Як працює низькотемпературний ядерний синтез
Для реакції ядерного синтезу потрібні умови, виявлені в надрах зірок - високі температури й густини дозволяють ядрам водню і гелію зблизитися достатньо, щоб об'єднатися в більші ядра, вивільняючи велику кількість енергії, яка і живить зірку.
Якщо ви отримаєте схожі умови на Землі, то у вас буде воднева бомба.
Але ядерний синтез може відбуватися і при температурах набагато нижчих ніж в центрі Сонця, наприклад, при кімнатній температурі.
Я не маю на увазі горезвісний "холодний синтез" 1980-х, який не отримав підтвердження і, власне, не був ніяким синтезом.
Ні, я маю на увазі низькотемпературний ядерний синтез 1950-х, який дійсно працює.
І це синтез за допомогою мюонів.
Ядерний синтез відбувається, коли атомні ядра, на кшталт ядер ізотопів гідрогену, зближаються достатньо, щоб сильна ядерна взаємодія перемогла електричне відштовхування.
Тоді ці ядра зливаються, утворюючи одне масивніше ядро, наприклад, ядро гелію.
Зазвичай, це відбувається в плазмі, тобто в дуже гарячій суміші з електронів та атомних ядер, у якій при високій температурі два ядра мають достатньо енергії, щоб об'єднатися.
Але злиття в принципі може відбуватися й у звичайних молекулах, таких як молекула водню, у якій два ядра гідрогену розташовані відносно близько, маючи спільну пару електронів.
Ядра в молекулі не є жорстко розділеними, вони постійно коливаються і час від часу можуть в принципі достатньо зближатися, щоб отримати змогу об'єднатися.
Але з воднем, азотом, киснем, або майже з усіма іншими молекулами це трапляється надзвичайно рідко.
Саме тому наша атмосфера з величезною кількістю молекул не стає термоядерною бомбою.
Однак все змінюється, якщо замінити електрони частинками під назвою "мюони".
Мюон практично не відрізняється від електрона, за винятком маси, яка у 207 разів перевищує масу електрона.
Мюони, фактично будучи важкими електронами, утворюють атоми й молекули майже так само, як і електрони.
Але, оскільки вони масивніші, їхні орбіти розташовані набагато ближче до ядра ніж електронні за однакових енергій та моменту імпульсу.
Це означає, що атоми й молекули, що містять мюони замість електронів, приблизно у 200 разів менші за розмірами, а їхні ядра відповідно розташовані приблизно у 200 разів ближче.
І таке зближення ядер робить їх набагато більш схильними до злиття.
Настільки, що молекули водню з мюонами замість електронів можуть зливатися при температурах набагато нижчих ніж в ядрі Сонця, навіть при кімнатній температурі.
Це і було передбачено в 1947-му, а експериментально досягнуто у 1956 році.
Фізикам навіть вдалося здійснити мюонний каталіз ядерного синтезу при температурах близьких до абсолютного нуля.
Гаразд, ви, мабуть, запитуєте себе - якщо ядерний синтез за кімнатних температур існує, то чому ми не використовуємо його для живлення сучасної цивілізації?
Ну, хоча ядерний синтез з використанням мюонів цілком можливий при невисоких температурах, є деякі серйозні проблеми, які не дозволяють використовувати його як джерело енергії.
По-перше, мюони живуть недовго.
На відміну від електронів, які, ймовірно, мають нескінченну тривалість життя, мюони спонтанно розпадаються через 2 (дві) мікросекунди на електрон і нейтрино.
Якщо ви збираєтесь щось робити з мюонами, ви повинні зробити це дуже швидко.
Виявляється, це не має великого значення для сприяння синтезу.
У зв'язку з коротким часом життя мюонів, їх практично немає навколо.
Тож, якщо вам потрібно надійне джерело мюонів, вам доведеться використовувати високоенергетичний прискорювач частинок, який споживає багато енергії на один мюон.
В найкращому випадку приблизно 5 ГеВ (гігаелектронвольт), що в 50 разів більше енергії спокою МС2 самого мюона.
На щастя, вам не потрібні мюони для кожної пари ядер водню, яку ви хочете задіяти в синтезі, тому що після пари ядер, що об'єдналися в ядро гелію, мюон може перейти до іншого атома гідрогену і таким чином допомогти іншим ядрам у молекулах прореагувати.
Окрім випадку коли мюон прилипає до щойно синтезованого атома гелію, утворюючи мезоатом гелію і більше не може сприяти подальшому синтезу.
Це означає, що кожен мюон встигає поліпшити злиття, в середньому, лише 150 ядер, перш ніж буде захоплений гелієм.
А оскільки кожне злиття ядер гідрогену вивільняє близько 18 МеВ (мегаелектронвольт) енергії, за 150 таких подій мюон сприяє виділенню 2700 МеВ, або 2,7 ГеВ енергії.
А це означає, що, на жаль, такий процес енергетично невигідний.
Пам'ятаєте, нам потрібно приблизно 5 ГеВ для утворення одного мюона, а кожен мюон лиш близько двох з половиною гігалектронвольт енергії, перш ніж буде захоплений ядром гелію.
Тобто мюонний каталіз в підсумку є споживачем, а не джерелом енергії.
І це найкращий можливий випадок із сучасними технологіями.
Поки що ми програємо двічі й про жодний виграш енергії поки не йде мова.
Адже мюонний каталіз не може покрити навіть затрачену на нього енергію.
До того ж нам потрібна набагато вища ефективність, щоб зробити функціонування такої електростанції економічно вигідним.
Практично, єдина надія на мюонний каталіз ядерних реакцій полягає в тому, щоб зрозуміти, як зробити виробництво мюонів менш енергозатратним, або з'ясувати, як зменшити коефіцієнт їхнього прилипання до ядер гелію, або ж знайти спосіб відокремлення мюона від мезоатома гелію.
І всі ці виклики насправді є дуже складними через фундаментальні фізичні властивості мюонів та ядер.
І саме через це ми досягли незначного прогресу за 70 років досліджень.
Підсумуємо: мюонний каталіз ядерних реакцій існує і це захоплива наука, але не варто сподіватися, що найближчим часом він зможе стати основою енергетики.
