Fusão catalisada por muões - Muon-catalyzed fusion

A fusão catalisada por múon (abreviada como μCF ) é um processo que permite que a fusão nuclear ocorra em temperaturas significativamente mais baixas do que as temperaturas necessárias para a fusão termonuclear , mesmo em temperatura ambiente ou mais baixa. É uma das poucas maneiras conhecidas de catalisar reações de fusão nuclear.

Os múons são partículas subatômicas instáveis semelhantes aos elétrons, mas 207 vezes mais massivas. Se um múon substitui um dos elétrons em uma molécula de hidrogênio , os núcleos são, conseqüentemente, atraídos 196 vezes mais perto do que em uma molécula normal, devido à massa reduzida ser 196 vezes a massa de um elétron. Quando os núcleos estão tão próximos, a probabilidade de fusão nuclear aumenta muito, a ponto de ocorrer um número significativo de eventos de fusão à temperatura ambiente.

Os métodos atuais para obter múons, entretanto, requerem muito mais energia do que pode ser produzida pelas reações de fusão nuclear catalisadas resultantes, e esta é uma das principais razões pelas quais os reatores de fusão catalisados ​​por múons não foram construídos. Para criar uma fusão catalisada por múon à temperatura ambiente útil, os reatores precisariam de uma fonte de múon mais barata e mais eficiente e / ou uma maneira para cada múon individual catalisar muitas outras reações de fusão. Fontes de múon acionadas por laser parecem ser o ponto de inflexão econômico para tornar viáveis ​​os reatores de fusão catalisados ​​por múon.

História

Andrei Sakharov e FC Frank previram o fenômeno da fusão catalisada por múon em bases teóricas antes de 1950. Yakov Borisovich Zel'dovich também escreveu sobre o fenômeno da fusão catalisada por múon em 1954. Luis W. Alvarez et al. , ao analisar o resultado de alguns experimentos com múons incidentes em uma câmara de bolha de hidrogênio em Berkeley em 1956, observou catálise de múon de PD exotérmico, próton e deutério, fusão nuclear , que resulta em um hélio , um raio gama e uma liberação de cerca de 5,5 MeV de energia. Os resultados experimentais de Alvarez, em particular, estimularam John David Jackson a publicar um dos primeiros estudos teóricos abrangentes da fusão catalisada por múon em seu artigo inovador de 1957. Este artigo continha as primeiras especulações sérias sobre a liberação de energia útil da fusão catalisada por múon. Jackson concluiu que seria impraticável como fonte de energia, a menos que o "problema de fixação do alfa" (veja abaixo) pudesse ser resolvido, levando potencialmente a uma forma energeticamente mais barata e mais eficiente de utilizar os múons catalisadores.

Viabilidade como fonte de energia

Benefícios potenciais

Se a fusão nuclear dt catalisada por múon for realizada de forma prática, será uma maneira muito mais atraente de gerar energia do que os reatores de fissão nuclear convencionais porque a fusão nuclear dt catalisada por múon (como a maioria dos outros tipos de fusão nuclear ), produz muito menos danos (e muito menos duradouro) resíduos radioativos.

O grande número de nêutrons produzidos em fusões nucleares dt catalisadas por múon pode ser usado para produzir combustíveis físseis , de material fértil - por exemplo, o tório -232 poderia produzir urânio -233 dessa forma. Os combustíveis físseis que foram produzidos podem então ser "queimados", seja em um reator de fissão nuclear supercrítico convencional ou em um reator de fissão subcrítico não convencional , por exemplo, um reator usando transmutação nuclear para processar resíduos nucleares , ou um reator usando o amplificador de energia conceito desenvolvido por Carlo Rubbia e outros.

Outro benefício da fusão catalisada por múon é que o processo de fusão pode começar com gás deutério puro sem trítio. Reatores de fusão de plasma como ITER ou Wendelstein X7 precisam de trítio para iniciar e também precisam de uma fábrica de trítio. A fusão catalisada por múon gera trítio durante a operação e aumenta a eficiência operacional até um ponto ótimo quando a razão deutério: trítio atinge cerca de 1: 1. A fusão catalisada por múon pode operar como uma fábrica de trítio e fornecer trítio para pesquisa de fusão de material e plasma.

Problemas enfrentados pela exploração prática

Exceto por alguns refinamentos, pouco mudou desde a avaliação de Jackson de 1957 sobre a viabilidade da fusão catalisada por múon, exceto a previsão de Vesman de 1967 da formação ressonante hiperfina do íon muônico (d-μ-t) + molecular que foi subsequentemente observado experimentalmente. Isso ajudou a despertar um interesse renovado em todo o campo da fusão catalisada por múon, que permanece uma área ativa de pesquisa em todo o mundo. No entanto, como Jackson observou em seu papel, fusão catalisada por múon é "improvável" para fornecer "a produção de energia útil ... a menos que uma forma energeticamente mais barato de produzir μ - -mesons pode ser encontrado."

Um problema prático com o processo de fusão catalisada por múon é que os múons são instáveis, decaindo em 2,2  μs (em seu quadro de repouso ). Conseqüentemente, deve haver algum meio barato de produzir múons, e os múons devem ser arranjados para catalisar tantas reações de fusão nuclear quanto possível antes de decair.

Outro problema, e em muitos aspectos mais sério, é o problema da "fixação do alfa", que foi reconhecido por Jackson em seu artigo de 1957. O problema de aderência a α é a probabilidade de aproximadamente 1% do múon "aderir" à partícula alfa que resulta da fusão nuclear deutério-tritão , removendo assim efetivamente o múon do processo de catálise de múon. Mesmo se os múons fossem absolutamente estáveis, cada múon poderia catalisar, em média, apenas cerca de 100 fusões dt antes de aderir a uma partícula alfa, que é apenas cerca de um quinto do número de fusões dt catalisadas por múon necessárias para o ponto de equilíbrio , onde tanto energia térmica é gerada como energia elétrica é consumida para produzir os múons em primeiro lugar, de acordo com a estimativa aproximada de Jackson.

Medições mais recentes parecem apontar para valores mais encorajadores para a probabilidade de α-sticking, encontrando a probabilidade de α-sticking em torno de 0,3% a 0,5%, o que pode significar cerca de 200 (mesmo até 350) dt catalisado por múon fusões por múon. De fato, a equipe liderada por Steven E. Jones alcançou 150 fusões dt por muon (média) no Los Alamos Meson Physics Facility . Os resultados foram promissores e quase suficientes para atingir o ponto de equilíbrio teórico. Infelizmente, essas medições para o número de fusões dt catalisadas por múon por múon ainda não são suficientes para atingir o ponto de equilíbrio industrial. Mesmo com o ponto de equilíbrio, a eficiência de conversão de energia térmica em energia elétrica é de apenas cerca de 40% ou mais, limitando ainda mais a viabilidade. As melhores estimativas recentes do "custo de energia elétrica " por múon é de cerca de6 GeV com aceleradores que são (coincidentemente) cerca de 40% eficientes na transformação de energia elétrica da rede elétrica em aceleração de deutério.

Em 2012, nenhum método prático de produção de energia por esse meio foi publicado, embora algumas descobertas usando o efeito Hall sejam promissoras.

Estimativa alternativa de ponto de equilíbrio

De acordo com Gordon Pusch, um físico do Laboratório Nacional de Argonne , vários cálculos de equilíbrio na fusão catalisada por múon omitem a energia térmica que o próprio feixe de múon deposita no alvo. Levando esse fator em consideração, a fusão catalisada por múon já pode exceder o ponto de equilíbrio; no entanto, a energia recirculada é geralmente muito grande em comparação com a energia que sai da rede elétrica (cerca de 3 a 5 vezes maior, de acordo com as estimativas). Apesar desta energia recirculada bastante alta, a eficiência geral do ciclo é comparável aos reatores de fissão convencionais; entretanto, a necessidade de capacidade de geração elétrica de 4 a 6 MW para cada megawatt enviado à rede provavelmente representa um investimento de capital inaceitavelmente grande. Pusch sugeriu o uso do conceito de feixe autocontido " migma " de Bogdan Maglich para aumentar significativamente a eficiência da produção de múons, eliminando perdas de alvos e usando núcleos de trítio como feixe condutor, para otimizar o número de múons negativos.

Processo

Para criar esse efeito, um fluxo de múons negativos, na maioria das vezes criado por píons em decomposição , é enviado a um bloco que pode ser feito de todos os três isótopos de hidrogênio (prótio, deutério e / ou trítio), onde o bloco é geralmente congelado , e o bloco pode estar a temperaturas de cerca de 3 kelvin (-270 graus Celsius) ou mais. O múon pode colidir com o elétron de um dos isótopos de hidrogênio. O múon, 207 vezes mais massivo que o elétron, efetivamente protege e reduz a repulsão eletromagnética entre dois núcleos e os atrai muito mais para uma ligação covalente do que um elétron. Como os núcleos estão tão próximos, a força nuclear forte é capaz de entrar em ação e unir os dois núcleos. Eles se fundem, liberam o múon catalítico (na maioria das vezes), e parte da massa original de ambos os núcleos é liberada como partículas energéticas, como em qualquer outro tipo de fusão nuclear . A liberação do múon catalítico é crítica para continuar as reações. A maioria dos múons continua a se ligar a outros isótopos de hidrogênio e a fundir núcleos. No entanto, nem todos os múons são reciclados: alguns se ligam a outros detritos emitidos após a fusão dos núcleos (como partículas alfa e hélions ), removendo os múons do processo catalítico. Isso gradualmente sufoca as reações, pois há cada vez menos múons com os quais os núcleos podem se ligar. O número de reações obtidas no laboratório pode chegar a 150 fusões dt por múon (média).

Deutério-trítio (dt ou dt)

Na fusão catalisada por muon de maior interesse, um deuteron carregado positivamente (d), um triton carregado positivamente (t) e um muon formam essencialmente um íon de hidrogênio pesado molecular muônico carregado positivamente (d-μ-t) + . O múon, com uma massa de repouso 207 vezes maior que a massa de repouso de um elétron, é capaz de arrastar o tritão e o deutério mais massivo 207 vezes mais próximos um do outro no íon muônico (d-μ-t) + molecular do que pode um elétron no correspondente eletrônico (det) + íon molecular. A separação média entre o tritão e o deutério no íon molecular eletrônico é cerca de um angstrom (100 pm ), então a separação média entre o tritão e o deutério no íon molecular muônico é 207 vezes menor do que isso. Devido à forte força nuclear , sempre que o tritão e o deutério no íon molecular muônico ficam ainda mais próximos um do outro durante seus movimentos vibracionais periódicos, a probabilidade é muito aumentada de que o tritão carregado positivamente e o deutério carregado positivamente sofram tunelamento quântico através da barreira de Coulomb repulsiva que age para mantê-los separados. Na verdade, a probabilidade de tunelamento da mecânica quântica depende aproximadamente exponencialmente da separação média entre o tritão e o deutério, permitindo que um único múon catalise a fusão nuclear dt em menos de cerca de meio picossegundo , uma vez que o íon molecular muônico é formado.

O tempo de formação do íon molecular muônico é uma das "etapas limitantes da taxa" na fusão catalisada por múon que pode facilmente levar até dez mil ou mais picossegundos em uma mistura de deutério molecular líquido e trítio (D 2 , DT, T 2 ), por exemplo. Cada múon catalisador, portanto, gasta a maior parte de sua existência efêmera de 2,2 microssegundos, medida em seu quadro de repouso , vagando em busca de deutérios e tritões adequados com os quais se ligar.

Outra maneira de observar a fusão catalisada por múon é tentar visualizar a órbita do estado fundamental de um múon em torno de um deutério ou de um tritão. Suponha que o múon tenha caído em uma órbita ao redor de um deutério inicialmente, o que ele tem cerca de 50% de chance de acontecer se houver um número aproximadamente igual de deutério e tritão presentes, formando um átomo de deutério muônico eletricamente neutro (d-μ) 0 que age um pouco como um "nêutron gordo e pesado" devido ao seu tamanho relativamente pequeno (novamente, 207 vezes menor do que um átomo de deutério eletrônico eletricamente neutro (de) 0 ) e à "proteção" muito eficaz pelo múon do positivo carga do próton no deutério. Mesmo assim, o múon ainda tem uma chance muito maior de ser transferido para qualquer tritão que se aproxime o suficiente do deutério muônico do que de formar um íon molecular muônico. O átomo de trítio muônico eletricamente neutro (t-μ) 0 assim formado agirá de certa forma como um "nêutron mais gordo e pesado", mas provavelmente ficará preso a seu múon, eventualmente formando um íon molecular muônico, provavelmente devido ao formação ressonante de um estado molecular hiperfino dentro de uma molécula de deutério D 2 inteira (d = e 2 = d), com o íon molecular muônico agindo como um "núcleo mais gordo e mais pesado" do "mais gordo, mais pesado" neutro "muônico / eletrônico" molécula de deutério ([d-μ-t] = e 2 = d), conforme previsto por Vesman, um estudante de graduação da Estônia, em 1967.

Uma vez que o estado de íon molecular muônico é formado, a proteção pelo múon das cargas positivas do próton do tritão e do próton do deuteron um do outro permite que o tritão e o deuteron façam um túnel através da barreira de Coulomb no intervalo de tempo da ordem de um nanossegundo O muon sobrevive à reação de fusão nuclear catalisada por muon dt e permanece disponível (geralmente) para catalisar mais fusões nucleares catalisadas por muon dt. Cada fusão nuclear dt exotérmica libera cerca de 17,6 MeV de energia na forma de um nêutron "muito rápido" com uma energia cinética de cerca de 14,1 MeV e uma partícula alfa α (um núcleo de hélio -4) com uma energia cinética de cerca de 3,5 MeV. Um adicional de 4,8 MeV pode ser obtido tendo os nêutrons rápidos moderados em um "cobertor" adequado ao redor da câmara de reação, com o cobertor contendo lítio -6, cujos núcleos, conhecidos por alguns como "litiões", prontamente e exotermicamente absorvem nêutrons térmicos , o lítio-6 sendo transmutado assim em uma partícula alfa e um tritão.

Deutério-deutério e outros tipos

O primeiro tipo de fusão catalisada por múon a ser observada experimentalmente, por LW Alvarez et al. , era prótio (H ou 1 H 1 ) e deutério (D ou 1 H 2 ) fusão catalisada por múon. A taxa de fusão para a fusão catalisada por múon pd (ou pd) foi estimada em cerca de um milhão de vezes mais lenta do que a taxa de fusão para a fusão catalisada por múon dt .

De interesse mais prático, a fusão catalisada por múon deutério-deutério tem sido freqüentemente observada e extensivamente estudada experimentalmente, em grande parte porque o deutério já existe em abundância relativa e, como o hidrogênio, o deutério não é radioativo. (O trítio raramente ocorre naturalmente e é radioativo com meia-vida de cerca de 12,5 anos.)

A taxa de fusão para fusão catalisada por múon dd foi estimada em apenas cerca de 1% da taxa de fusão para fusão catalisada por múon dt, mas isso ainda dá cerca de uma fusão nuclear dd a cada 10 a 100 picossegundos ou mais. No entanto, a energia liberada com cada reação de fusão catalisada por múon dd é apenas cerca de 20% ou mais da energia liberada com cada reação de fusão catalisada por múon dt. Além disso, o múon catalisador tem uma probabilidade de aderir a pelo menos um dos produtos da reação de fusão catalisada por múon dd que Jackson neste artigo de 1957 estimou ser pelo menos 10 vezes maior do que a probabilidade correspondente do múon catalisador aderir a pelo menos um dos produtos da reação de fusão catalisada por múon dt, evitando assim que o múon catalise mais fusões nucleares. Efetivamente, isso significa que cada múon que catalisa reações de fusão catalisadas por múon dd em deutério puro só é capaz de catalisar cerca de um décimo do número de reações de fusão catalisadas por múon dt que cada múon é capaz de catalisar em uma mistura de quantidades iguais de deutério e trítio, e cada fusão dd rende apenas cerca de um quinto do rendimento de cada fusão dt, tornando assim as perspectivas de liberação de energia útil da fusão catalisada por múon dd pelo menos 50 vezes piores do que as perspectivas já obscuras de liberação de energia útil da fusão catalisada por muon dt.

As possibilidades de fusão nuclear "aneutrônica" (ou substancialmente aneutrônica) em potencial , que resultam essencialmente em nenhum nêutron entre os produtos de fusão nuclear, quase certamente não são muito receptivas à fusão catalisada por múon. Uma dessas reações de fusão nuclear essencialmente aneutrônica envolve um deutério de fusão de deutério com um hélio (h +2 ) de hélio-3 , que produz uma partícula alfa energética e um próton muito mais energético , ambos carregados positivamente (com alguns nêutrons vindo do inevitável dd reações colaterais de fusão nuclear ). No entanto, um múon com apenas uma carga elétrica negativa é incapaz de proteger ambas as cargas positivas de um hélio da única carga positiva de um deutério. As chances de os dois múons necessários estarem presentes simultaneamente são excepcionalmente remotas.

Na cultura

O termo "fusão a frio" foi cunhado para se referir à fusão catalisada por múon em um artigo de 1956 do New York Times sobre o artigo de Luis W. Alvarez .

Em 1957, Theodore Sturgeon escreveu uma novela, " The Pod in the Barrier ", na qual a humanidade tem reatores de fusão a frio onipresentes que funcionam com múons. A reação é "Quando o hidrogênio um e o hidrogênio dois estão na presença de mésons Mu, eles se fundem em hélio três, com um rendimento de energia em elétron-volts de 5,4 vezes dez elevado à quinta potência". Ao contrário da bomba termonuclear contida no Pod (que é usada para destruir a Barreira), eles podem ser temporariamente desativados por "descrença concentrada" de que a fusão de múons funciona.

No terceiro romance de Sir Arthur C. Clarke da série Space Odyssey, 2061: Odyssey Three , a fusão catalisada por múon é a tecnologia que permite à humanidade realizar uma viagem interplanetária fácil. O personagem principal, Heywood Floyd, compara Luis Alvarez a Lord Rutherford por subestimar o potencial futuro de suas descobertas.

Notas

Referências

links externos