뮤온 촉매 융합

Muon-catalyzed fusion

뮤온 촉매 융합(μCF로 줄임말)은 상온 이하에서도 열핵융합에 필요한 온도보다 상당히 낮은 온도에서 핵융합을 수행할 수 있도록 하는 과정이다.그것은 핵융합 반응을 촉매하는 몇 안 되는 알려진 방법 중 하나이다.

뮤온은 불안정한 아원자 입자로 전자와 비슷하지만 207배 더 무겁다.만약 뮤온이 수소 분자의 전자 중 하나를 대체한다면, 원자핵은 결과적으로 일반 분자보다 196배 가까이 끌어당겨진다[1][2]. 왜냐하면 줄어든 질량은 전자의 196배이기 때문이다.핵이 서로 더 가까이 움직이면 핵융합 확률이 높아져 상온에서 상당한 수의 핵융합 사건이 발생할 수 있습니다.

그러나 뮤온을 얻는 방법은 결과적인 핵융합 반응에 의해 만들어질 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 한다.뮤온은 불안정한 성질 때문에 빠르게 부패하여 유용하게 보관할 수 없습니다.

유용한 실온 뮤온 촉매 융합을 만들기 위해 원자로는 값싸고 효율적인 뮤온 선원 및/또는 개별 뮤온이 더 많은 핵융합 반응을 촉매할 수 있는 방법이 필요하다.레이저 구동 뮤온 소스는 가능한 접근법 [citation needed]중 하나입니다.

역사

안드레이 사하로프와 FC 프랭크는[3] 1950년 이전에 이론적인 근거에서 뮤온 촉매 융합 현상을 예측했다.야코프 보리소비치 젤도비치는[4] 1954년 뮤온 촉매 핵융합 현상에 대해서도 썼다.루이스 W. Alvarez [5]등은 1956년 버클리 소재 수소 기포 챔버에서 발생한 뮤온 실험의 결과를 분석할 때 발열성 p-d, 양성자 및 중수소의 뮤온 촉매, 핵융합으로 헬리온, 감마선 및 약 5.5MeV의 에너지 방출을 관찰했다.특히 알바레즈의 실험 결과는 존 데이비드 잭슨이 1957년 그의 획기적인 [6]논문에서 뮤온 촉매 핵융합에 대한 최초의 포괄적인 이론 연구 중 하나를 발표하도록 자극했다.이 논문은 뮤온 촉매 융합에서 유용한 에너지 방출에 대한 최초의 심각한 추측을 포함했다.잭슨은 "알파 고착 문제" (아래 참조)가 해결되지 않으면 에너지원으로서 실용적이지 않을 것이라고 결론내렸고, [6]잠재적으로 촉매 뮤온을 에너지적으로 저렴하고 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 찾을 수 있었다.

전원으로서의 실행 가능성

잠재적인 이점

뮤온 촉매 d-t 핵융합이 실질적으로 실현된다면, 뮤온 촉매 d-t 핵융합은 (대부분의 다른 유형의 핵융합과 마찬가지로) 유해한(그리고 수명이 훨씬 짧은) 방사성 [citation needed]폐기물을 생성하기 때문에 기존의 핵분열 원자로보다 훨씬 더 매력적인 발전 방법이 될 것이다.

뮤온 촉매 d-t 핵융합에서 생성된 많은 중성자는 비옥한 물질로부터 핵분열성 연료를 번식시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 토륨-232는 이러한 [note 1][citation needed]방식으로 우라늄-233을 번식시킬 수 있다.는 사육되고 있는 핵 분열성 연료는 기존의 초임계의 핵 분열 원자로 또는 틀에 얽매이지 않는 미임 계상태로 핵 분열 반응기에서" 하고" 수 있는, 예를 들면, 원자로 핵 폐기물, 또는 원자로가 에너지 증폭기 개념 카를로 루비아와 다른 사람들에 의해 고안된를 사용하여 처리하기 위해 핵 변환을 사용하여.[표창 필요한]

뮤온 촉매 융합의 또 다른 장점은 핵융합 과정이 삼중수소 없이 순수 중수소 가스로 시작될 수 있다는 것이다.ITER 또는 웬델슈타인 X7과 같은 플라즈마 핵융합로는 시작하기 위해 삼중수소가 필요하고 삼중수소 공장도 필요하다.뮤온 촉매 융합은 작동 중인 삼중수소를 생성하고 중수소:삼중수소비가 약 1:1에 도달하면 최적의 지점까지 작동 효율을 증가시킨다.뮤온 촉매 융합은 삼중수소 공장으로 작동할 수 있고 물질 및 혈장 융합 연구를 위해 삼중수소를 공급할 수 있다.

실용적 이용에 직면한 문제

1957년 잭슨이 뮤온 촉매 핵융합 가능성을 평가한 이후 몇 가지 개선 사항을 제외하면 이후 실험적으로 관찰된 뮤온(d-μ-t)+ 분자 이온의 극미세 공명 형성에 대한 1967년 베스만의 예측 외에는 거의 변하지 않았다.이는 뮤온 촉매 융합의 전 분야에 대한 새로운 관심을 불러일으켰고, 이는 전 세계적으로 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있다.그러나 잭슨이 논문에서 관찰한 바와 같이 뮤온 촉매 융합은 "유용한 전력 생산"을 제공하기 위해 "비슷하게" 사용된다.에너지적으로 더 저렴한 μ-메손−[note 2] 생산 방법을 찾을 [6]수 없다면 말이다."

뮤온 촉매 융합 과정의 실질적인 문제 중 하나는 뮤온이 불안정하여 (휴면 프레임에서) [7]2.2μs로 붕괴된다는 것입니다.따라서 뮤온을 생산하는 값싼 방법이 필요하며, 뮤온은 붕괴되기 전에 가능한 한 많은 핵융합 반응을 촉매하도록 배치되어야 한다.

또 다른, 그리고 많은 면에서 더 심각한 문제는 잭슨이 1957년 [6][note 3]논문에서 인정한 "알파 고착" 문제이다.α-고착 문제는 중수소-삼중수소 핵융합에서 발생하는 알파 입자에 뮤온이 "고착"할 확률이 약 1%이므로 뮤온 촉매 과정에서 뮤온을 효과적으로 제거한다.뮤온이 절대적으로 안정적이라 하더라도, 각각의 뮤온은 알파 입자를 고수하기 전에 평균 약 100 d-t 융합을 촉매할 수 있다. 이는 손익분기점에 필요한 뮤온 촉매 d-t 융합의 개수의 약 1/5에 불과하다. 여기서 뮤온을 생산하기 위해 전기 에너지가 소비되는 만큼 많은 열 에너지가 발생한다.잭슨의 대략적인 [6]견적에 따르면.

보다 최근의 측정에서는 α-고착 확률이 약 0.3%에서 0.5%인 것을 발견함으로써 α-고착 확률에 대한 보다 고무적인 값을 나타내는 것으로 보인다. 이는 [8]뮤온당 약 200개(최대 350개까지)의 뮤온 촉매 d-t 융합을 의미할 수 있다.실제로 Steven E. Jones가 이끄는 팀은 Los Alamos Meson Physical [9]Facility에서 뮤온당 150 d-t 융합(평균)을 달성했다.그 결과는 유망했고 거의 이론적으로 손익분기점에 도달하기에 충분했다.불행히도 뮤온당 뮤온 촉매 d-t 퓨전 수에 대한 이러한 측정은 여전히 산업 손익분기점에 도달하기에 충분하지 않다.손익분기에도 열에너지에서 전기에너지로의 변환효율이 약 40%에 불과해 생존가능성이 더욱 제한된다.뮤온당 전기 "에너지 비용"의 가장 최근의 추정치는 (공교롭게도) 전력 그리드에서 중수소의 가속으로 전기 에너지를 변환하는 데 약 40% 효율적인 가속기와 함께 약 6 GeV이다.

2012년 현재, 이 방법을 통해 에너지를 생산하는 실용적인 방법은 발표되지 않았지만, 홀 효과를 사용한 일부 발견은 [10][failed verification]유망하다.

손익분기점 대체추정

Argonne National Laboratory의 물리학자 Gordon Pusch에 따르면 뮤온 촉매 융합에 대한 다양한 브레이크벤 계산에서는 뮤온 빔 자체가 [11]표적에 축적하는 열에너지를 생략한다.이 요인을 고려함으로써 뮤온 촉매 융합은 이미 브레이크벤을 초과할 수 있지만, 일반적으로 전기 그리드에 대한 전력 공급에 비해 재순환 전력이 매우 큽니다(추정에 따르면 약 3~5배).이러한 다소 높은 재순환 전력에도 불구하고 전체 사이클 효율은 기존 핵분열 원자로와 견줄 수 있다. 그러나 그리드에 연결된 각 메가와트당 4-6 MW의 전기 발전 용량이 필요한 것은 아마도 허용할 수 없을 정도로 큰 자본 투자를 나타낸다.푸쉬는 음의 뮤온의 수를 최적화하기 위해 목표 손실을 제거하고 운전자 빔으로 삼중수소 핵을 사용하여 뮤온 생산 효율성을 크게 증가시키기 위해 보그단 마그리히의 "이동" 자가 충돌 빔 개념을 사용할 것을 제안했다.

2021년 Kelly, Hart 및 Rose는 음의 파이온(및 음의 뮤온 붕괴를 통한 음의 뮤온)을 생성하는 데 사용되는 가속 중수소의 운동 에너지에 대해 생성되는 열 에너지의 비율 Q를 최적화하는 μCF 모델을 생산했다.이 모델에서는 이전 단락에서 Gordon Pusch가 제안한 바와 같이, 들어오는 중수소와 중수소 빔이 텅스텐 표적에 충돌하여 생성된 입자의 열에너지를 가능한 한 회수했다.또한, 1988년 [13]옌델, 다노스, 라펠스키가 제안한 것처럼 리튬 납 껍질에서 삼중수소 육종으로 인한 열에너지가 다시 회수되었다.생성된 뮤온의 50%가 실제로 융접촉매에 사용되었다고 가정할 때 최적의 Q 값은 약 130%로 나타났다.또한 가속기가 전기 에너지를 중수소 운동 에너지로 변환하는 데 18%의 효율과 열에너지를 60%의 전력 에너지로 변환하는 데 있어 현재 μCF 원자로에서 생산될 수 있는 전기 에너지의 양은 소비되는 전기 에너지의 14%가 될 것으로 추정한다.이를 개선하기 위해서는 a) 가속기 효율 증가 및 b) 음의 뮤온당 핵융합 반응 횟수를 가정 수준인 150 이상으로 증가시키는 조합이 필요하다.

과정

이러한 효과를 만들기 위해, 붕괴 파이온에 의해 생성되는 음의 뮤온의 흐름이 세 개의 수소 동위원소(프로튬, 중수소, 삼중수소)로 구성될 수 있는 블록으로 보내진다. 이 블록은 보통 동결되며, 블록은 약 3 켈빈(-270도)의 온도에 있을 수 있다.뮤온은 수소 동위원소 중 하나에서 전자를 충돌시킬 수 있다.전자보다 207배 더 큰 뮤온은 효과적으로 두 핵 사이의 전자파 반발을 차단하고 감소시키며 전자보다 훨씬 더 가까운 공유 결합으로 끌어당긴다.원자핵이 매우 가깝기 때문에 강력한 핵력은 두 원자핵을 결합시킬 수 있다.이들은 융합하고 촉매 뮤온을 방출하며(대부분), 두 핵의 원래 질량의 일부는 다른 유형의 핵융합과 마찬가지로 에너지 입자로 방출됩니다.반응을 지속하기 위해서는 촉매 뮤온의 방출이 매우 중요합니다.뮤온의 대부분은 다른 수소 동위원소와 계속 결합하고 핵을 함께 융합한다.그러나 모든 뮤온이 재활용되는 것은 아닙니다. 일부 뮤온은 핵융합 후 방출되는 다른 잔해(예: 알파 입자 및 헬리온)와 결합되어 촉매 작용에서 뮤온을 제거합니다.이것은 핵이 결합할 수 있는 뮤온이 점점 적어짐에 따라 반응을 점차 억제한다.실험실에서 달성한 반응의 수는 뮤온당 최대 150d-t 퓨전(평균)이 될 수 있습니다.

중수소-삼중수소(d-t 또는 dt)

가장 관심 있는 뮤온 촉매 융합에서 양전하 듀테론(d), 양전하 트리톤(t) 및 뮤온은 기본적으로 양전하 뮤온 분자 중수소 이온(d-μ-t)+을 형성한다.전자의 [7]나머지 질량보다 207배 큰 정지 질량을 가진 뮤온은 대응하는 전자(d-e-t)+ 분자 이온의 전자보다 뮤닉(d-μ-t)+ 분자 이온에서 207배 더 질량이 큰 트리톤과 중수소를 서로[1] 끌어당길 수 있다.전자 분자 이온에서 삼중수소와 중수소의 평균 간격은 약 1앙스트롬(100pm)[6][note 4]이므로 뮤온 분자 이온에서 삼중수소와 중수소의 평균 간격은 [note 5]그보다 207배 작다.강력한 핵력으로 인해 뮤온 분자 이온의 삼중수소와 중수소가 주기적인 진동 운동 동안 서로 더 가까워질 때마다, 양전하 삼중수소와 양전하 중수소가 반발력을 통해 양자 터널링을 겪을 확률이 매우 크게 향상된다.쿨롱 장벽이 그들을 갈라놓게 하는 거야실제로 양자 역학적 터널링 확률은 삼중수소와 중수소의 평균 분리에 따라 거의 기하급수적으로 달라지며, 뮤온 분자 이온이 [6]형성되면 단일 뮤온이 약 0.5피코초 이내에 d-t 핵융합을 촉매할 수 있다.

뮤온 분자 이온의 형성 시간은 예를 [6]들어 액체 분자 중수소와 삼중수소 혼합물(D2, DT, T2)에서 최대 10,000초 이상의 피코초까지 쉽게 걸릴 수 있는 뮤온 촉매 융합의 "속도 제한 단계" 중 하나이다.따라서 각 촉매 뮤온은 휴지 프레임에서 측정된 2.2마이크로초의 [7]일시적인 존재의 대부분을 결합할 적절한 듀테론 및 삼중수소를 찾기 위해 돌아다닌다.

뮤온 촉매 융합을 보는 또 다른 방법은 듀테론 또는 삼중수소 주변의 뮤온의 지상 상태 궤도를 시각화하는 것이다.뮤온이 처음에 듀테론 주위의 궤도에 떨어졌다고 가정하자. 듀테론과 삼중수소의 수가 거의 동일할 경우 듀테론 주위로 떨어질 확률이 약 50%이며, 상대적으로 크기가 작기 때문에 전기적으로 중성 뮤오닉 중수소 원자(d-μ)0를 형성한다.전기 중성 전자 중수소 원자(d-e)0보다 207배 작고, 중수소의 양성자 양전하의 뮤온에 의한 매우 효과적인 "중수소"까지이다.그럼에도 불구하고 뮤온은 뮤온 분자 이온을 형성하는 것보다 뮤온 중수소에 충분히 가까운 트리톤으로 전달될 가능성이 훨씬 더 높습니다.그 전기적으로 중립 뮤입자 삼중 수소 원자(t-μ)0 형성된 어느 정도는 심지어"점점 살이 찌고, 무거운 중성자,"와 같지만 그것은 대부분이 그것의 뮤온에 마침내 한뮤입자 분자 이온을 형성하는은 초미세 분자 상태의 낭랑한 형성으로 인해 전체 중수소 분자 D2(d=e2=d)내에서 뮤입자.로 붙잡을 것이다l1967년 [14]에스토니아 대학원생 베스만이 예측한 "뚱뚱하고 무거운" 중성 "뮤오닉/전자" 분자([d-μ-t]=e2=d)의 "더 뚱뚱하고 무거운 핵" 역할을 하는 생태 이온.

일단 뮤입자 분자 이온 상태가 구성되 트리톤의 양성자와에서 중양자의 양성자의 양전하의 뮤온이 실드는 트리톤, 중양자. 그 뮤온은 d-t muon-catalyzed 핵 융합 reactio 살아남는 nanosecond[15]의 명령의 기간 동안은 쿨롱 장벽 사이로 터널을 뚫어얄 수 있습니다.nd는 추가적인 d-t 뮤온 촉매 핵융합을 촉매하는 데 사용 가능한 상태로 남아 있다.각 발열성 d-t 핵융합은 약 14.1 MeV의 운동 에너지를 가진 "매우 빠른" 중성자와 약 3.5 MeV의 [6]운동 에너지를 가진 알파 입자 α(헬륨-4 핵)의 형태로 약 17.6 MeV의 에너지를 방출한다.반응실을 둘러싼 적절한 "블랭킷"에서 고속 중성자를 감속시킴으로써 추가적인 4.8MeV를 수집할 수 있으며, 일부에 의해 "리튬"으로 알려진 핵이 열 중성자를 쉽고 발열적으로 흡수하여 리튬-6이 알파 입자와 [note 6]삼중수소로 변환된다.

중수소 및 기타 유형

L.W. Alvarez [5]등에 의해 실험적으로 관찰된 뮤온 촉매 융합의 첫 번째 종류는 프로튬(H 또는1 H)과 중수소(D 또는2 H) 뮤온 촉매 융합이었다.p-d(또는 pd) 뮤온 촉매 융합 속도는 d-t 뮤온 촉매 [6][note 7]융합 속도보다 약 백만 배 느린 것으로 추정되었다.

보다 실용적인 관심사로, 중수소와 중수소의 뮤온 촉매 융합은 자주 관찰되고 실험적으로 광범위하게 연구되어 왔다. 왜냐하면 중수소는 이미 비교적 풍부하게 존재하고 수소와 마찬가지로 방사능이 전혀 없기 때문이다. (삼중수소는 자연적으로 거의 발생하지 않으며 반감기가 약 12.5y인 방사능이다.)귀)[7]

d-d 뮤온 촉매 융합의 융접 속도는 d-t 뮤온 촉매 융합의 융접 속도의 약 1%에 불과한 것으로 추정되었지만, 이는 여전히 10~[6]100 피코초마다 약 1개의 d-핵융합을 제공한다.그러나 모든 d-d 뮤온 촉매 융합 반응에서 방출되는 에너지는 모든 d-t 뮤온 촉매 융합 [6]반응에서 방출되는 에너지의 약 20%에 불과하다.게다가 catalyzing 뮤온 적어도 하나의 잭슨 이 1957년 paper[6]에 적어도 10배catalyzing 뮤온의 해당하는 확률보다 더 큰 적어도 하나가 d-tmuon-catalyzed 융합 반응 생성물의 추정은 d-dmuon-catalyzed 융합 반응 생성물 올려 pre에 집착한 가능성이.v뮤온이 핵융합을 더 이상 촉매하지 못하도록 유도하는 거죠사실상, 이는 순수 중수소에서 d-d 뮤온 촉매 핵융합 반응을 촉매하는 각 뮤온이 동일한 양의 중수소와 삼중수소의 혼합물에서 촉매할 수 있는 d-t 뮤온 촉매 핵융합 반응의 약 10분의 1만 촉매할 수 있으며, 각 d-d 핵융합은 수율의 약 5분의 1만 산출한다는 것을 의미한다.따라서 d-d 뮤온 촉매 핵융합에서 유용한 에너지 방출 전망을 d-t 뮤온 촉매 핵융합에서 유용한 에너지 방출의 이미 희미한 전망보다 최소 50배 더 나쁘게 만든다.

핵융합 생성물 중 기본적으로 중성자가 없는 잠재적 "무중성자"(또는 실질적으로 무중성자) 핵융합 가능성은 뮤온 촉매 [6]핵융합에 매우 순응하지 않는다.그러한 본질적인 비중성자 핵융합 반응에는 헬륨-3의 헬리온(He+2)과 융합하는 중수소의 중수소가 포함된다. 헬륨-3의 헬리온(He)은 양전하를 띠며, 양전하를 띤 양성자를 생성한다(불가피한 d-d 핵융합 부작용에서 나오는 중성자 몇 개 있음).단, 음전하가 1개뿐인 뮤온은 중수소의 양전하로부터 헬리온의 양전하를 모두 보호할 수 없다.필요한 두 개의 뮤온이 동시에 존재할 가능성은 매우 희박하다.

인컬쳐

"콜드 핵융합"이라는 용어는 1956년 뉴욕 타임즈 기사에서 루이스 W에 대한 뮤온 촉매 핵융합에 대해 언급하기 위해 만들어졌다. 알바레즈 [16]신문이요

1957년 시어도어 스터전은 인류가 뮤온으로 작동하는 유비쿼터스 콜드 핵융합로를 가진 소설 "장벽 속의 포드"를 썼다.반응은 수소 1과 수소 2가 뮤 중간자가 존재할 때 헬륨 3으로 융합해 에너지 수율이 5.4배인 10배 5배다.팟(장벽 파괴에 사용되는)에 포함된 열핵폭탄과는 달리 뮤온 핵융합이 [17]작동한다는 "집중된 불신"에 의해 일시적으로 비활성화될 수 있다.

Arthur C 경에서요 클라크의 스페이스 오디세이 시리즈 세 번째 소설, 2061년: 오디세이 3 뮤온 촉매 핵융합은 인류가 행성 간 여행을 쉽게 할 수 있게 해주는 기술이다.주인공인 헤이우드 플로이드는 루이스 알바레즈를 러더포드 경에 비교하며 그들의 발견의 미래를 과소평가한다.

메모들

  1. ^ 특정 중성자 포획 핵반응에 의해 번식이 이루어지며, 이어서 베타 붕괴가 일어나 핵 내의 중성자가 약한 핵력으로 인해 양성자로 붕괴되면서 핵에서 전자와 중성미자가 방출된다.
  2. ^ 뮤온은 중간자가 아니라 렙톤이다.그러나 1947년까지 명확하지 않았고 뮤온이 렙톤으로 확인된 이후에도 한동안 뮤메손이라는 이름이 계속 사용되었습니다.
  3. ^ 유진 P.위그너는 [citation needed]잭슨에게 알파 고착 문제를 지적했다.
  4. ^ 에 따르면코헨, S, 저드, DL, Riddell, Jr., RJ(1960년)."μ-Mesonic 분자들.II. Molecular-Ion 형성과 원자력 Catalysis".Phys. 목사 119(1):397명. Bibcode:1960PhRv..119..397C. doi:10.1103/PhysRev.119.397. 각주 16, 잭슨은 지나치게 부록 D에 그의 1957년 종이 뮤입자(p-μ-p)+ 분자 이온의 형성율의 약 100만 정도의 요인에 의하여 그의 대략 계산한"추정"에 낙관적일지도 모른다.).
  5. ^ 즉 뮤오닉 케이스에서의 거리는 약 500 펨토미터입니다[citation needed].
  6. ^ "열 중성자"는 "온도 조절 물질" 또는 조절기의 핵과 충돌하여 운동 에너지의 대부분을 포기하고, "상온"까지 냉각하고, 약 300 켈빈의 평균 "온도"에 해당하는 약 0.025 eV의 열화 운동 에너지를 보유함으로써 "온도 조절"된 중성자이다.
  7. ^ 물론 원칙적으로 p-d 핵융합은 일반 물(HO2)의 0.0154% 수준에서 자연적으로 발생하는 DO "중요한" 물 분자에 존재하는 전자에 의해 촉매될 수 있다.하지만 이유는 양성자, 중양자 이상 200번 전자 HDO 분자의 경우 분자 이온(p-μ-d)+ 뮤입자의 경우보다 지역 멀리까지 일 것이다, 잭슨 크기의 p-d"전자"-catalyzed 융합(eCF)의 비율은 약 380주문(1038년)p-d의 비율 융합(μ muon-catalyzed보다 느리다고 추정한다.cF)는 잭슨이 초당 약 10으로6 추정하기 때문에 p-d "전자" 촉매 융합(eCF)은 초당−32 약 10의 속도로 발생할 것으로 예상되며, 이는 10년에24 한 번 정도 p-d "전자" 촉매 융합(eCF)이 발생할 수 있음을 의미한다.

레퍼런스

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