Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)

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

Wie funktioniert Fusion? Verschmelzung zweier Atomkerne Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < 60-80 → Massendefekt (Kernbindungsenergie) Kinetische Energie Deuterium und Tritium

Problem: extrem hohe Temperaturen: >108 K = 10keV, hohe Dichte → Erzeugung von Plasma Vorteil von μCF: ~ 0K bis 104 K Mesonische Moleküle → Abstand normaler Kerne ~1 Å → Beim Myon ~200 mal kleiner Nähe der Kerne überwindet Coulomb-Abstoßung

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)

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

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

RIKEN-RAL – Myonen - Anlage Gepulster Proton-Strahl von ISIS (Synchrotron-Beschleuniger Pionen zerfallen in Myonen Supraleitende Solenoid-Spule Impulsbereich: 20 - 120 MeV/c

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

μCF-Target und Detektoren neutron detector

Reaktion d + t + μ- → dtμ → α + n + μ + 17.6MeV Auch T2- und D2-Targets

Wichtige Parameter „cycling rate“ → Zyklenrate: λC μ-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W Fusionen pro Myon → Neutronenausbeute: Φ=Dichte des D-T-Gemisches λn=Rate verschwindender Neutronen λ0: Myonenzerfallsrate 0.455μs-1

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

Myonenverlust μ-Einfang in α ((μα)+) → „α – sticking“ Wahrscheinlichtkeit ωs ~ 0,5% →begrenzt Energieproduktionsvermögen R = Reaktivierungwahrscheinlichkeit ωs0 = Anfangswahrscheinlichkeit

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

Typisches Röntgenspektrum von flüssigen D-T-Gemischen bei Ct=10%, 28%, 60% Kα-Strahlen: 8.2 KeV Doppler- Verbreiterung: 0.5 KeV 60% Counts (/50eV/106 stopped μ-) 28% 10% Energie [keV]

Röntgenstrahlanalyse Kα-Strahlen: 8.2 KeV Doppler-Verbreiterung: 0.5 KeV Kα-Strahlen-Ausbeute: γKα: Anzahl der Röntgenstrahlen/(αμ)+

Vergleich von experimentellen und theoretischen Werten This exp. Theory (Φ=1.2) Solid Cohen (88) Liquid Markushin Theories PSI Ct: 0.04% PSI - 87 PSI - 87 LAMPH - 92 ωs-Werte stimmen mit vorherigen Messungen überein Y(Kα) stimmt mit Theorie überein kleineres Kβ/Kα-Intensitätsverhältnis → R könnte größer sein

Ein anderer wichtiger Verlustprozess β-Zerfall von Tritium → Unreinheit durch 3He → Myoneneinfang → Auswirkungen in DT und T2 → verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen → bleibt in festen → Bildung von tHeμ (spez. Röntgenstrahlen)

Vergleich von Rate verschwindender Neutronen in flüssigen und festen Gemischen aufgetragen gegen Zeit bzw. Ct

Unstimmigkeiten zwischen Theorie und experimentellen Ergebnissen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen Temperaturen (T<100K): Resonante Bildung durch Zwei-Körper-Kollision: tμ trifft auf D2: tμ + D2 → [ (dμt) dee ] Kollisions- und Bindungsenergie → Vibrations- und Rotationsenergie Resonanter Bildungs-Mechanismus → Erklärung für hohe Zyklenrate λC →bestimmt durch dtμ-Bildung-Rate λdtμ

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

Ungelöste Probleme - Dichteabhängigkeit Zwei-Körper-Kollision: → λc sollte konstant zur D-T-Dichte sein λC steigt mit steigender Dichte Steigende Tendenz bei festen und flüssigen Gemischen

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

Erklärungsversuche Drei-Körper-System: tμ + D2 +D2´ Erhöht resonante Molekülbildung D2´ enfernt Überschuss-Energie

RIKEN-RAL - Zukunft Präzisere Messungen von Röntgenstrahlen Kryogene Kalorimeter Röntgen-Beugungsspektrometer Messungen der Kα,Kβ,Kγ-Intensitäten → Erforschung der angeregten αμ-Zustände

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

Quellen 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 Discovery of temperature-dependent phenomena of muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixtures N. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) http://riken.nd.rl.ac.uk/ral.html K. Ishida (RIKEN), Muon Catalyzed Fusion