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Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)
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Myon Myon Katalysierte Katalysierte
FusionFusionMuon Catalyzed FusionMuon Catalyzed Fusion
((μμCF)CF)
InhaltInhalt
Was ist Was ist μμCF? → ReaktionCF? → Reaktion Laboratorien → RIKEN-RALLaboratorien → RIKEN-RAL Detaillierte EinblickeDetaillierte Einblicke Ungelöste ProblemeUngelöste Probleme ZukunftZukunft
Wie funktioniert Fusion?Wie funktioniert Fusion?
Verschmelzung Verschmelzung zweier Atomkernezweier Atomkerne
Energiefreisetzung Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < bei Ordnungszahl < 60-8060-80
→ → Massendefekt Massendefekt (Kernbindungsenergi(Kernbindungsenergie)e)
Kinetische EnergieKinetische Energie Deuterium und Deuterium und
TritiumTritium
Problem: extrem hohe Problem: extrem hohe Temperaturen: Temperaturen:
>10>1088 K = K = 10keV10keV, ,
hohe Dichte hohe Dichte
→ → Erzeugung von Erzeugung von PlasmaPlasma
Vorteil von μCF: Vorteil von μCF: ~ ~ 0K bis 100K bis 1044 K K Mesonische MoleküleMesonische Moleküle → → Abstand normaler Kerne ~1 ÅAbstand normaler Kerne ~1 Å → → Beim Myon ~200 mal kleinerBeim Myon ~200 mal kleiner Nähe der Kerne überwindet Coulomb-Nähe der Kerne überwindet Coulomb-
AbstoßungAbstoßung
Was ist Was ist μμCF? - CF? - ReaktionsverlaufReaktionsverlauf
Fusion von Fusion von Wasserstoff-IsotopenWasserstoff-Isotopen
Resonante Bildung Resonante Bildung eines Meso-Molekülseines Meso-Moleküls
Katalysator: Katalysator: μμ--
→ →trifft auf trifft auf Deuterium-Tritium-Deuterium-Tritium-GemischGemisch
Myonen kommen Myonen kommen wieder freiwieder frei
→ →Kreislauf Kreislauf
μCF-Kreilauf-Diagramm
(~130 Fusionen/Myon)(~130 Fusionen/Myon)
Historischer HintergrundHistorischer Hintergrund
A.D. Sakharov, A.D. Sakharov, 1948: Bildung eng 1948: Bildung eng gebundener gebundener MoleküleMoleküle
→ →Fusion durch Fusion durch TunneleffektTunneleffekt
Experimentell: Experimentell: Alvarez, 1956, Alvarez, 1956, BerkeleyBerkeley
Erstes Blasenkammerbild nach pμd-Fusion
LaboratorienLaboratorien
JINR, Dubna/RusslandJINR, Dubna/Russland PSI,Villingen/SchweizPSI,Villingen/Schweiz LAMPF, Los Alamos/USALAMPF, Los Alamos/USA PNPI, Gatchina/RusslandPNPI, Gatchina/Russland KEK, Tokyo/JapanKEK, Tokyo/Japan TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13, TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13,
M15,M20)M15,M20) RAL, Chilton Didcot/UK → RIKEN, JapanRAL, Chilton Didcot/UK → RIKEN, Japan
RIKEN-RAL – Myonen - AnlageRIKEN-RAL – Myonen - Anlage
Gepulster Proton-Gepulster Proton-Strahl von ISIS Strahl von ISIS (Synchrotron-(Synchrotron-BeschleunigerBeschleuniger
Pionen zerfallen in Pionen zerfallen in MyonenMyonen
Supraleitende Supraleitende Solenoid-SpuleSolenoid-Spule
Impulsbereich: 20 - Impulsbereich: 20 - 120 MeV/c120 MeV/c
MyonenstrahMyonenstrahl l
55 MeV/c55 MeV/c Starke Starke
FokussierunFokussierung x8g x8
SupraleitendSupraleitender Magnet: er Magnet: 2.4 T2.4 T
μμCF-Target und CF-Target und DetektorenDetektoren
neutron detector
ReaktionReaktion
d + t + d + t + μμ-- →→ dt dtμμ →→ αα + n + + n + μμ + + 17.6MeV17.6MeV
Auch TAuch T22- und D- und D22-Targets-Targets
Wichtige ParameterWichtige Parameter
„„cycling rate“ → Zyklenrate: cycling rate“ → Zyklenrate: λλCC
μμ-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W
Fusionen pro Myon → Fusionen pro Myon → Neutronenausbeute: Neutronenausbeute:
n
CnY
Φ=Dichte des D-T-Gemischesλn=Rate verschwindender Neutronen
cn W 0
ttdds WWW
λ0: Myonenzerfallsrate 0.455μs-1
Messungen am RIKEN-RALMessungen am RIKEN-RAL
Feste und flüssige D-T-GemischeFeste und flüssige D-T-Gemische Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 %Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 % Temperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 KTemperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 K Mit sinkender Temperatur:Mit sinkender Temperatur:
→ → kein erwarteter steiler Abfall von kein erwarteter steiler Abfall von Zyklenrate Zyklenrate λλcc
→ → Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit WW
MyonenverlustMyonenverlust
μμ-Einfang in -Einfang in αα (( ((μαμα))++) → „) → „αα – sticking“ – sticking“ Wahrscheinlichtkeit Wahrscheinlichtkeit ωωs s ~ 0,5%~ 0,5%
→ →begrenzt Energieproduktionsvermögenbegrenzt Energieproduktionsvermögen
0)1( ss R R = Reaktivierungwahrscheinlichkeitωs
0 = Anfangswahrscheinlichkeit
Untersuchung von Untersuchung von αα - - stickingsticking
Verringerung:Verringerung:
Schlüssel zur Schlüssel zur Verbesserung der Verbesserung der Effizienz der Effizienz der μμCFCF
Atomprozesse Atomprozesse untersucht mit untersucht mit Röntgenstrahl-AnalyseRöntgenstrahl-Analyse
KKαα-Peaks -Peaks (n=2→n=1)(n=2→n=1) von zurückprallenden von zurückprallenden Ionen Ionen
Term-Schema von Helium-Myon-Ion
Fusion
Typisches Röntgenspektrum von Typisches Röntgenspektrum von flüssigen D-T-Gemischen bei flüssigen D-T-Gemischen bei
CCtt=10%, 28%, 60%=10%, 28%, 60%
10%
28%
60%
Energie [keV]
Cou
nts
(/50
eV/1
06 st
oppe
d μ
- )
KKαα-Strahlen: -Strahlen: 8.2 KeV8.2 KeV
Doppler- Doppler- VerbreiterunVerbreiterung: g: 0.5 KeV0.5 KeV
RöntgenstrahlanalyseRöntgenstrahlanalyse
KKαα-Strahlen: 8.2 KeV-Strahlen: 8.2 KeV Doppler-Verbreiterung: 0.5 KeVDoppler-Verbreiterung: 0.5 KeV KKαα-Strahlen-Ausbeute:-Strahlen-Ausbeute:
0)( sKKY
γKα: Anzahl der Röntgenstrahlen/(αμ)+
Vergleich von experimentellen und Vergleich von experimentellen und theoretischen Wertentheoretischen Werten
ωωss-Werte stimmen mit vorherigen Messungen -Werte stimmen mit vorherigen Messungen übereinüberein
Y(KY(Kαα) stimmt mit Theorie überein) stimmt mit Theorie überein
kleineres kleineres KKββ/K/Kαα-Intensitätsverhältnis-Intensitätsverhältnis
→ → R könnte größer seinR könnte größer sein
This exp.
SolidLiquid
Theory (Φ=1.2)
Cohen (88)
Markushin
Theories
PSI - 87
PSI - 87
LAMPH - 92
PSICt: 0.04%
Ein anderer wichtiger Ein anderer wichtiger VerlustprozessVerlustprozess
ββ-Zerfall von Tritium → Unreinheit durch -Zerfall von Tritium → Unreinheit durch 33HeHe
→ → MyoneneinfangMyoneneinfang
→ → Auswirkungen in DT und TAuswirkungen in DT und T22
→ → verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen
→ → bleibt in festenbleibt in festen
→ → Bildung von tHeBildung von tHeμμ (spez. Röntgenstrahlen) (spez. Röntgenstrahlen)
)()( 0 HetHescn C
Vergleich von Rate verschwindender Vergleich von Rate verschwindender Neutronen in flüssigen und festen Gemischen Neutronen in flüssigen und festen Gemischen
aufgetragen gegen Zeit bzw. Caufgetragen gegen Zeit bzw. Ctt
Unstimmigkeiten zwischen Unstimmigkeiten zwischen Theorie und experimentellen Theorie und experimentellen
ErgebnissenErgebnissen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen
Temperaturen (T<100K):Temperaturen (T<100K): Resonante Bildung durch Zwei-Körper-Resonante Bildung durch Zwei-Körper-
Kollision: Kollision: - tμ trifft auf Dtμ trifft auf D22: :
tμ + Dtμ + D2 2 →→ [ (d [ (dμμt) dee ]t) dee ] Kollisions- und Bindungsenergie → Kollisions- und Bindungsenergie →
Vibrations- und RotationsenergieVibrations- und Rotationsenergie Resonanter Bildungs-MechanismusResonanter Bildungs-Mechanismus
→ → Erklärung für hohe Zyklenrate Erklärung für hohe Zyklenrate λλC C
→ →bestimmt durch dtbestimmt durch dtμμ-Bildung-Rate -Bildung-Rate λλdtdtμμ
Ungelöste Probleme - Ungelöste Probleme -
TemperaturabhängigkeitTemperaturabhängigkeit Theoretische Kalkulation:Theoretische Kalkulation: → → λλdtdtμμ fällt steil ab bei niedriger fällt steil ab bei niedriger
TemperaturTemperatur (<100K)(<100K) → → bei 20K: bei 20K: λλdtdtμμ eine Größenordnung kleinereine Größenordnung kleiner → → Schwellenenergie bei < 10 meVSchwellenenergie bei < 10 meV
→ → Kollisionsenergie > 10 meV = 100 KKollisionsenergie > 10 meV = 100 K→→ WiderspruchWiderspruch zu experimentellen zu experimentellen
Ergebnissen Ergebnissen (20 K flüssig, 16 K fest; C(20 K flüssig, 16 K fest; Ctt zwischen 10- zwischen 10-
70%)70%) → → λλC C fällt nicht bei niedriger Temperaturfällt nicht bei niedriger Temperatur
Ungelöste Probleme Ungelöste Probleme - - DichteabhängigkeitDichteabhängigkeit
Zwei-Körper-Kollision:Zwei-Körper-Kollision:
→ → λλcc sollte konstant zur D-T-Dichte sollte konstant zur D-T-Dichte seinsein λλC C steigt mit steigender Dichtesteigt mit steigender Dichte Steigende Tendenz bei festen und Steigende Tendenz bei festen und
flüssigen Gemischenflüssigen Gemischen
Dichteabhängigkeit der Dichteabhängigkeit der ZyklusrateZyklusrate
20K
RIKEN-RAL
(Sep / 95 – May / 98)
16K20K
PSI Ct=0.03
LAMPF Ct=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
ErklärungsversucheErklärungsversuche
Drei-Körper-System: Drei-Körper-System: tμ + Dtμ + D2 2 +D+D22´́ Erhöht resonante MolekülbildungErhöht resonante Molekülbildung DD22´ enfernt Überschuss-Energie´ enfernt Überschuss-Energie
RIKEN-RAL - ZukunftRIKEN-RAL - Zukunft
Präzisere Messungen von Präzisere Messungen von RöntgenstrahlenRöntgenstrahlen Kryogene KalorimeterKryogene Kalorimeter Röntgen-BeugungsspektrometerRöntgen-Beugungsspektrometer
Messungen der KMessungen der Kαα,K,Kββ,K,Kγγ-Intensitäten-Intensitäten
→ → Erforschung der angeregten Erforschung der angeregten αμαμ--ZuständeZustände
RIKEN-RAL - ZukunftRIKEN-RAL - Zukunft
Doppler Verbreiterung → Doppler Verbreiterung → αμαμ--GeschwindigkeitGeschwindigkeit
Effizienzerhöhung → Myon-Effizienzerhöhung → Myon-BeamstrahlBeamstrahl
Lösen der Myonen vom Lösen der Myonen vom αα → Testen → Testen verschiedener Ideenverschiedener Ideen
QuellenQuellen Muon catalyzed fusionMuon catalyzed fusion
K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura Journal of Physics G, 29 (Aug 2003) Journal of Physics G, 29 (Aug 2003)
Strong n-alpha correlactions observed in muon Strong n-alpha correlactions observed in muon catalyzed t-t fusion reactionscatalyzed t-t fusion reactionsT. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics T. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics Supplement 15 Supplement 15
Discovery of temperature-dependent phenomena of Discovery of temperature-dependent phenomena of muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixturesmixturesN. Kawamura, N. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) Physical Review Letters, 90 (Jan 2003)
http://riken.nd.rl.ac.uk/ral.htmlhttp://riken.nd.rl.ac.uk/ral.html K. Ishida (RIKEN), Muon Catalyzed Fusion