“Холодный синтез”, или третий путь получения ядерной энергии”. Гипотезы. Прогнозы (Будущее науки): Международный ежегодник. – М.: Знание. 1988. 272 с. – Вып. 21.

        Явление “холодного синтеза”, или мюонный катализ, как более прозаично и точно называют его физики, было теоретически предсказано около 40 лет назад, а примерно через 10 лет выяснилось, что это не просто изощренное творение ума теоретиков – явление действительно существует и поддается экспериментальному наблюдению.

        За минувшие 40 лет мюонный катализ прошел через периоды бурного к нему интереса и периоды упадка, когда исследованиями в этой области отваживались заниматься лишь настоящие подвижники, неисправимые оптимисты и энтузиасты своего дели. Каково же положение дел сегодня?

        В мае 1987 г. в Гатчине под Ленинградом состоялся международный симпозиум “Мюонный катализ-87”. Время его проведения совпало с 30-летним юбилеем экспериментального открытия реакции синтеза ядер обычного водорода и его изотопа – дейтерия, катализованной мюоном. Приглашение участвовать в симпозиуме приняли ведущие специалисты практически из всех теоретических и экспериментальных групп, работающих в этой области. С удовлетворением могу отметить, что этой проблемой занимаются примерно в 50 лабораториях из 15 стран. Эта сухая статистика достаточно красноречива и позволяет надеяться, что в ближайшее время мы основательно разберемся в этом явлении.

        На симпозиуме мне довелось встретиться и побеседовать с ведущими специалистами в этой области – и с теми, кто стоял у истоков исследований, и с теми, кто активно ведет их сейчас. Но, чтобы сделать их рассказ понятнее, сначала представлю читателю “главных действующих лиц” мюонного катализа. Напомню, какие частицы участвуют в этом процессе и как он протекает.

        В земных условиях удалось осуществить слияние ядер изотопов водорода: дейтерия (d), состоящего из протона (р) и нейтрона (n), и трития (t), построенного из протона и двух нейтронов:

С + O₂  ®  СО₂ + 4,2 эВ,

        Благодаря ядерным реакциям синтеза светит Солнце – источник жизни на Земле, именно они дают нам возможность любоваться звездным небом, веками вдохновляющим влюбленных и поэтов. К сожалению, человек пока смог приспособить их только для создания разрушительного оружия – водородных бомб. Управляемый термоядерный синтез все еще не реализован. Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра на расстояние порядка 10^-11 см, а для этого надо преодолеть колоссальные силы электростатического отталкивания.

        Но стоит ли это делать? Какую энергию должны мы затратить на сближение двух частиц с электрическим зарядом протона? Простые оценки дают значения порядка 10 кэВ: затраченная энергия оказывается много меньше получаемой, т. е. процесс энергетически выгоден.  (Примечание. Для оценки мы используем закон Кулона, предполагая, что читатель не уступает в познаниях барышне де Броссар из романа Бальзака “Утраченные иллюзии”, о которой ее матушка говорила: “Камилла такая умница, она сразу все поймет. Право, ей даже удалось как-то понять обратную пропорциональность квадрата расстояний!” Из закона Кулона следует, что энергия взаимодействия электрических зарядов е на расстоянии r равна W ~ е²/r. Подставляя численные значения е = 4,8× 10^-10 ед. CGSE, r = 10^-11 см, и по порядку величины получаем W ~ 10^-8 эрг = 10 кэВ).

        Но как его осуществить? Надо каким-то образом сообщить ядрам энергию порядка 10 кэВ, необходимую для преодоления кулоновского барьера отталкивания, и произойдет реакция синтеза. Выход ищут на пути повышения температуры, так что приставка “термо” стала как бы неотъемлемой частью сочетания “ядерный синтез”. Если тепловая энергия kТ первоначальных ядер будет порядка электростатической энергии, то высокие скорости ядер помогут им преодолеть кулоновский барьер отталкивания, и реакция синтеза станет возможной. Используя численное значение постоянной Больцмана k = 1,4×10^-16 эрг/К, получаем оценку для температуры Т » 10⁸ К. Нагреть смесь легких ядер до температур порядка ста миллионов градусов – вот одна из главных проблем на пути осуществления управляемой термоядерной реакции синтеза. Эту задачу пытаются решить разными способами: сжимая смесь дейтерия и трития магнитным полем, нагревая ее лазерным лучом, пучком ускоренных электронов или ионов. В основе всех методов лежит общая идея: нагреть до высокой температуры всю смесь, чтобы прореагировали лишь некоторые из ядер. Быть может, мюонный катализ ядерных реакций синтеза (холодный синтез) даст нам более простой способ получения энергии? К этому вопросу мы еще вернемся, а пока сосредоточим свое внимание на элементарной частице, называемой мюоном.

        Мюон, мезоатомы и мезомолекулы

        Мюоны были впервые обнаружены в 1936 г. американскими физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Мюон удивительно похож на электрон: у них одинаковый электрический заряд, спин, оба аналогичным образом участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона. Именно из-за большей величины массы мюон утерял стабильность. В отличие от электрона ему есть на что распадаться. Он действительно распадается на электрон и пару нейтрино:

        За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Согласно теории время жизни мюона обратно пропорционально пятой степени его массы и равно 2,2 × 10^-6 с. Экспериментально измеренное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Основным источником мюонов в космических лучах и на ускорителях служат пи-мезоны, распадающиеся по схеме  p ^- ® m ^- + n_m .

        Зная о сходстве мюона с электроном, нетрудно представить себе экзотические атомы, в которых один из электронов заменен на мюон. Такие атомы действительно наблюдались экспериментально. Простейший из них – мюонный водород, в котором мюон вращается вокруг протона. По размерам такой атом в 207 раз меньше обычного атома водорода – в этом ключ к идее мюонного катализа ядерных реакций синтеза. (Примечание. Это легко показать. Вспомним сначала, как это делается для обычного водорода. Во-первых, центробежная сила должна быть равна силе кулоновского притяжения (m – масса электрона; v – его линейная скорость; е – заряд; R – радиус орбиты). Далее, импульс электрона связан с длиной волны де Бройля l соотношением l = h/m× v (h – постоянная Планка). Наконец, согласно постулату Бора на орбите должно помещаться целое число электронных полуволн 2× p × R = п× l /2. Для низшей орбиты (n = 1) отсюда следует, что скорость орбитального движения электрона равна: v = ħ' / тR   (ħ' = h/(2× p) ) . Подставляя это выражение в первое соотношение, получаем для радиуса Бора R известный результат: R = ħ^{' 2}/m× e². При значении постоянной Планка ħ = 10^-27 эрг× с и массе электрона т = 9,1× 10^-28 г R = 5,3× 10^-9 см. Таков размер обычного атома водорода. Для атома мюонного водорода вместо массы электрона надо подставить массу мюона. Такой атом имеет в 207 раз меньшие размеры: Rm =2,5×10^-11 см.).  В самом деле, раз уж мы догадались о существовании мезоатомов, то можно сделать еще один шаг и представить себе мезомолекулу – два ядра, соединенные между собой не электроном, как обычно, а мюоном. Например, ион молекулярного дейтерия dde представляет собой два дейтона и общий электрон. Дейтоны находятся в нем на расстоянии порядка двух боровских радиусов. В мезомолекуле ddm дейтоны, стало быть, сблизятся до расстояний порядка 5× 10^-11 см. Но мы помним, что именно при таких расстояниях уже идут ядерные реакции синтеза. Получается, что не надо нагревать смесь ядер до немыслимых температур – достаточно образовать мезомолекулу, и два ядра “сами собой” сблизятся на нужные нам расстояния. В такой молекуле локально, в малом объеме возникнут условия, похожие на те, что создаются в центре термоядерного взрыва или существуют в недрах звезд. Тогда произойдет реакция слияния ядер, и этот микровзрыв выбросит на свободу мюон, который никак не будет затронут процессом синтеза, и сможет вновь участвовать в образовании следующей мезомолекулы. Мюон сам в реакции не участвует, хотя и способствует ее протеканию, – он служит катализатором. При этом нужные условия создаются только для тех ядер, которые участвуют в слиянии и до поры до времени не затрагивают прочих ядер. Красиво, экономно, оригинально? Безусловно! Осуществимо ли на практике? Посмотрим.

        Скорости реакций

        Итак, мы сформулировали идею мюонного катализа ядерных реакций синтеза. Но можно ли в реальности провести такой процесс? Ответ зависит от скоростей, с которыми осуществляется каждый из описанных этапов. Надеюсь, читатель не забыл, что мюон живет всего около двух микросекунд. А ведь за это время он должен успеть образовать мезоатом, затем мезомолекулу и, наконец, должна совершиться реакция синтеза. Если мюон распадется раньше, чем произойдут все эти захватывающие события, то никакого нового явления просто не существует в природе. В этом случае нам с вами не о чем было бы говорить, так что проницательный читатель уже, наверно, догадывается о счастливом конце: мюон, конечно же, успеет совершить все, что нам нужно.

        С этим связан и второй вопрос. Обычные химические реакции рано или поздно приводят к отравлению катализатора. В нашем случае это означает исчезновение мюонов по тем или иным причинам, даже не связанным с его временем жизни. Мы сказали, что после микровзрыва мюон освобождается из плена в мезомолекуле. Но станет ли он полностью свободным? Оказывается, что в некоторых случаях мюон не освобождается, а остается связанным в мезоатоме (захватывается на орбиту образовавшегося ядра гелия) и не может выступать в роли катализатора. Поэтому при расчетах необходимо знать детали подобных процессов. Выяснению всех этих сложных проблем и посвящают себя физики, занимающиеся мюонным катализом.

        История идеи

Семен Соломонович Герштейн –

        С. С. Герштейн. История мюонного катализа весьма поучительна. Впервые на способность мезонов вызывать ядерные реакции указал английский ученый Ф. Франк в 1947 г. Любопытно, как возникла эта идея. Мюон и p-мезон, наблюдавшиеся в космических лучах, принимали сначала за одну частицу. В 1947 г. в фотоэмульсиях были обнаружены необычные треки: из точки остановки первоначального мезона выходил другой трек, интерпретированный как рождение новой частицы в результате распада старой. Но это мы сейчас знаем о распаде мезона на мюон и нейтрино. А тогда необходимо было проанализировать и другие возможности. Кинетическая энергия мюона в таком распаде составляет, как теперь известно, 4,1 МэВ. Тогда по трекам эта энергия оценивалась в 5,5 МэВ. А это очень близко к энерговыделению реакции синтеза водорода и дейтерия:

р + d  ® ³Не + 5,4 МэВ.

        Франку введение новой частицы для интерпретации необычных треков в фотоэмульсиях показалось слишком фундаментальным предположением, поэтому он искал другие интерпретации этим опытам. Один из вариантов, которые он рассмотрел, заключался в следующем. В точке остановки образовывается мезоатом. В силу своей нейтральности он может близко подойти к ядру дейтерия и образовать мезомолекулу, в которой произойдет указанная реакция синтеза. Освободившийся мюон унесет при этом почти всю выделившуюся энергию, что и объясняет появление нового трека. Однако сам Франк считал, что из-за ничтожного содержания дейтерия в веществе фотоэмульсии такой процесс маловероятен, и пришел все-таки к выводу что его надо интерпретировать как распад p-мезона. Но замечание Франка относительно малой вероятности рd-синтеза при малой концентрации дейтерия оказалось неверным. Впоследствии подобный процесс был обнаружен экспериментально в природной смеси изотопов водорода, где содержание дейтерия всего 1/600.

        С. С. Герштейн. В 1954 г. была опубликована работа. Я. Б. Зельдовича, где он оценил вероятность образования мезомолекулы рdμ и нашел, что за время своей жизни π-мезон может образовать мезомолекулу лишь с вероятностью в несколько процентов. А в конце 1956 г. американский физик Л. Альварес (А1varez) такое явление открыл. Произошло это случайно, он работал с водородной пузырьковой камерой, облучаемой пучком К-мезонов. Но туда влетали и мюоны, которые ему только мешали. Альварес заметил, что примерно 1/150 часть остающихся в камере мюонов дает следующую картину треков: из точки остановки мюона, или из точки некотором расстоянии от нее, начинается новый след мюона, длина которого (1,7 см) свидетельствует об энергии мюона 5,4 МэВ. Получалось, как будто мюон тормозился в камере, останавливался и затем вновь откуда-то раздобывал энергию 5,4 МэВ. Рассказывают, что правильное объяснение почти сразу же нашел Э. Теллер, – он предложил тот же механизм, на который когда-то указал Франк. Небольшое расстояние между точками остановки мюона и началом нового трека объясняется тем, что образовавшийся мезоатом нейтрален и не оставляет следов в камере.

        В 1968 г. Л. Альварес в своей Нобелевской лекции вспоминал об энтузиазме, охватившем всю группу исследователей при мысли, что им удалось навсегда решить все проблемы человечества с топливом. Дело в том, что их первоначальные оценки показывали, что до распада мюон успеет катализировать достаточно много реакций синтеза. Последующие расчеты и эксперименты показали, однако, что мюон вызывает лишь несколько реакций синтеза, и первоначальный оптимизм несколько угас. Но перед этим, в период с 1957 по 1963 г., мюонным катализом занимались во всем мире. Эксперименты ставили в Англии (А. Ашмор, Аshтоrе и др.), в США (Дж. Феткович, Fetkovich и др., Л. Ледерман, Lederman и др., Дж. Дод, Doede), в СССР (В. П. Джелепов и др.). Среди множества теоретических исследований следует отметить работы Я. Б. Зельдовича, Дж. Джексона (Jackson), С. Коэна (Cohen) и особенно цикл работ С. С. Герштейна.

        Есть и еще одно препятствие. Существует определенная вероятность, что в результате ядерной реакции мюон не освободится, а останется на орбите образовавшегося ядра гелия. Следовательно, этот мюон теряется с точки зрения дальнейшего участия в процессе катализа. Дело в том, что мюонный ион гелия в отличие от мюонного водорода или дейтерия электрически заряжен, и это препятствует образованию из него мезомолекулы. Такое отравление катализатора (захват мюона гелием) существовало бы, даже если бы мюон был стабильным. Об отравлении катализатора говорили Я. Б. Зельдович и Дж. Джексон. Это явление наиболее сильно при использовании смеси водорода и дейтерия. Лучше обстоит дело с реакциями образования мезомолекулы ddμ, так как в этом случае вероятность захвата на гелий-3 составляет около 12 – 13%. Но все равно здесь можно провести не более восьми реакций.

        Температурная зависимость скорости реакций

В это время были известны результаты измерений скорости образования мезомолекул в жидком дейтерии. Теоретики утверждали, что мезомолекула ddμ в жидком дейтерии должна образоваться за время порядка 2× 10^-5 с, а эксперименты Фетковича и Дода приводили к близкому значению 1,3×10^-5 с. Напомним, что мюон живет в 10 раз меньшее время, так что никаких надежд на мюонный катализ действительно не оставалось.

        В. П. Джелепов. Сначала мы занимались совсем не мюонным катализом. Мы изучали процесс слабого взаимодействия отрицательных мюонов с протонами в результате чего образуется нейтрон и нейтрино. Изучение этого процесса – дело очень тонкое. До нас он изучался в жидком водороде. В этом случае реакция между протоном и мюоном может идти как из состояния мезоатома рm , так и из состояния мезомолекулы ppm , вероятность образования которой даже в несколько раз больше. Как следствие существенно осложняется физическая интерпретация экспериментальных результатов. Поэтому мы проводили свои опыты с газообразным водородом при комнатной температуре. В этих условиях количество образующихся мезомолекул ррm мало. Нас интересовали также скорости образования мезомолекул рdm и ppm , так как в водороде могли быть примеси дейтерия. Пришлось проводить опыты с газом, что сильно усложняло работу. Исследуя процессы образования мезомолекул, мы неожиданно обнаружили, что скорость образования ddm резко отличается от имеющихся теоретических и экспериментальных данных. Установили, что такая молекула образуется примерно за 1,3×10^-6 с. Сначала результаты показались подозрительными, нас это насторожило, но результат есть результат, и мы стали обсуждать его с теоретиками. Теоретики – это С. С. Герштейн и Я. Б. Зельдович. У них для времени образования мезомолекулы получалось даже большее значение, чем в экспериментах с жидким водородом. В общем, наши результаты уже ни в какие ворота не лезли. Мы повторили эксперимент, но результат оказался тем же. Это было в 1966 г. Тот факт, что температура у нас выше, чем в экспериментах на жидком водороде (240°К вместо 20°К), заронил в нас мысль, что может существовать какой-то резонансный механизм образования мезомолекул, сильно зависящий от температуры среды. Я. Б. Зельдович в своей ранней работе 1954 г. указывал, что такой резонанс может быть. У него была идея: если энергия связи у мезомолекулы маленькая, то она очень рыхлая, ее размеры сравнительно велики и вероятность ее образования может быть большой. Кроме того, было подозрение, что в молекуле ddm существует слабосвязанный уровень с энергией меньше 7 эВ (первое упоминание о нем появилось в кандидатской диссертации С. С. Герштейна в 1958 г.). Но с такой энергией связи все равно ничего не получалось. У С. С. Герштейна был тогда аспирант Э. А. Весман из Тарту. Он-то и предложил рассмотреть сложный объект – “мезомолекулярный комплекс”, который может поглощать энергию мезоатома, что и заставит “подпрыгнуть скорость образования мезомолекулы.

        В химии часто встречается такой явление, да и в быту все замечали, например, что сахар гораздо быстрее растворяется в горячем чае. Но здесь все дело в масштабе энергий. Изменению температуры на 200 градусов соответствует изменение энергии теплового движения молекул всего на 0,02 эВ. Средняя энергия теплового движения при комнатной температуре (300 К) составляет примерно 0,03 эВ, а при повышении температуры на 100 градусов – 0,04 эВ. Характерная энергия химических реакций (энергия активации) по порядку величины составляет 1 эВ (вспомните энергию, выделяемую при реакции горения). Получается, что тепловая энергия движения молекул не столь уж далека от энергии активации химических реакций. Поэтому и наблюдается зависимость от температуры. У химиков есть эмпирическое правило: при повышении температуры на 10 градусов скорость реакции удваивается.

        Но какова характерная энергия при образовании мезомолекулы? Очевидно, ее энергия связи. Естественно было предположить, что по порядку величины она не слишком отличается от энергии связи (Е) мезоатома dm , которую нетрудно оценить, зная его размеры:

E @ 0,5 e² / R_m  @  2,8 кэВ.

        На самом деле истинное значение несколько меньше из-за поправки на движение ядра: Е=2,66 кэВ. Полученное значение настолько больше энергии теплового движения молекул, что было необычайно трудно поверить в температурную зависимость скорости образования мезомолекул ddm . Но если в мезомолекуле есть слабосвязанный уровень с энергией порядка нескольких электронвольт...

        С. С. Герштейн. Когда В. П. Джелепов с сотрудниками провел свои опыты, вспомнили о слабосвязанном уровне мезомолекулы ddm . Слово “резонанс” появилось где-то в 1961 г. на основании идеи Я. Б. Зельдовича, но сам механизм резонанса был неясен. Весман занялся этой проблемой. Мы пересмотрели разные варианты, чтобы объяснить механизм с учетом этого уровня.

        Ведь что происходит после образования мезоатома dm ? Будучи нейтральным и малым по размерам, он проникает внутрь обычной молекулы дейтерия D₂, . Приблизившись к одному из ядер молекулы D₂, мезоатом образует с ней мезомолекулу ddm . На месте прежней молекулы D₂ возникает сложный комплекс, который можно обозначить как [(ddm)(d)2е)]. Он состоит из ядра дейтона, мезомолекулы ddm , играющей роль второго ядра, и двух орбитальных электронов. Но при образовании мезомолекулы dd выделяется ее энергия связи, которая должна быть кому-то передана. В то время знали, что в мезомолекуле ddm есть четыре уровня энергии в интервале от 36 до 325 эВ. Столь большая энергия передается одному из орбитальных электронов, так что он вылетает наружу, и вместо сложного комплекса остается его ион [(ddm )(d)е]⁺.

        Но это – нерезонансный механизм, не объясняющий по изложенным причинам температурной зависимости скорости образования ddm . Теперь предположим, что в мезомолекуле ddm имеется пятый уровень с энергией связи около 2 эВ. Что произойдет, когда ddm образуется именно в этом состоянии? Чтобы оторвать электрон, надо передать ему энергию порядка 15 эВ. Для диссоциации молекулы D₂ нужна энергия около 4,5 эВ. Так кому же будет передана энергия связи мезомолекулы ddm , равная 2 эВ? Остается еще одна возможность: передать эту энергию на возбуждение колебаний сложного комплекса. Разность энергий между последовательными колебательными состояниями этого комплекса составляет 0,3 эВ. Таким образом, 2 эВ почти достаточно для возбуждения седьмого колебательного уровня. Если бы такое равенство выполнялось точно, то процесс образования мезомолекулы ddm был бы весьма эффективен. Но в природе не бывает таких чудес, чтобы одна энергия в точности равнялась другой. Хотя небольшое различие, но все-таки будет, и процесс станет невозможным.

        И тут Весман придумал: эти энергии могут сравниться, если прибавить к энергии связи ddm кинетическую энергию мезоатома dm . Именно эта небольшая добавка поможет сравняться выделяемой энергии и энергии одного из колебательных уровней комплекса. И именно эта энергия теплового движения зависит от температуры среды. В то время мы не могли надежно убедиться в самом существовании слабосвязанного уровня мезомолекулы ddm , а тем более определить его энергию. Я посоветовал Весману просто подобрать значение энергии эмпирически. Он и подобрал 2 эВ. Еще раньше идея резонанса проверялась группой В. П. Джелепова. Они действительно увидели, что при разных температурах (энергиях dm -атомов) вероятность образования ddm различна. Работа Весмана была опубликована в 1967 г. Его механизм все объяснял, но для полного доказательства надо было вычислить энергетические уровни мезомолекулы ddm . За эту грандиозную задачу взялся Л. И. Пономарев.

        Л. И. Пономарев. Тогда я работал в Лаборатории теоретической физики в Дубне. Мезомолекулы интересовали нашу группу как уникальный пример классической задачи трех тел с кулоновским взаимодействием. В нашем случае это два ядра и мюон. Для последовательного квантово-механического описания этих процессов в Дубне был развит и реализован метод решения задачи трех тел, позволяющий вычислить вероятности практически всех мезоатомных процессов: упругого рассеяния, образования мезомолекул и т. п. Для проверки резонансного механизма образования молекул ddm необходимо было выполнить вычисления с огромной точностью. Разность энергий ΔΕ молекулы дейтерия D₂ и возбужденного до седьмого уровня комплекса [(ddm )(d)2е] равна 2,012 эВ. Эта энергия возбуждения должна быть в точности равна сумме выделившейся энергии связи e мезомолекулы ddm и кинетической энергии E_o налетающего мезоатома dm .   Меняя температуру среды, мы изменяем E_o и можем подобрать ее так, чтобы выполнялось условие резонанса ΔΕ = E_o + e . Скорость образования мезомолекулы ddm настолько сильно зависит от температуры, что нарушение условия резонанса даже на сотые доли электрон-вольта изменяет ее в несколько раз. С точностью же определения кинетической энергии хлопот не было: достаточно поддерживать определенную температуру, так как изменению E_o на сотую долю электрон-вольта соответствует изменение температуры на целых 100 градусов.

        Но в условие резонанса входит и энергия связи молекулы ddm , которую надо знать с такой же точностью. Так как энергия связи мезоатома dm равна Е=2,7×10³ эВ, то нам надо было решить задачу трех тел с относительной точностью e_o /(2E) = 2× 10^-6. Чтобы представить себе сложность поставленной задачи, достаточно вспомнить, что фундаментальные константы и масса мюона известны примерно с такой же точностью. Расчеты дали 1,946 ± 0,001 эВ. В конце 70-х годов мы добились точности вычислений примерно на порядок меньше. Но уже это позволило надежно установить само существование слабосвязанного уровня мезомолекулы ddm . Эксперименты группы Джелепова, выполненные к тому времени, не оставили сомнений в том, что резонансный механизм действительно имеет место. Вычисления проводились в содружестве с математиками из Лаборатории вычислительной техники и автоматизации в Дубне (И. В. Пузынин, Н. Ф. Трускова, Т. П. Пузынина и др.) и потребовали многих сотен часов расчетов на доступных нам ЭВМ.

        Выполнение столь грандиозной программы, какой оказалось исследование мюонного катализа, было бы невозможно без неувядающего оптимизма Леонида Ивановича, его умения зажигать людей. Сплотить вокруг себя группу теоретиков, увлечь экспериментаторов... и все это в период пессимистического отношения к самой идее. На конференции в Гатчине Э. А. Весман вспоминал, что на семинаре в 1967 г., когда он докладывал свою работу, присутствующие разместились в небольшой комнате. В том, что теперь мюонным катализом снова занимаются во всем мире, – немалая заслуга советских теоретиков и экспериментаторов.

        Смесь дейтерия и трития

До сих пор говорилось об образовании мезомолекул в дейтерии. Но мы помним, что здесь сравнительно велика вероятность прилипания мюона к образовавшемуся ядру гелия, что ведет к “отравлению” катализатора. Поэтому мой следующий вопрос:

        В. П. Джелепов. В 1977 г. мы провели новые опыты в широком интервале температур и сняли полную резонансную кривую зависимости скорости образования мезомолекул ddm от температуры. Все наши результаты по образованию молекул ddm были прекрасно объяснены Л. И. Пономаревым с сотрудниками. Но как только они это сделали, то тут же принялись за систему dtm . Это делает им честь. Мы такую систему до того не изучали, потому что добавлять тритий к водороду при исследовании процессов слабого взаимодействия – бессмысленное дело: тритий радиоактивен и похоронит вам все. Группа Пономарева обнаружила, что в мезомолекуле dtm тоже есть слабосвязанный уровень с энергией – 0,7 эВ, а это означало, что при столкновении мезоатомов tm с молекулами D₂ также должно происходить резонансное образование мезомолекулы, входящей в сложный комплекс [(dtm )(d)2е]. Из-за того, что в этом случае энергия связи мезомолекулы оказалась в 3 раза меньше, резонансный переход осуществляется не в седьмое, а лишь во второе возбужденное колебательное состояние комплекса. Это ведет к резкому возрастанию скорости образования мезомолекул dtm , которая, по расчетам, по крайней мере в 100 раз превышает скорость образования ddm . Получилось, что мезомолекула образуется примерно за 10^-8 с, откуда следует, что за время жизни мюон успеет осуществить около 100 реакций синтеза.

        Когда мы услышали от теоретиков о таких потрясающих цифрах, то стали быстро готовить опыты по изучению образования dtm . В течение полутора лет мы трудились, не покладая рук. Установка заметно усложнилась. С тритием работать трудно: он, как уже сказано, радиоактивен, создает неприятные фоны и т. п. Пришлось создать новые электронные системы. Наш ускоритель после 30-летней эксплуатации работал, что называется, на последнем издыхании. Опыты мы начали в 1979 г., и нам удалось измерить нижнюю границу скорости образования мезомолекул dtm . Оказалось, что они образуются за время, меньшее 10^-8 с. Условия опыта большей точности не давали, но Л. И. Пономарев предсказал величину 1× 10^-8 с, в прекрасном согласии с нашими данными. Мы определили еще один важный параметр: время “перескока” мюона с дейтона на тритий. Дело в том, что dt-синтез происходит при встрече мезоатома tm с дейтоном; при встрече же атома dm с тритием синтез не осуществится. Если дейтерия в смеси больше, чем трития, то атомы dm образуются чаще. Однако их энергия связи меньше, чем у атомов tm , так что энергетически выгоден “перескок” мюона с дейтона на тритий. При малой скорости процесс “перескока” затормозил бы весь цикл мюонного катализа. К счастью, это оказалось не так. Измеренное нами время “перескока” 0,3× 10^-8 с невелико и также находится в хорошем согласии с теорией.

        После этого начался невероятный бум. Доклад о наших работах я сделал на конференции в Ванкувере, подарил препринты сотрудникам мезонных фабрик ТRIUMF в Канаде, SIN в Швейцарии и LАМРF в США. Они тоже стали развивать исследования по мюонному катализу. Примерно через три года были получены первые результаты. Сейчас к исследованиям подключились физики из Японии, ФРГ, Австрии и других стран.

        Я хочу подчеркнуть, что в ОИЯИ была приятная обстановка. Работая с теоретиками в тесном контакте, мы на разных этапах взаимно ускоряли друг друга. Первый толчок дали мы, когда выяснили, что скорость образования ddm существенно больше, нежели думали раньше. Второй толчок исходил от теоретиков, когда Пономарев со своей группой получил интересные результаты по образованию dtm .

        Трудно было не только нам, у теоретиков тоже были свои проблемы. На симпозиуме в Гатчине стало известно, что в Японии на такие расчеты тратят теперь всего 100 с, у группы Л. И. Пономарева в то время уходило до 100 ч, а иногда и больше. Трудности колоссальные: ведь если в чем-то ошиблись, то последующая проверка стоила новых 100 часов машинного времени. Вообще теоретики нам очень помогали. Я. Б. Зельдович оказывал большую поддержку, а Л. И. Пономарев был постоянно рядом – трудно сказать, сколько раз в день мы с ним встречались. К сожалению, опыты нам пришлось прервать – синхроциклотрон, на котором мы работали, был демонтирован для замены новым. Но искра интереса к мю-катализу зажгла уже многих – эксперименты, как я уже сказал, начались в нескольких лабораториях мира. В нашей стране они начали интенсивно вестись в Ленинградском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова под руководством А. А. Воробьева. Там был разработан новый оригинальный метод изучения системы ddm и выполнены прецизионные измерения основных параметров процесса dd-синтеза в этой молекуле. Группа А. А. Воробьева вошла в число лидеров в исследованиях по мю-катализу.

        С. Джоунс. Группа В. Джелепова в 1979 г. проверяла теоретические предсказания, что мезомолекула dtm может образоваться за время, составляющее 0,5% времени жизни мюона, и что при повышении температуры газовой смеси дейтерия и трития скорость образования будет повышаться. Они показали, что действительно dtm образуется не медленнее, чем было предсказано на основе резонансной модели. Однако они не обнаружили никакой температурной зависимости, хотя охлаждали газ до 93°К и нагревали его до 613°К. Быстрое образование молекулы dtm согласовывалось с резонансной моделью, но куда подевалась температурная зависимость? К сожалению, ускоритель в Дубне был в 1979 г. закрыт на реконструкцию, и советские коллеги не смогли продолжить свои эксперименты.

        Наши эксперименты в Лос-Аламосе начались в 1982 г. Резервуары для смеси дейтерия и трития были способны выдержать давление до 1000 атм (позднее – до 3000 атм). Мы могли также менять температуру смеси в широких пределах – от 13°К до 800°К. Ранним утром в ноябре 1982 г. мы охладили смесь от комнатной температуры до 100°К. Смесь содержала равные количества дейтерия и трития. Мы обнаружили, что число реакций синтеза заметно уменьшается в качественном согласии с резонансной моделью. Но результат все же был удивителен для нас, так как эксперименты в Дубне такой зависимости не обнаружили. Всю следующую ночь мы провели за проверкой электронных систем, которые могли бы давать ложные сигналы. Но нет, все работало нормально. На другой день мы подогрели смесь, и число реакций стало возрастать. Резонансная модель, развивавшаяся А. Пономаревым с сотрудниками, была окончательно подтверждена. Однако никакой зависимости от температуры не было нами замечено, когда смесь содержала 10% трития и 90% дейтерия. Это находилось в согласии с результатами дубненских экспериментов, где трития было менее 8%. Вскоре мы поняли, почему так происходит.

        При небольшой концентрации трития мюон сначала скорее образует мезоатом с дейтоном и потом “перескочит” с него на ядро трития. Этот процесс совершается примерно за то время, что и образование мезомолекулы dtm , но почти не зависит от температуры. Температурная зависимость появляется при концентрациях трития более 30%. Мы измерили также вероятность прилипания мюона к гелию. Теоретики сначала оценивали эту вероятность в 1,2%. Далее, ион мюонного гелия быстро движется через среду и может “стряхнуть” с себя мюон, который снова включится в цикл катализа. Вероятность стряхивания оценивалась в 24%. Поэтому полная вероятность исчезновения мюона получалась равной 0,9%. Отсюда следовало, что мюон может осуществить не более 110 циклов реакций, даже если он будет стабильным. Для времени образования мезомолекулы dt мы получили величину 0,6× 10^-8 с. Если бы не было прилипания, то за время жизни мюон смог осуществить 350 реакций (а может, и больше), так как скорость реакции имеет тенденцию к росту с повышением давления. Все определяется вероятностью прилипания.

        По-видимому, окончательно выяснилось, что резонансная модель работает и что в смеси дейтерия и трития мюон способен осуществить достаточно много реакций синтеза. Сейчас число реакций даже превышает надежды теоретиков. Существование красивого физического явления подтверждено теоретически и экспериментально. Но даст ли это нам возможность получить новые источники энергии?

        Энергетические возможности

        Мы помним, что при слиянии ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 МэВ энергии. Поэтому при 100 реакциях, произведенных одним мюоном, мы получим около 2 ГэВ. А сколько надо потратить, чтобы произвести мюон? Нужно разогнать протоны в ускорителе, направить их на мишень. Там неиз6ежны большие потери, так как энергия будет уноситься осколками соударений. Среди осколков имеются пионы, которые, распадаясь, дадут нам желанные мюоны. При этом еще значительная часть энергии будет унесена нейтрино. И наконец, мюоны теряют энергию, замедляясь в смеси дейтерия и трития.

        С. С. Герштейн. После того как выяснилось, что энергия слабосвязанного уровня в мезомолекуле dtm еще меньше, чем в ddm , мы с Пономаревым написали заметку, что мюон может вызвать в смеси дейтерия и трития по крайней мере 100 реакций. Потом я передал эту работу Ю. В. Петрову. Он занимался реакторами. Через день Петров позвонил мне и спросил, зачем я это сделал. Я объяснил, что интуиция подсказывает мне – он найдет способ использовать эти результаты. По его тону я понял, что на самом деле он уже знает, как это сделать. И действительно, он сказал, что дело не в 2 ГэВ, выделяющихся при синтезе (ведь на производство мюона идет раза в 3 больше). А важны 100 нейтронов – они-то наверняка и пригодятся. Этот разговор положил начало нашей общей деятельности.

        Ю. В. Петров. В последних экспериментах, проведенных двумя мощными группами (одна состоит из физиков Лос-Аламоса и Айдахо, а другая – из ученых Лос-Аламоса, Ливермора, Цюриха, Вены), показано, что число реакций, вызываемых мюоном, может быть велико, более 100. При этом на один мюон выделяется сотня с лишним нейтронов и 2 – 3 ГэВ энергии. Но даже если быть оптимистами, то на производство мюона надо затратить никак не меньше 6 ГэВ – 12 ГэВ. Это значит, что сам по себе мюонный катализ энергетически невыгоден. К тому же мы затрачиваем хорошую электрическую энергию, а получаем тепловую, которую еще надо преобразовывать. Там тоже неминуемы потери, потому что КПД обычных электростанций находится на уровне 40%. В итоге мюонный катализ коммерчески невыгоден даже при 500 синтезах или больше, о чем можно только мечтать, так как никаких оснований для такого оптимизма у нас сейчас нет. Мы считаем, что мюонный катализ хорош не как производитель энергии, а как источник нейтронов. Эти нейтроны обладают энергией примерно 14 МэВ. Попадая в уран-238, они способны превращать его в изотоп плутония-239. Как известно, уран-238 не делится, но его в природной смеси содержится 99,3%. Плутоний же является прекрасно делящимся элементом и может использоваться как топливо для дешевых реакторов на тепловых нейтронах.

        Мезокаталитические реакторы имеют ряд преимуществ перед термоядерными. Доля дорогой энергии синтеза, производимой на них, может составлять 1% от полной произведенной энергии, а на термоядерных реакторах доля дорогой энергии составляет несколько процентов. Кроме того, в мезокаталитических реакторах отсутствуют некоторые технические трудности, имеющиеся в термоядерных установках. Поэтому можно надеяться, что мезокаталитический реактор окажется конкурентоспособным. Так ли это – покажет будущее. У термоядерного реактора в свою очередь есть одно важное преимущество: у него выше коэффициент усиления. Ведь, по существу, любой гибридный реактор является усилителем мощности. Вы вкладываете некоторую мощность в плазму либо в мезокаталитический реактор, а потом эта мощность усиливается за счет деления урана в бланкете и за счет того, что образовавшийся плутоний питает реакторы-сателлиты. Оценки показывают, что мюонный катализ может стать экономически выгодным, если при рабочих условиях (температурах порядка 200 – 300°С и давлении порядка 1000 атм) удастся добиться тех самых 150 циклов на один мюон, которые уже получены при гораздо более низких температурах и искусственно созданных благоприятных условиях.

        Не исключено также, что число циклов увеличится. При изучении мюонного катализа мы столкнулись со многими сюрпризами, и – что важно – они были, как правило, приятными. Теоретики предсказывали около 100 реакций, а их оказалось гораздо больше. Группа Джоунса говорит, что вероятность прилипания порядка 0,3% и зависит от плотности смеси. Измерения другой группы дают величину порядка 0,45%, т. е. предельное число циклов около 200. Они не видят зависимости прилипания от плотности. Измерения другими методами в ФРГ и Японии дают совсем маленькое значение – около 0,25%. Тогда число циклов может возрасти до 400. А некоторые группы теоретиков склонны считать, что эта величина даже меньше 0,1%. Так что, глядя со стороны, понимаешь, что мы еще очень плохо знаем истинную природу явления прилипания. И потому существует широкий диапазон мнений – от полного оптимизма до заметного пессимизма. Но даже пессимисты считают, что предельное число циклов не 100, а, скажем, 170. Так что все сильно изменилось по сравнению с первоначальными представлениями.

        Ю. В. Петров. Хотя мезокаталитический реактор сам по себе не является надкритической системой и на нем принципиально не может быть ядерного взрыва, который хотя и маловероятен, но все-таки возможен в реакторах на тепловых нейтронах, проблема безопасности остается. Описанная мной схема включает обычные реакторы, т. е. критические системы. При несоблюдении техники безопасности или неудачной конструкции могут произойти аварии, как и на любых реакторах деления. Но авария в Чернобыле нас многому научила. Сейчас имеется определенное направление, по которому работают и у нас в стране, и во всем мире. Это создание внутренне безопасных ядерных реакторов. В принципе можно создать такие реакторы, которые при повышении мощности будут глушить сами себя. В таких реакторах не может произойти ядерного взрыва и самопроизвольного развития реакции. Создание таких реакторов – наша ближайшая задача. Сейчас ядерная энергетика производит в мире более 15% электроэнергии, а в некоторых странах (например, во Франции) – почти 70%. От ядерной энергетики мы отказаться не сможем. В будущем она займет, по-видимому, главное место в энергетике. Человечеству без нее не обойтись. Откуда мы возьмем топливо для реакторов на тепловых нейтронах? Будем ли мы использовать все более бедные руды, т. е. все более дорогое топливо, или же сумеем производить это топливо в реакторах на быстрых нейтронах? Такие реакторы очень и очень дороги, хотя и ближе всего к практике: и в СССР, и в других странах уже работают такие станции. А может, мы сумеем производить расщепляющиеся материалы в гибридных термоядерных или мезокаталитических реакторах? Это, конечно, уже проблемы ХХ1 в., но с учетом инерционности ядерной энергетики разрабатывать эти вопросы надо уже сейчас. Прогресс последних лет в проблеме мюонного катализа ядерных реакций дает надежды на его практическую применимость в ядерной энергетике, и было бы неразумно пройти мимо такой возможности.

        В. П. Джелепов. Я полагаю, что главная проблема – это выбор оптимальных решений. Есть оптимум в ускорительной технике. Предполагают, например, делать ускоритель для МКР на 4 – 5 ГэВ. Но нужна ли такая энергия? В Лос-Аламосе ускоритель на 800 МэВ имеет длину более километра. Представляете, куда уйдет ускоритель на 4 ГэВ? Это же огромные затраты!  При увеличении числа элементов уменьшается надежность системы. Далее, непропорциональный рост эксплуатационных расходов с увеличением размера ускорителя. Физики должны определить, каковы оптимальные энергии, концентрации трития, давления. Возникает куча проблем, все параметры надо рассчитать, измерить и оптимизировать. Скажем, сейчас уже более или менее ясно, что токи ускорителя в МКР в несколько сот раз должны превышать токи наиболее мощных современных ускорителей (ток в Лос-Аламосе составляет 0,001 А, а требуется ток порядка 0,3 А. При этом наиболее эффективными были 6ы не протонные, а дейтонные ускорители. При столкновении дейтонов с ядрами мишени p-мезоны, являющиеся источником отрицательно заряженных мюонов, рождаются более охотно. По-видимому, дейтоны должны быть ускорены до энергии порядка 1600 МэВ. Нетрудно подсчитать теперь, что мощность в пучке такого ускорителя составит примерно 400 – 500 МВт. Для его питания нужна электростанция мощностью порядка 1000 МВт (такова мощность стандартного блока атомной электростанции).

        Ю. В. Петров. Мы идем в область новой техники. Если до сих пор мы имели дело с ускорителями элементарных частиц, где токи порядка миллиампер, то ускоритель для мюонного катализа должен иметь токи в сотни миллиампер. Специалисты считают, что такой ускоритель создать можно, и даже называют КПД порядка 50 – 60%. Иными словами, больше половины энергии можно превратить в энергию пучка. Но одно дело думать, а другое – знать. Предстоит большая работа. Для конкурентоспособности такой ускоритель должен быть достаточно дешевым. Иначе может оказаться, что метод приемлем, но экономически убыточен. Здесь ведь также возможны неожиданности. Может быть, открытие высокотемпературной сверхпроводимости даст новые возможности создания дешевых ускорителей.

        Л. И. Пономарев. Достаточно сказать, что если бы мюон был всего на 1% тяжелее, то исчезли бы слабосвязанные уровни мезомолекул ddm и dtm , так что нам с вами сейчас не о чем было бы говорить. Если бы мюон оказался всего на 1% легче, то энергия связи в мезомолекуле dtm увеличилась бы в 2 раза, что привело бы к уменьшению в 10 раз скорости ее образования, и вопрос о практическом использовании явления потерял бы смысл. Это напоминает ситуацию с ядерной энергией. Ее практическое использование зависело от величины коэффициента размножения нейтронов в каждом акте деления. Окажись этот коэффициент всего на 10% меньше, то уран-графитовый реактор на природном уране был бы невозможен. Вся мировая история энергетики пошла бы по иному пути. При виде множества счастливых совпадений не хочется верить, что их гармоничное сочетание, составляющее суть мюонного катализа, всего лишь красивая, но бесполезная случайность. Явление мюонного катализа родилось, выжило в тяжелые времена, вступило в пору зрелости, и остается ждать, принесет ли оно жизнеспособное потомство. Как сказал мой друг и коллега Дж. Фиорентини: “Se son rose fioriranno” (если это – розы, то они расцветут).

Переход.....Назад