Мюонный катализ и холодный ядерный синтез

Мюонный катализ и холодный ядерный синтез

Сам термин "мюонный катализ" введён Сахаровым в закрытом отчёте "Пассивные мезоны" 1948 г., рассекреченном в 1990 г. и впервые опубликованном в Собрании трудов (сноска 7). Дальнейшая разработка Сахаровым этой темы — в совместной с Я.Б. Зельдовичем работе "О реакциях, вызываемых мю-мезонами в атоме водорода" (ЖЭТФ 32 (4), с. 947—949, 1957 г.).

Как уже говорилось, слияние (синтез) положительно заряженных ядер лёгких элементов дейтерия и трития с выделением при этом ядерной энергии затруднено кулоновским отталкиванием электрически одноимённо заряженных ядер. В свою очередь, атомы водорода и его изотопов нейтральны и с лёгкостью сближаются до расстояний, равных размеру орбиты электрона, которая в сто тысяч раз больше размера ядра. Дальнейшее сближение ядер — внутри атома, где уже нет экранирующего поля отрицательно заряженного электрона, оказывается в обычных условиях невозможным, поэтому моря и океаны не взрываются, и Земля не становится маленьким Солнцем (необычные условия, влекущие термоядерный синтез, когда ядра сближаются благодаря их тепловой кинетической энергии, удалось искусственно создать в водородной бомбе и делаются попытки создать их в "Токамаках" — см. выше).

Мю-мезон — частица во всём аналогичная электрону, но с массой в 207 раз больше и быстро распадающаяся, её время жизни одна миллионная доля секунды. Однако за свою недолгую жизнь она может успеть соединиться с протоном или его изотопом и образовать нейтральный атом (мезоатом), подобный водороду, но размером в 207 раз меньше водорода. Соответственно во столько же раз уменьшается расстояние, на которое, не испытывая кулоновского отталкивания, может приблизиться к положительно заряженному ядру мезоатома внешнее положительно заряженное ядро. Дальнейшее слияние ядер с выделением энергии происходит благодаря эффекту квантового туннелирования через кулоновский барьер.

Таким образом можно в принципе осуществить ядерный синтез при комнатной температуре, т.е. без разогрева дейтериево-тритиевой смеси. Идея невероятно простая, её практическое выражение состоит в том, что запуская пучок мю-мезонов в смесь изотопов водорода, можно получить реакцию ядерного синтеза с выделением полезной энергии. Как пишет Сахаров в своих "Воспоминаниях", вероятно, именно по причине написания этого Отчёта 1948 года его тогда включили в группу И.Е. Тамма по разработке водородной бомбы.

Этот Отчёт специалисты справедливо называют легендарным, в нём Сахаров предвосхитил развитие целой области физики. Первое о нём упоминание — в указанной выше совместной работе Сахарова и Зельдовича 1957 года. В комментариях к этим работам Сахарова, говоря об истории вопроса и его состоянии на момент середины 1990-х годов, С.С. Герштейн и Л.И. Пономарёв отмечают:

В настоящее время проблему мю-катализа изучают в 50 различных лабораториях в 15 странах мира, предложены различные варианты гибридных мюонно-каталитических реакторов. Эти исследования составляют важную часть всех работ, проводимых на мезонных фабриках в Швейцарии, Лос-Аламосе, Ванкувере, Японии и в других центрах (ОИЯИ, ЛИЯФ, Резерфордовская лаборатория в Англии и т.д.). Систематически проводятся международные конференции по этой проблеме, издаётся специализированный международный журнал "Мюонный катализ".[29]

Суммируя: достижение реального результата, как это в жизни зачастую и бывает, оказалось не так просто, реализация термоядерного синтеза с помощью мю-катализа встретила много трудностей. Главная проблема в малом времени жизни мю-мезона и в трудности получения достаточно интенсивного пучка мю-мезонов. Самым перспективным считается направление, объединяющее инициированный мю-мезонами синтез изотопов водорода с механизмом бридинга. Сахаров пишет в "Воспоминаниях", что идею ядерного бридинга, когда нейтроны — продукты реакции деления тяжёлых элементов сами производят делящиеся изотопы урана и плутония, он изложил в секретном отчёте 1951 года.