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Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)

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Präsentation zum Thema: "Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)"—  Präsentation transkript:

1 Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)

2 Inhalt Was ist μCF? Reaktion Was ist μCF? Reaktion Laboratorien RIKEN-RAL Laboratorien RIKEN-RAL Detaillierte Einblicke Detaillierte Einblicke Ungelöste Probleme Ungelöste Probleme Zukunft Zukunft

3 Wie funktioniert Fusion? Verschmelzung zweier Atomkerne Verschmelzung zweier Atomkerne Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < Massendefekt (Kernbindungsenergie) Massendefekt (Kernbindungsenergie) Kinetische Energie Kinetische Energie Deuterium und Tritium Deuterium und Tritium

4 Problem: extrem hohe Temperaturen: Problem: extrem hohe Temperaturen: >10 8 K = 10keV, >10 8 K = 10keV, hohe Dichte hohe Dichte Erzeugung von Plasma Erzeugung von Plasma Vorteil von μCF: ~ 0K bis 10 4 K Mesonische Moleküle Abstand normaler Kerne ~1 Å Beim Myon ~200 mal kleiner Nähe der Kerne überwindet Coulomb-Abstoßung

5 Was ist μCF? - Reaktionsverlauf Fusion von Wasserstoff- Isotopen Resonante Bildung eines Meso-Moleküls Katalysator: μ - trifft auf Deuterium- Tritium-Gemisch Myonen kommen wieder frei Kreislauf μCF-Kreilauf-Diagramm (~130 Fusionen/Myon)

6 Historischer Hintergrund A.D. Sakharov, 1948: Bildung eng gebundener Moleküle A.D. Sakharov, 1948: Bildung eng gebundener Moleküle Fusion durch Tunneleffekt Fusion durch Tunneleffekt Experimentell: Alvarez, 1956, Berkeley Experimentell: Alvarez, 1956, Berkeley Erstes Blasenkammerbild nach pμd-Fusion

7 Laboratorien JINR, Dubna/Russland JINR, Dubna/Russland PSI,Villingen/Schweiz PSI,Villingen/Schweiz LAMPF, Los Alamos/USA LAMPF, Los Alamos/USA PNPI, Gatchina/Russland PNPI, Gatchina/Russland KEK, Tokyo/Japan KEK, Tokyo/Japan TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13, M15,M20) TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13, M15,M20) RAL, Chilton Didcot/UK RIKEN, Japan RAL, Chilton Didcot/UK RIKEN, Japan

8 RIKEN-RAL – Myonen - Anlage Gepulster Proton-Strahl von ISIS (Synchrotron- Beschleuniger Gepulster Proton-Strahl von ISIS (Synchrotron- Beschleuniger Pionen zerfallen in Myonen Pionen zerfallen in Myonen Supraleitende Solenoid- Spule Supraleitende Solenoid- Spule Impulsbereich: MeV/c Impulsbereich: MeV/c

9 Myonenstrahl 55 MeV/c Starke Fokussierung x8 Supraleitender Magnet: 2.4 T

10 μCF-Target und Detektoren neutron detector

11 Reaktion d + t + μ - dtμ α + n + μ MeV d + t + μ - dtμ α + n + μ MeV Auch T 2 - und D 2 -Targets Auch T 2 - und D 2 -Targets

12

13 Wichtige Parameter cycling rate Zyklenrate: λ C cycling rate Zyklenrate: λ C μ-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W μ-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W Fusionen pro Myon Neutronenausbeute: Fusionen pro Myon Neutronenausbeute: Φ=Dichte des D-T-Gemisches λ n =Rate verschwindender Neutronen λ 0 : Myonenzerfallsrate 0.455μs -1

14 Messungen am RIKEN-RAL Feste und flüssige D-T-Gemische Feste und flüssige D-T-Gemische Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 % Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 % Temperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 K Temperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 K Mit sinkender Temperatur: Mit sinkender Temperatur: kein erwarteter steiler Abfall von Zyklenrate λ c kein erwarteter steiler Abfall von Zyklenrate λ c Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit W Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit W

15 Myonenverlust μ-Einfang in α ((μα) + ) α – sticking μ-Einfang in α ((μα) + ) α – sticking Wahrscheinlichtkeit ω s ~ 0,5% Wahrscheinlichtkeit ω s ~ 0,5% begrenzt Energieproduktionsvermögen begrenzt Energieproduktionsvermögen R = Reaktivierungwahrscheinlichkeit ω s 0 = Anfangswahrscheinlichkeit

16 Untersuchung von α - sticking Verringerung: Verringerung: Schlüssel zur Verbesserung der Effizienz der μCF Schlüssel zur Verbesserung der Effizienz der μCF Atomprozesse untersucht mit Röntgenstrahl-Analyse Atomprozesse untersucht mit Röntgenstrahl-Analyse K α -Peaks (n=2n=1) von zurückprallenden Ionen K α -Peaks (n=2n=1) von zurückprallenden Ionen Term-Schema von Helium-Myon-Ion Fusion

17 Typisches Röntgenspektrum von flüssigen D-T-Gemischen bei C t =10%, 28%, 60% 10% 28% 60% Energie [keV] Counts (/50eV/10 6 stopped μ - ) K α -Strahlen: K α -Strahlen: 8.2 KeV 8.2 KeV Doppler- Verbreiterung: Doppler- Verbreiterung: 0.5 KeV 0.5 KeV

18 Röntgenstrahlanalyse K α -Strahlen: 8.2 KeV K α -Strahlen: 8.2 KeV Doppler-Verbreiterung: 0.5 KeV Doppler-Verbreiterung: 0.5 KeV K α -Strahlen-Ausbeute: K α -Strahlen-Ausbeute: γ Kα : Anzahl der Röntgenstrahlen/(αμ) +

19 Vergleich von experimentellen und theoretischen Werten ω s -Werte stimmen mit vorherigen Messungen überein Y(K α ) stimmt mit Theorie überein kleineres K β /K α -Intensitätsverhältnis R könnte größer sein This exp. Solid Liquid Theory (Φ=1.2) Cohen (88) Markushin Theories PSI - 87 LAMPH - 92 PSI C t : 0.04%

20 Ein anderer wichtiger Verlustprozess β-Zerfall von Tritium Unreinheit durch 3 He β-Zerfall von Tritium Unreinheit durch 3 He Myoneneinfang Myoneneinfang Auswirkungen in DT und T 2 Auswirkungen in DT und T 2 verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen bleibt in festen bleibt in festen Bildung von tHeμ (spez. Röntgenstrahlen) Bildung von tHeμ (spez. Röntgenstrahlen)

21 Vergleich von Rate verschwindender Neutronen in flüssigen und festen Gemischen aufgetragen gegen Zeit bzw. C t

22 Unstimmigkeiten zwischen Theorie und experimentellen Ergebnissen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen Temperaturen (T<100K): dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen Temperaturen (T<100K): Resonante Bildung durch Zwei-Körper-Kollision: Resonante Bildung durch Zwei-Körper-Kollision: -tμ trifft auf D 2 : tμ + D 2 [ (dμt) dee ] tμ + D 2 [ (dμt) dee ] Kollisions- und Bindungsenergie Vibrations- und Rotationsenergie Kollisions- und Bindungsenergie Vibrations- und Rotationsenergie Resonanter Bildungs-Mechanismus Resonanter Bildungs-Mechanismus Erklärung für hohe Zyklenrate λ C Erklärung für hohe Zyklenrate λ C bestimmt durch dtμ-Bildung-Rate λ dtμ bestimmt durch dtμ-Bildung-Rate λ dtμ

23 Ungelöste Probleme - Temperaturabhängigkeit Theoretische Kalkulation: Theoretische Kalkulation: λ dtμ fällt steil ab bei niedriger Temperatur λ dtμ fällt steil ab bei niedriger Temperatur (<100K) (<100K) bei 20K: λ dtμ eine Größenordnung kleiner bei 20K: λ dtμ eine Größenordnung kleiner Schwellenenergie bei < 10 meV Schwellenenergie bei < 10 meV Kollisionsenergie > 10 meV = 100 K Kollisionsenergie > 10 meV = 100 K Widerspruch zu experimentellen Ergebnissen Widerspruch zu experimentellen Ergebnissen (20 K flüssig, 16 K fest; C t zwischen 10-70%) (20 K flüssig, 16 K fest; C t zwischen 10-70%) λ C fällt nicht bei niedriger Temperatur λ C fällt nicht bei niedriger Temperatur

24 Ungelöste Probleme - Dichteabhängigkeit Zwei-Körper-Kollision: Zwei-Körper-Kollision: λ c sollte konstant zur D-T-Dichte sein λ c sollte konstant zur D-T-Dichte sein λ C steigt mit steigender Dichte λ C steigt mit steigender Dichte Steigende Tendenz bei festen und flüssigen Gemischen Steigende Tendenz bei festen und flüssigen Gemischen

25 Dichteabhängigkeit der Zyklusrate 20K RIKEN-RAL (Sep / 95 – May / 98) 16K 20K PSI C t =0.03 LAMPF C t =0.08 <125K LAMPF Ct=0.7 <125K PSI Ct=0.62 PSI Ct=0.21 PSI Ct=0.42 LAMPF Ct=0.5 <125K

26 Erklärungsversuche Drei-Körper-System: tμ + D 2 +D 2 ´ Drei-Körper-System: tμ + D 2 +D 2 ´ Erhöht resonante Molekülbildung Erhöht resonante Molekülbildung D 2 ´ enfernt Überschuss-Energie D 2 ´ enfernt Überschuss-Energie

27 RIKEN-RAL - Zukunft Präzisere Messungen von Röntgenstrahlen Präzisere Messungen von Röntgenstrahlen Kryogene Kalorimeter Kryogene Kalorimeter Röntgen-Beugungsspektrometer Röntgen-Beugungsspektrometer Messungen der K α,K β,K γ -Intensitäten Messungen der K α,K β,K γ -Intensitäten Erforschung der angeregten αμ-Zustände Erforschung der angeregten αμ-Zustände

28 RIKEN-RAL - Zukunft Doppler Verbreiterung αμ-Geschwindigkeit Doppler Verbreiterung αμ-Geschwindigkeit Effizienzerhöhung Myon-Beamstrahl Effizienzerhöhung Myon-Beamstrahl Lösen der Myonen vom α Testen verschiedener Ideen Lösen der Myonen vom α Testen verschiedener Ideen

29 Quellen Muon catalyzed fusion K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura Journal of Physics G, 29 (Aug 2003) Muon catalyzed fusion K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura Journal of Physics G, 29 (Aug 2003) Strong n-alpha correlactions observed in muon catalyzed t-t fusion reactions T. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics Supplement 15 Strong n-alpha correlactions observed in muon catalyzed t-t fusion reactions T. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics Supplement 15 Discovery of temperature-dependent phenomena of muon- catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixtures N. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) Discovery of temperature-dependent phenomena of muon- catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixtures N. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) K. Ishida (RIKEN), Muon Catalyzed Fusion


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