniken, um große Anzahl von muons zu schaffen, große Beträge der Energie, die größer ist als die durch die katalysierten Kernfusionsreaktionen erzeugten Beträge. Das hält es davon ab, eine praktische Macht-Quelle zu werden. Außerdem hat jeder muon ungefähr eine 1-%-Chance, zum Alphateilchen "zu stecken", das durch die Kernfusion eines schweren Wasserstoffs mit einem Tritium erzeugt ist, den "durchstochenen" muon vom katalytischen Zyklus entfernend, bedeutend, dass jeder muon nur höchstens einiges hundert Tritium des schweren Wasserstoffs Kernfusionsreaktionen katalysieren kann, bevor es weg verfällt, der nur ein paar Mikrosekunden nimmt. Wenn es kein "Durchstechen des Alphas" von muons gab, konnte jeder muon im Prinzip mehr als ungefähr zehntausend Tritium des schweren Wasserstoffs Kernfusionsreaktionen während seiner Mikrosekunde-Lebenszeit des Schriftsatzes 2 katalysieren, die ihm erlauben würde, eine ausführbare Macht-Quelle zu sein. Also, diese zwei Faktoren, muons zu sein, der zu teuer ist, um zu machen und dann zu leicht zu Alphateilchen steckend, beschränken muon-katalysierte Fusion auf eine Laborwissbegierde. Um nützliche Raumtemperatur muon-katalysierte Fusionsreaktoren zu schaffen, würden wir eine preiswertere, effizientere muon Quelle entdecken und/oder jeden individuellen muon dazu ermuntern müssen, Myriaden von Fusionsreaktionen zu katalysieren.

Eine kurze Geschichte

Andrei Sakharov und F.C. Frank haben das Phänomen der muon-katalysierten Fusion auf dem theoretischen Boden vor 1950 vorausgesagt. Yakov Borisovich Zel'dovich hat auch über das Phänomen der muon-katalysierten Fusion 1954 geschrieben. Luis W. Alvarez u. a., als man das Ergebnis von einigen Experimenten mit dem muons Ereignis auf einem Wasserstoffluftblase-Raum an Berkeley 1956 analysiert hat, hat Muon-Katalyse von exothermic p-d, Proton und deuteron, Kernfusion beobachtet, die auf einen helion, einen Gammastrahl und eine Ausgabe von ungefähr 5.5 MeV der Energie hinausläuft. Der Alvarez experimentelle Ergebnisse hat insbesondere John David Jackson angespornt, eine der ersten umfassenden theoretischen Studien der muon-katalysierten Fusion in seiner bahnbrechenden 1957-Zeitung zu veröffentlichen. Dieses Papier hat die ersten ernsten Spekulationen auf der nützlichen Energieausgabe von der muon-katalysierten Fusion enthalten. Jackson hat beschlossen, dass es als eine Energiequelle unpraktisch sein würde, wenn das "Alpha durchstechende Problem" (sieh unten) nicht behoben werden konnte, potenziell zu einer energisch preiswerteren und effizienteren Weise führend, das Katalysieren muons zu verwerten. Diese Bewertung hat bis jetzt die Zeit überdauert.

Lebensfähigkeit als eine Macht-Quelle

Potenzielle Vorteile

Wenn muon-katalysiert, d-t Kernfusion sind im Stande gewesen, praktisch begriffen zu werden, es würde eine viel preiswertere Weise sein, Macht zu erzeugen, als herkömmliche Atomspaltungsreaktoren, weil muon-katalysierte d-t Kernfusion (wie die meisten anderen Typen der Kernfusion), weit weniger schädlich (und viel weniger langlebig) radioaktive Verschwendung, und kaum irgendwelche Treibhausgase erzeugt. Praktische und wirtschaftlich vernünftige muon-katalysierte d-t Kernfusion würde einen langen Weg zum Reduzieren der Produktion von Treibhausgasen, wie Kohlendioxyd (CO), durch das Reduzieren oder sogar das Beseitigen des Bedürfnisses gehen, fossile Brennstoffe und Biomasse zu verbrennen, die Kohlenstoff zum Beispiel enthalten.

Einige Menschen haben eine hybride Fusion/Spaltung Schemas vorgeschlagen, den großen Betrag von in muon-katalysierten d-t Kernfusionen erzeugten Neutronen zu verwenden, um spaltbare Brennstoffe, vom fruchtbaren Material - zum Beispiel zu gebären, Thorium 232 konnte Uran 233 auf diese Weise gebären. Die spaltbaren Brennstoffe, die geboren worden sind, können dann "verbrannt" werden entweder in einem herkömmlichen superkritischen Atomspaltungsreaktor oder in einem unkonventionellen unterkritischen Spaltungsstapel. Ein Beispiel eines unkonventionellen unterkritischen Spaltungsstapels ist Accelerator-Driven System (ADS), das dafür vorgeschlagen worden ist, und zurzeit an einigen Stellen für, die Gaspedal-Umwandlung der Verschwendung (ATW) — zum Beispiel mit Neutronen entwickelt wird, um große Mengen von äußerst langlebigen radioaktiven Abfällen, wie diejenigen umzuwandeln, die (hauptsächlich) durch herkömmliche Atomspaltungsreaktoren in viel weniger langlebige umgewandelte Elemente erzeugt sind. Ein anderes Beispiel des kreativen Gebrauches eines unkonventionellen unterkritischen Spaltungsstapels ist der Energieverstärker, der vom Hofdichter von Physics Nobel Carlo Rubbia, unter anderen ausgedacht ist.

Probleme, die praktischer Ausnutzung gegenüberstehen

Abgesehen von einigen Verbesserungen hat sich wenig ins halbe Jahrhundert seit der Bewertung von Jackson der Durchführbarkeit der muon-katalysierten Fusion, außer der Vorhersage von Vesman der hyperfeinen widerhallenden Bildung des muonic (d \U 03BC\t) molekulares Ion geändert, das nachher experimentell beobachtet wurde. Dieser geholfene Funken hat Interesse am ganzen Feld der muon-katalysierten Fusion erneuert, die ein aktives Gebiet von der Forschung weltweit unter denjenigen bleibt, die fortsetzen, fasziniert und gefesselt (und vereitelt zu werden), durch diese quälende Annäherung an die kontrollierbare Kernfusion, die fast arbeitet. Klar, wie Jackson in seiner 1957-Zeitung bemerkt hat, wird muon-katalysierte Fusion "kaum" "nützliche Energieerzeugung zur Verfügung stellen..., wenn eine energisch preiswertere Weise, μ-mesons zu erzeugen, nicht gefunden werden kann."

Ein praktisches Problem mit dem muon-katalysierten Fusionsprozess besteht darin, dass muons nicht stabil sind, in ungefähr (in ihrem Rest-Rahmen) verfallend. Folglich muss es einige preiswerte Mittel geben, muons zu erzeugen, und der muons muss eingeordnet werden, um so viele Kernfusionsreaktionen wie möglich vor dem Verfallen zu katalysieren.

Ein anderer, und auf viele Weisen ernster, Problem ist das "Alpha durchstechende" Problem, das von Jackson in seiner 1957-Zeitung anerkannt wurde. Das α-sticking Problem ist die etwa 1 % Wahrscheinlichkeit des muon, der zum Alphateilchen "steckt", das sich aus deuteron-triton Kernfusion ergibt, dadurch effektiv den muon vom Muon-Katalyse-Prozess zusammen entfernend. Selbst wenn muons absolut stabil waren, konnte jeder muon, durchschnittlich, nur ungefähr 100 d-t Fusionen vor dem Bleiben bei einem Alphateilchen katalysieren, das nur über einen fünften ist, hat die Zahl von muon d-t für die Einträglichkeit erforderliche Fusionen katalysiert, wo so viel Thermalenergie erzeugt wird, wie elektrische Energie verbraucht wird, um den muons an erster Stelle gemäß der rauen 1957-Schätzung von Jackson zu erzeugen.

Neuere Maße scheinen, zu ermutigenderen Werten für die α-sticking Wahrscheinlichkeit hinzuweisen, die α-sticking Wahrscheinlichkeit findend, ungefähr 0.5 % zu sein (oder vielleicht sogar ungefähr 0.4 % oder 0.3 %), der nicht weniger als ungefähr 200 (oder vielleicht sogar ungefähr 250 oder ungefähr 333) muon-katalysierte d-t Fusionen pro muon bedeuten konnte. Tatsächlich hat die von Steven E. Jones geführte Mannschaft 150 d-t Fusionen pro muon (Durchschnitt) am Los Alamos Meson Physics Facility erreicht. Leider, 200 (oder 250 oder sogar 333) muon-katalysierte d-t Fusionen pro muon ist noch immer nicht genug, um Einträglichkeit zu erreichen. Sogar mit der Einträglichkeit ist die Umwandlungsleistungsfähigkeit von der Thermalenergie bis elektrische Energie nur ungefähr 40 % oder so, weiter Lebensfähigkeit beschränkend. Die beste neue geschätzte Annahme der elektrischen "Energiekosten" pro muon ist über mit Gaspedalen, die beim Umwandeln der elektrischen Energie vom Macht-Bratrost in die Beschleunigung des deuterons um (zusammenfallend) ungefähr 40 % effizient sind.

Bezüglich 2012 bedeutet keine praktische Methode, Energie dadurch zu erzeugen, ist veröffentlicht worden, obwohl einige Entdeckungen mit der Saal-Wirkung Versprechung zeigen.

Prozess

Um diese Wirkung zu schaffen, wird ein Strom von negativem muons, der meistenteils durch das Verfallen pions geschaffen ist, an einen Block gesandt, der aus allen drei Wasserstoffisotopen zusammengesetzt werden kann (protium, schwerer Wasserstoff und/oder Tritium), wo der Block gewöhnlich eingefroren wird, und der Block bei Temperaturen von ungefähr 3 kelvin (270 Grad Celsius) sein kann oder so. Der muon kann das Elektron von einem der Wasserstoffisotope stoßen. Der muon, der 207mal massiver ist als das Elektron, beschirmt effektiv und reduziert die elektromagnetische Repulsion zwischen zwei Kernen und zieht sie viel näher in ein covalent Band, als ein Elektron kann. Weil die Kerne so nah sind, ist die starke Kernkraft im Stande, zu treten in und beide Kerne zusammen zu binden. Sie verschmelzen, veröffentlichen den katalytischen muon (den größten Teil der Zeit), und ein Teil der ursprünglichen Masse von beiden Kernen wird als energische Partikeln, als mit jedem anderen Typ der Kernfusion veröffentlicht (sieh Kernfusion, um zu verstehen, wie diese Energie veröffentlicht wird). Die Ausgabe des katalytischen muon ist kritisch, um die Reaktionen fortzusetzen. Die Mehrheit des muons setzt fort, mit anderen Wasserstoffisotopen zu verpfänden und fortzusetzen, Kerne zusammen zu verschmelzen. Jedoch werden nicht alle muons wiederverwandt: Ein Band mit anderem Schutt, der im Anschluss an die Fusion der Kerne (wie Alphateilchen und helions) ausgestrahlt ist, den muons vom katalytischen Prozess entfernend. Das würgt allmählich die Reaktionen ab, weil es weniger und weniger muons gibt, mit dem die Kerne verpfänden können. Die höchste im Laboratorium erreichte Erfolg-Rate ist auf der Ordnung von ungefähr ungefähr 100 Reaktionen pro muon gewesen.

Tritium des schweren Wasserstoffs (d-t oder dt)

In der muon-katalysierten Fusion vom grössten Teil des Interesses bildet ein positiv beladener deuteron (d), ein positiv beladener triton (t), und ein muon im Wesentlichen ein positiv beladenes muonic molekulares schweres Wasserstoffion (d \U 03BC\t). Der muon, mit einer Rest-Masse, die ungefähr 207mal größer ist als die Rest-Masse eines Elektrons, ist im Stande, den massiveren triton und deuteron ungefähr 207mal näher zusammen an einander zu schleppen

im muonic (d \U 03BC\t) kann molekulares Ion als ein Elektron im entsprechenden elektronischen (d-e-t) molekularen Ion. Die durchschnittliche Trennung zwischen dem triton und dem deuteron im elektronischen molekularen Ion ist über ein Angström (13:00 Uhr), so ist die durchschnittliche Trennung zwischen dem triton und dem deuteron im muonic molekularen Ion ungefähr 207mal kleiner als das. Wegen der starken Kernkraft, wann auch immer der triton und der deuteron im muonic molekularen Ion zufällig noch näher an einander während ihrer periodischen Schwingbewegungen werden, wird die Wahrscheinlichkeit sehr außerordentlich erhöht, dass der positiv beladene triton und der positiv beladene deuteron Quant-Tunnelbau durch die abstoßende Ampere-Sekunde-Barriere erleben würden, die handelt, um sie einzeln zu behalten. Tatsächlich wird das Quant, in dem mechanische Tunnelbau-Wahrscheinlichkeit grob exponential von der durchschnittlichen Trennung zwischen dem triton und dem deuteron abhängt, einem einzelnen muon erlaubend, die d-t Kernfusion weniger zu katalysieren, als über einen halben picosecond, einmal das muonic molekulare Ion, gebildet.

Die Bildungszeit des muonic molekularen Ions ist einer der "Rate beschränkenden Schritte" in der muon-katalysierten Fusion, die bis zu zehntausend oder mehr picoseconds in einer flüssigen molekularen schweren Wasserstoff und Tritium-Mischung (D, DT, T) zum Beispiel leicht nehmen kann. Jedes Katalysieren muon gibt so den grössten Teil seiner ephemeren Existenz von ungefähr 2.2 Mikrosekunden, wie gemessen, in seinem Rest-Rahmen aus, der um das Suchen nach passendem deuterons und tritons wandert, mit dem man bindet.

Eine andere Weise, auf die muon-katalysierte Fusion zu schauen, soll versuchen, sich die Boden-Zustandbahn eines muon entweder um einen deuteron oder um einen triton zu vergegenwärtigen. Nehmen Sie an, dass der muon zufällig in eine Bahn um einen deuteron am Anfang gefallen ist, den er ungefähr eine 50-%-Chance hat zu tun, wenn es ungefähr gleiche Anzahlen von deuterons und Tritons-Gegenwart gibt, ein elektrisch neutrales muonic Atom des schweren Wasserstoffs (d-μ) bildend, der etwas wie ein "fettes, schweres Neutron" erwartet beide zu seiner relativ kleinen Größe (wieder, ungefähr 207mal kleiner handelt als ein elektrisch neutrales elektronisches Atom des schweren Wasserstoffs (d-e)) und zur sehr wirksamen "Abschirmung" durch den muon der positiven Anklage des Protons im deuteron. Trotzdem hat der muon noch eine viel größere Chance, jedem triton übertragen zu werden, der in der Nähe von genug zum muonic schweren Wasserstoff kommt, als es tut, ein muonic molekulares Ion zu bilden. Das elektrisch neutrale muonic Tritium-Atom (t-μ) so gebildet wird etwas wie ein gleiches "fetteres, schwereres Neutron," handeln, aber es wird am wahrscheinlichsten an seinem muon hängen, schließlich ein muonic molekulares Ion, am wahrscheinlichsten wegen der widerhallenden Bildung eines hyperfeinen molekularen Staates innerhalb eines kompletten Moleküls des schweren Wasserstoffs D (d=e=d) mit dem muonic molekularen Ion bildend, das als ein "fetterer, schwererer Kern" des "fetteren, schwereren" neutralen "muonic/electronic" Moleküls des schweren Wasserstoffs ([d \U 03BC\t] =e=d), wie vorausgesagt, durch Vesman, einen estnischen Studenten im Aufbaustudium 1967 handelt.

Sobald der muonic molekulare Ion-Staat gebildet wird, erlaubt die Abschirmung durch den muon der positiven Anklagen des Protons des triton und des Protons des deuteron von einander dem triton und dem deuteron, sich nahe genug zusammen zu bewegen, um mit der Bereitwilligkeit durchzubrennen. Der muon überlebt den d-t muon-katalysierte Kernfusionsreaktion und bleibt verfügbar (gewöhnlich), um weiter d-t muon-katalysierte Kernfusionen zu katalysieren. Jeder exothermic d-t Kernfusion befreit ungefähr 17.6 MeV der Energie in der Form eines "sehr schnellen" Neutrons, das eine kinetische Energie von ungefähr 14.1 MeV und einem Alphateilchen α (ein Helium 4 Kern) mit einer kinetischen Energie von ungefähr 3.5 MeV hat. Zusätzliche 4.8 MeV können durch das Moderieren der schnellen Neutronen in einer passenden "Decke" nachgelesen werden, die den Reaktionsraum mit dem generellen umgibt, das Lithium 6 enthält, dessen Kerne, die von einigen als "lithions", sogleich und exothermically bekannt sind, Thermalneutronen, das Lithium 6 absorbieren, dadurch in ein Alphateilchen und einen triton umgewandelt werden.

Schwerer Wasserstoff des schweren Wasserstoffs (d-d oder dd) und andere Typen

Die erste Art der muon-katalysierten Fusion, die experimentell von L.W. Alvarez zu beobachten ist u. a., war wirklich protium (H oder H) und schwerer Wasserstoff (D oder H) muon-katalysierte Fusion. Wie man geschätzt hat, ist die Fusionsquote für p-d (oder pd) muon-katalysierte Fusion ungefähr eine Million Male langsamer gewesen als die Fusionsquote für d-t muon-katalysierte Fusion.

Vom praktischeren Interesse schwerer Wasserstoff des schweren Wasserstoffs ist muon-katalysierte Fusion oft beobachtet und umfassend experimentell im großen Teil studiert worden, weil schwerer Wasserstoff bereits im Verhältnisüberfluss und wie Wasserstoff besteht, ist schwerer Wasserstoff überhaupt nicht radioaktiv (Tritium kommt selten natürlich vor, und ist mit einer Halbwertzeit von ungefähr 12.5 Jahren radioaktiv.)

Die Fusionsquote für d-d, wie man geschätzt hat, ist muon-katalysierte Fusion nur ungefähr 1 % der Fusionsquote für d-t muon-katalysierte Fusion gewesen, aber das gibt noch über eine d-d Kernfusion alle 10 bis 100 picoseconds oder so. Jedoch ist die Energie, die mit jedem d-d muon-katalysierte Fusionsreaktion veröffentlicht ist, ungefähr nur ungefähr 20 % der Energie, die mit jedem d-t muon-katalysierte Fusionsreaktion veröffentlicht ist. Außerdem hat das Katalysieren muon eine Wahrscheinlichkeit, bei mindestens einem der d-d muon-katalysierte Fusionsreaktionsprodukte dass Jackson in dieser 1957-Zeitung zu bleiben, die geschätzt ist, mindestens 10mal größer zu sein als die entsprechende Wahrscheinlichkeit des Katalysierens muon das Bleiben bei mindestens einem der d-t muon-katalysierte Fusionsreaktionsprodukte, dadurch den muon davon abhaltend, mehr Kernfusionen zu katalysieren. Effektiv bedeutet das, dass jeder muon, der d-d muon-katalysierte Fusionsreaktionen in reinem schwerem Wasserstoff katalysiert, nur im Stande ist, über ein Zehntel der Zahl von d-t muon-katalysierte Fusionsreaktionen zu katalysieren, die jeder muon im Stande ist, in einer Mischung von gleichen Beträgen von schwerem Wasserstoff und Tritium zu katalysieren, und jede d-d Fusion nur über einen fünften vom Ertrag jeder d-t Fusion trägt, dadurch die Aussichten für die nützliche Energieausgabe von d-d muon-katalysierte Fusion mindestens 50mal schlechter machend, als die bereits dunklen Aussichten für die nützliche Energieausgabe von d-t muon-katalysierte Fusion.

Potenzial "aneutronic" (oder wesentlich aneutronic) Kernfusionsmöglichkeiten, die im Wesentlichen auf keine Neutronen unter den Kernfusionsprodukten hinauslaufen, ist fast sicher der muon-katalysierten Fusion nicht sehr zugänglich. Das ist etwas enttäuschend, weil aneutronic Kernfusionsreaktionen normalerweise wesentlich nur energische beladene Partikeln erzeugen, deren Energie zur nützlicheren elektrischen Energie mit einer viel höheren Leistungsfähigkeit potenziell umgewandelt werden konnte, als mit der Konvertierung der Thermalenergie der Fall ist. Ein solcher im Wesentlichen aneutronic Kernfusionsreaktion schließt einen deuteron von schwerem Wasserstoff ein, der mit einem helion (h) von Helium 3 durchbrennt, der ein energisches Alphateilchen und ein viel energischeres Proton, beide positiv beladen (mit einigen Neutronen nachgibt, die aus unvermeidlichen d-d Kernfusionsseitenreaktionen kommen). Jedoch ist ein muon mit nur einer negativer elektrischer Anklage der Abschirmung beider positiven Anklagen eines helion von einer positiver Anklage eines deuteron unfähig. Die Chancen der notwendigen zwei muons, die gleichzeitig da sind, sind außergewöhnlich entfernt.

Referenzen

Siehe auch

• Kernfusion
• Steven E. Jones

Links

• Artikel und Präsentation auf diesem Thema
• Muon-katalysiertes Fusionsdiagramm