1. Холодний ядерний синтез

Мюони, частинки, багато в чому подібні до електронів, можуть каталізувати ядерні реакції синтезу, тим самим усуваючи необхідність в потужних лазерах і високотемпературній плазмі. Не виключено, що цей процес колись буде використаний для виробництва енергії.

Згадка про ядерний синтез, як правило, викликає асоціації з величезними магнітами, потужними лазерами і розпеченій до сонячних температур плазмою. Все це створює ті екстремальні умови, в яких відбуваються реакції синтезу – злиття пар ядер водню з утворенням гелію і виділенням значної енергії, яку можна перетворити в електроенергію. Зовнішні прояви менш відомого, але, можливо, більш перспективного процесу синтезу, названого «мюонним каталізом» зовсім інші: для нього зовсім не потрібні високі температури.

Мюонний каталіз або холодний ядерний синтез, може відбуватися при кімнатних температурах в звичайній камері, що містить певні види атомів водню – дейтерій і тритій. Негативно заряджені мюони вводять в камеру, де вони утворюють тісно пов'язану систему з ядрами деяких атомів водню. Пов'язані мюонами ядра водню потім зливаються, а мюон вивільняється і тому може каталізувати наступні реакції синтезу. Решта атомів водню в процесі не приймають участі, лише трохи підвищується температура всього газу. Теплова енергія, що виділяється при холодному ядерному синтезі може обертатися турбіни, що перетворюють її в електроенергію.

Холодний ядерний синтез не обмежений кімнатними температурами. Він іде в рідкому і твердому водні при температурах до 13 К і в газоподібному – до температур 530 °С. Дослідження показали, що найбільш ефективним процес буде при температурі близько 900 °С.

Об'єкти, що лежать в основі мюонного каталізу, – мюони – це елементарні частинки з малим часом життя. У природних умовах вони зустрічаються у вторинних космічних променях, що виникають при зіткненнях первинних космічних променів з ядрами атомів у верхніх шарах атмосфери. Мюони можна отримувати штучним шляхом, спрямовуючи пучок прискорених іонів (електрично заряджених атомів) на мішень із звичайної речовини, наприклад вуглецю. У зіткненнях з ядрами атомів мішені виникають частинки, під назвою піони, які швидко розпадаються, утворюючи мюони. Це дуже нагадує процес, що відбувається у верхніх шарах атмосфери при бомбардуванні її космічними променями.

Мюони можуть бути позитивно або негативно зарядженими. Негативний мюон за своїми властивостями дуже нагадує електрон з тією лише різницею, що він приблизно у 207 разів важчий. Саме велика маса мюона дає йому можливість каталізувати ядерні реакції синтезу.

Поки що неможливо створити реактор холодного синтезу, який виробляв би більше енергії, ніж до нього підводиться. Основною перешкодою є короткий час життя мюона, який розпадається в середньому через 2 мкс після народження. За своє недовге життя кожен мюон повинен встигнути каталізувати стільки реакцій синтезу, щоб можна було відшкодувати енергетичні витрати прискорювача, що виробляє мюони.

Можливість холодного ядерного синтезу була теоретично обгрунтована Ф. Франком і А. Д. Сахаровим в кінці 40-х років. Експериментально він був випадково виявлений через 10 років після цього. Л. Альварес з колегами з Каліфорнійського університету в Берклі, аналізуючи результати своїх експериментів (які не мали прямого відношення до мюонного каталізу), виявив незвичайні треки на фотопластинках, які фіксували процеси в бульбашковій камері. Дослідники з Берклі не знали робіт Франка і Сахарова, але за допомогою Е. Теллера прийшли до висновку, що незвичайні треки на фотопластинці належать продуктам реакції синтезу, каталізованих мюонами.

Спочатку відкриття викликало буквально вибух ентузіазму. На жаль, згодом розрахунки показали, що реакції, які він спостерігав, були занадто повільні, щоб їх можна було використовувати для виробництва енергії: мюонам до розпаду в середньому ледве вистачало часу для каталізу однієї реакції синтезу; при цьому виділялося дуже мало енергії, щоб забезпечити каталіз наступних реакцій синтезу. Більшість дослідників зосередили свою увагу на інших методах здійснення керованого синтезу.

Проте дехто все-таки продовжували досліджувати мюонний каталіз. Було знайдено, що каталіз реакцій синтезу може відбуватися не тільки в процесі, який було виявлено спочатку. Вчені з групи Альвареса спостерігали реакції синтезу між дейтерієм і звичайним воднем, однак стало ясно, що мюонний каталіз реакцій синтезу ядер дейтерію і тритію може протікати набагато швидше. В. П. Джелепов і його співробітники з Об'єднаного інституту ядерних досліджень (Дубна, СРСР) експериментально дослідили, що швидкість такого про процесу сильно залежить від температури, причому при високих температурах кожен мюон може каталізувати набагато більше реакцій синтезу.

Ядро атома звичайного водню складається всього з одного протона: важкої позитивно зарядженої частинки. У ядрі атома дейтерію крім протона присутній пов'язаний з ним нейтрон, який дещо важчий за протон і не має електричного заряду. Ядро тритію складається з протона і двох нейтронів. Навколо всіх цих ядер обертається електрон (який негативно заряджений).

Як і звичайні атоми водню, атоми дейтерію і тритію об'єднуються попарно, утворюючи молекулу. У кожній молекулі позитивно заряджені ядра пов'язані електронами, що утворюють єдину електронну «хмару». У суміші дейтерію і тритію деякі молекули складаються з двох атомів дейтерію, інші – з двох атомів тритію, але є й такі, в яких атом дейтерію об'єднаний з атомом тритію. Ядра атомів в таких молекулах знаходяться на відносно великих відстанях один від одного; вона приблизно у 30 тис. разів більша від радіусу самих ядер.

Негативно заряджений мюон, що рухається з великою швидкістю в суміші дейтерію і тритію, сповільнюється в результаті зіткнень з електронами в молекулах. В результаті таких зіткнень електрони зазвичай вибиваються з молекул. Незабаром мюон настільки сповільнюється, що, витісняючи електрон, може бути сам захоплений на орбіту, подібну до електронної. Однак майже миттєво він перескакує на орбіту, ближчу до одного з ядер в молекулі.

Саме через свою велику масу мюон може обертатися так близько до ядра. Зазвичай негативно заряджені частинки, такі, як електрони або мюони, можуть перебувати тільки на цілком певних орбітах навколо ядер. За законами атомної фізики розмір найменшої орбіти частинки обернено пропорційний її масі. Оскільки мюон у 200 разів важчий за електрон, він займає орбіту, яка у 200 разів ближче до ядра, ніж електронна.

Коли мюон потрапляє на таку орбіту, молекула, яку він «окупував», розвалюється; при цьому вивільняється мезоатом (мюон з ядром, навколо якого він обертається), який рухається з невеликою швидкістю. Ядром в мезоатомів може бути ядро ​​дейтерію або тритію. Оскільки ядро ​​тритію важче, воно може зв'язати мюон сильніше, ніж ядро ​​дейтерію. З цієї причини мюони, які спочатку були зв'язані з ядрами дейтерію, в результаті подальших зіткнень перехоплюються ядрами тритію. Можна створити такі умови, що всі ці події, які призводять до утворення мезоатомів тритію, відбуватимуться за час, що дорівнює приблизно 1/1000 часу життя мюона.

Процеси, що відбуваються на початкових стадіях мюонного каталізу, протікають за законами атомної фізики. Подальший ланцюг подій розвивається за законами молекулярної фізики.

Мезоатом тритію являє собою малий, електрично нейтральний об'єкт, який вільно «бродить» в газоподібній суміші дейтерію і тритію, легко проникаючи в електронні хмари молекул газу. Коли мезоатом підходить до ядра дейтерію в звичайній молекулі, він може утворити з ним так званий мезомолекулярний іон. У мезомолекулярному іоні мюон об'єднує два ядра (в даному випадку – ядра дейтерію і тритію) таким же чином, як електрони пов'язують ядра у звичайній молекулі. Однак мюон може «підтягти» ядра набагато ближче один до одного, ніж електрон, так як він набагато важчий від електрона. Відстань між ядрами в мезомолекулі, як правило, приблизно у 200 разів менша, ніж у звичайній молекулі.

Невеликий мезомолекулярний іон може «гніздитися» у звичайній молекулі. Оскільки мезомолекулярний іон в цілому позитивно заряджений (він містить два позитивно заряджених протона і тільки один негативно заряджений мюон), він займає місце одного з позитивно заряджених ядер у звичайній молекулі. В результаті мезомолекулярний іон виявляється пов'язаним з одним з решти ядер дейтерію або тритію за допомогою електронів точно так само, як два ядра в мезомолекулярному іоні зв’язані між собою мюоном.

Швидкість утворення мезомолекулярного іона є однією з ключових характеристик, що визначають кількість реакцій холодного ядерного синтезу, які може каталізувати мюон. При цьому велику роль відіграє молекула, в якій міститься мезомолекулярний іон.

Протягом багатьох років вважалося, що утворення мезомолекулярного іона – повільний процес. Причина цього - енергія зв'язку мезомолекулярного іона, тобто кількість енергії, яку пара ядер повинна віддати при утворенні мезомолекулярного іона (або кількість енергії, яку потрібно підвести до ядер, щоб вони роз'єдналися).

Однак існує набагато більш швидкий механізм. Молекула, яка «прихистила» у себе мезомолекулярний іон, може здійснювати коливання. Коливальні стани (рівні) молекули квантовані: дозволені тільки певні значення енергії коливань. Енергія зв'язку мезомолекулярного іона в слабко зв’язаному стані злегка відрізняється від енергії коливального рівня великої молекули. Мезоатом і ядро ​​дейтерію можуть заповнити цей дефіцит енергії за рахунок власної кінетичної енергії, яку вони мають до зіткнення, що перетворює їх в мезомолекулярний іон. Відповідну кінетичну енергію частинок, що стикаються можна підібрати, регулюючи температуру газу.

Таким чином, згідно резонансної моделі, температура газу повинна істотно впливати на швидкість утворення мезомолекулярних іонів.

Перевірка передбачень резонансної моделі показала, що швидкість мюонного каталізу реакцій холодного ядерного синтезу дійсно залежить від температури відповідно до висновків теоретиків. Встановлено, що повна швидкість реакцій вища, ніж передбачала теорія; в одному випадку отримали 150 реакцій на мюон, причому це далеко не межа. Ці захоплюючі відкриття ще більш підігріли інтерес до мюонного каталізу.

Історія показує, що результати піонерських досліджень використовують зазвичай через одне-два покоління. Фізика екзотичних частинок увійшла зараз в таку фазу, коли з'являються можливості практичного застосування. Холодний ядерний синтез прекрасний тому приклад.

Крім можливих практичних застосувань дослідження мюонного каталізу зачіпають багато областей сучасної фізики. Процеси, які відбуваються при мюонному каталізі, підкоряються законам молекулярної, атомної, ядерної фізики, а також фізики елементарних частинок. Дослідження мюонного каталізу вимагає вмілого поєднання підходів, властивих цим різним областям науки, і одночасно поглиблює наші знання в кожній з них.