ХОЛОДНЫЙ ТЕРМОЯД:

ОТ ИДЕИ К ЭКСПЕРИМЕНТУ

 

Р. СВОРЕНЬ, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь».

 

Вот уже примерно тридцать лет физика штурмует один из самых заманчивых ис­точников энергии — реакции ядерного синтеза. Известно, что два атома тяжелого водорода могут слиться, превратиться в атом гелия. В каждом таком микропроцессе слияния двух атомов, точнее, слия­ния двух атомных ядер, выделяется огромная по атомным масштабам энергия — в миллионы раз большая, чем при сжигании (окислении) атома углерода. Отсю­да и начинаются ошеломляющие расчеты, где стакан воды, из которого получен во­дород для ядерных реакций, заменяет цистерны углеродного топлива, например, нефти.

Тяжелый водород, который может ис­пользоваться в реакциях синтеза,— это известные изотопы дейтерий D и тритий Т. В ядре атома водорода только одна частица — массивная частица с положи­тельным зарядом — протон, его обозначают буквой р. В ядрах дейтерия и трития, кроме протона, есть еще нейтроны п, ча­стицы без электрического заряда: у дей­терия один нейтрон, у трития — два (см. рис. 2). По аналогии с протоном р, ядра дейтерия и трития иногда называют дей­троном и тритоном, обозначая буквами d и t

Чтобы началась ядерная реакция син­теза, началось слияние двух ядер дейте­рия или трития в единое ядро гелия, эти исходные ядра нужно сильно сблизить: расстояние между ними должно стать при­мерно 5·10^{-11 см. Это очень малая вели­чина, она в сотни раз меньше размеров самого атома. Но только на таких малых расстояниях, только начиная с дистанции 5·10-11 см, уже достаточно энергично дей­ствуют ядерные силы. И только они, мо­гучие ядерные силы, могут соединить в одно целое ядра дейтерия или трития. По­тому что протоны, которые входят в эти ядра, своими одноименными положитель­ными зарядами стремятся оттолкнуться друг от друга в полном соответствии со школьным учебником физики: «Одноимен­ные электрические заряды взаимно оттал­киваются...» и т. д.μ}

Это электрическое расталкивание прото­нов как раз и есть первопричина всех не­приятностей, именно оно затрудняет воз­никновение реакций синтеза. Сила элект­рического расталкивания возрастает при сближении протонов, и на малых атомных расстояниях она просто огромна. Так, на нужном нам расстоянии 5·10^{-11 см напря­женность расталкивающего электрического поля около 1500 миллиардов киловольт на сантиметр; если в одном кубическом сантиметре газообразного водорода все ядра построить парами, построить, так сказать, в колонну по два, и в каждой паре сблизить протоны до расстояния 5·10-11 см, то суммарная сила расталкивания прото­нов превысит сто триллионов тонн.} Это даже трудно представить себе — в одном кубическом сантиметре газа разовьется си­ла, которая на фантастических весах мог­ла бы уравновесить железнодорожный со­став, 5 миллионов раз опоясавший земной шар. А в кубическом сантиметре жидкого во­дорода эта суммарная расталкивающая сила будет еще в 100 раз сильнее.

Итак, главный враг ядерного синтеза — электрическое расталкивание протонов. Электрические силы, которые человек приручил, заставил светить, греть, тянуть по­езда, именно эти электрические силы по­чему-то стали непреодолимым заслоном на пути человека к энергетическому изоби­лию. Вот уже тридцать лет борется физи­ка с этим электрическим упрямством, ис­пользуя виртуозную технику, раскрывая самые нераскрываемые секреты ядерных взаимодействий, развивая контрэлектриче­ское наступление сразу на нескольких на­правлениях. Так, например, чтобы преодо­леть электрическое расталкивание, в ус­тановках типа «Токамак» нагревают водо­родную плазму (это ядра, с которых уже слетела внешняя электронная оболочка) до десятков миллионов градусов, увеличи­вая тем самым энергию беспорядочно сталкивающихся ядер. Или сильно сжима­ют дейтерий-тритиевую смесь мощными лазерными лучами (см. «Наука и жизнь» № 7, 1979 г.), сильнейшим внешним дав­лением принуждая ядра сблизиться.

Есть еще один метод сближения ядер водорода (дейтерия, трития), называет­ся он мюонный катализ, а коротко — мю-катализ.

Как следует из самого этого словосо­четания «мюонный катализ», главный ге­рой процесса — мюон или, как его более полно называют, мю-мезон (обозначается буквой μ). Эта ядерная частица по многим своим характеристикам напоминает элек­трон. В частности, у мюона, как и у электрона, единичный отрицательный элек­трический заряд, электрический «минус» (μ —), хотя бывают и положительно заря­женные мюоны (μ +), аналог позитронов. Мюон взаимодействует с другими частица­ми, повторяя типичные повадки электрона. В ряде случаев мюон может даже иг­рать роль электрона, может заменить его. А вот главные различия — мюон примерно в 200 раз (точнее, в 206,769 раза) тяжелее электрона и живет он сравнительно недол­го—в среднем через две микросекунды после рождения (точнее, через 2,2 мкс = 2,2·10^-6с) мюон погибает, распада­ется на электрон и два нейтрино.

Следующий наш шаг на пути знакомст­ва с мюонным катализом — это напомина­ние о том, что в природе существует не только атомарный водород — одиночный атом Н, но и   молекулярный — два   водородных атома, объединенных, связанных в одну молекулу Н₂. Существуют аналогич­ные молекулы тяжелого водорода — дей­терия D₂ и трития Т₂. В таких молекулах два обобществленных электрона, они, гру­бо говоря, вращаются по общей орбите и как бы стягивают, сближают ядра двух отдельных атомов. Но сближают их еще не на столько, чтобы вступили в действие ядерные силы и началась реакция синте­за. Так, в частности, в молекуле дейтерия D₂ расстояние между ядрами отдельных атомов 10^{-8 см, что в 200 раз больше, чем нужные нам 5·10-11 см. Проще говоря, в молекуле} D₂ ядра атомов находятся в 200 раз дальше друг от друга, чем это нужно для реакции синтеза.

Ну и, наконец, последнее подготови­тельное напоминание. Кроме обычных, так сказать, нормальных атомов водорода Н (их можно обозначить как ре— в яд­ре один протон р, на орбите электрон е), были теоретически предсказаны и экспе­риментально обнаружены так называемые мезоатомы водорода рμ (здесь и дальше вместо μ — мы будем писать μ, имея в ви­ду, если это особо не оговорено, что речь идет об отрицательном мю-мезоне), где на орбите вокруг протона вращается не электрон, а мюон (см. статью «Экзоти­ческие атомы», «Наука и жизнь» № 7, 1973 год). Существуют также мезоатомы дейтерия dμ и трития tμ. Они, естествен­но, отличаются от мезоатома водорода со­ставом ядра: кроме протона, в него вхо­дят еще один или два нейтрона (dμ = рпμ, tμ = рппμ). Ну и, наконец, из мезоатомов водорода, дейтерия и трития могут обра­зоваться двухатомные мезомолекулы водо­родного семейства. Причем всего может быть шесть комбинаций ядер р, d, t, a, значит, шесть вариантов таких мезомолекул, а именно ррμ, ddμ, ttμ, pdμ ptμ, dtμ (рис. 4). He беда, что в молекулах на два протона приходится один мюон, то есть, грубо говоря, на два «плюса» в ядре при­ходится один «минус» на орбите. При этом молекула в целом просто перестает быть электрически нейтральной, она ста­новится положительно заряженной систе­мой, положительным ионом. Для того, кто интересуется судьбой не атомов, а ядер, событие это в   общем-то    второстепенное. А теперь о главном. Электрическое при­тяжение ядра удерживает вращающий­ся вокруг него электрон, не дает электро­ну сорваться с орбиты и улететь из ато­ма. Мюон в 200 раз тяжелей электрона, и чтобы мезоатом был таким же устой­чивым, как нормальный «электронный» атом, сам мюон по законам атомной архитектуры должен вращаться на орбите в 200 раз (это разница в массе мюона и электрона) более близкой к ядру, чем электронная орбита.

Весь смысл мюонного катализа связан именно с тем, что орбита мюона очень близ­ка к ядру. При возникновении мезомолекулы эта близкая мюонная орбита сожмет, сблизит ядра отдельных атомов, образую­щих молекулу. Расстояние между ядрами уменьшится до той самой дистанции 5·10^{-11 см, на которой начинают эффек­тивно действовать ядерные силы. Значит, при образовании мезомолекулы сразу же произойдет реакция ядерного синтеза, вы­делится огромная энергия, а ядра отдель­ных атомов этой мезомолекулы сольются в единое ядро гелия.}

Отсюда великолепная идея: на дейте­рий, на тритий или на определенную их смесь нужно направить поток мюонов. Они, эти мюоны, будут образовывать ме­зоатомы, те, в свою очередь, будут объе­диняться в мезомолекулы, в которых атомные ядра будут мгновенно сливаться, то есть будут происходить ядерные микро­взрывы — реакции ядерного синтеза (рис. 5—16). Так, сами же атомные вой­ска — тяжелая кавалерия мюонов,— по­давив ожесточенное сопротивление элект­рических сил расталкивания, заставят во­дородные ядра сближаться, сливаться в ядра гелия, всякий раз выделяя при этом огромную порцию дармовой энергии.

Эта великолепная идея всего лишь идея. И ее судьба, как и судьба многих вели­колепных идей, зависит от прозаической арифметики, от бесстрастных «pro» и «contra», «за» и «против». Причем ситуа­цию здесь никак не сравнишь с весами, на одной чаше которых аккуратно лежат достоинства, на другой — недостатки. Все в этой проблеме сложным образом перепле­тено, все находится в динамическом со­стоянии, то и дело уточняются важные представления, открываются новые под­робности, меняются оценки.

И все же о нескольких «за» и «против» можно говорить вполне определенно.

Начнем с двух существенных «про­тив»,

Первое. Мюон — частица дорогая, ее получают в ядерных реакциях на мощных ускорителях, затрачивая на это немалую энергию. Кто-то даже подсчитал, что се­годня миллион мюонов обходится в де­сять рублей и что при таких ценах труд­но думать о рентабельной энергетике. Но­вые сильноточные ускорители, так называемые мезонные фабрики, позволят про­извести некоторое снижение цен на мюо­ны, но последнее слово, видимо, все же останется за физиками, которые задумываются о технологии получения более деше­вых мюонов.

Второе. Мюон, как уже говорилось, сравнительно короткоживущая частица, а дел ему нужно сделать немало. Мюон должен встретиться с обычным электрон­ным атомом и сбросить скорость, притор­мозить, чтобы не проскочить мимо; дол­жен заменить электрон на атомной орбите, образовать мезоатом; помочь мезоато­му объединиться с другим, подобным ему, образовать мезомолекулу; сжать ядерные частицы мезомолекулы, сблизить их до расстояния 5·10^{-11 см, довести тем са­мым дело до микровзрыва, до реакции синтеза водородных ядер.}

Успеет ли мюон сделать все это? Хва­тит ли ему жизни?

Оказывается, что даже радостное «Успе­ет!» не может считаться удовлетворитель­ным ответом и опять-таки из-за высокой стоимости мюонов. Чтобы ядерный синтез с участием мюонов был энергетически выгодным процессом, каждый мюон за время своей жизни должен слепить много мезомолекул: создал одну, сжал ее ядро до 5·10^{-11 см}

, дождался ядерного микро­взрыва, выскочил из него невредимым и пошел дальше, начал следующую такую же операцию. То есть мюон должен вы­ступать в роли катализатора ядерных ре­акций, и именно об этом говорит само на­звание процесса — мюонный катализ.

Катализ, катализатор. Слова эти, из­влеченные из словаря химиков, дав­но уже перестали быть узким профессио­нальным термином. В химии катализатор есть вещество, которое «изменяет скорость реакций, но в результате их само остает­ся химически неизменным». Катализатор как бы организует процесс, направляет его, подсказывает, как, что делать. В ка­кой-то момент катализатор, казалось бы, сам включается в работу, но, заварив ка­шу, тут же уходит, чтобы уже в другом месте начать все сначала и, опять толь­ко-только наладив дело, снова уйти.

Нечто очень похожее можно наблюдать не только в химии, но и, пожалуй, во многих классах природных явлений, во многих жизненных ситуациях. Зловещий катализатор ненависти Яго, весельчак-ор­ганизатор Фигаро, дирижер большого хора, или милиционер, управляющий потоками автомобилей,— все они демонстрируют житейские примеры катализа, напоминая, что понятие это имеет чрезвычайно широ­кий смысл.

Но, оставив приятную возможность по­размышлять, пофилософствовать о ката­лизаторах вообще, мы возвращаемся к конкретному каталитическому процессу ядерных масштабов — к мюонному ката­лизу.

Мюон, создающий водородные мезомо­лекулы, именуется катализатором вполне заслуженно. Потому, что после организо­ванного им ядерного микровзрыва мюон вновь оказывается свободным и может начинать строительство следующей мезомолекулы, организацию следующего микро­взрыва. Бывает, правда, что мюон «при­липает» к атому гелия (рис. 17), образо­вавшемуся в результате водородного син­теза, и больше уже ничего в своей жизни сделать не успевает. Подобное явление известно и химикам, его называют отрав­лением катализатора продуктами реакции. В данном случае каталитическим ядом оказывается ядро гелия, связавшее мюон в   мезоатоме гелия.

Сколько же конкретно единичных ядерных реакций успевает организовать мюон-катализатор за две микросекунды своей бурной жизни? Сколько пар дейтериевых или тритиевых ядер он успевает слить в ядро гелия?

Как вы, конечно, понимаете, это есть вопрос вопросов. Ответ на него, одна только цифра, сразу же покажет, насколь­ко пригоден мюонный катализ для энерге­тики. Насколько его «могу» соответствует реальному «нужно».

Хорошо известно, сколько энергии выде­ляется при каждой элементарной ядерной реакции. Так, например, реакция D+D да­ет энергию 3,3 МэВ (МэВ — это популяр­ная в физике единица энергии мегаэлектронвольт, то есть миллион электрон-вольт; 1 МэВ примерно равен 10^-13 малой калории), а реакция D+T дает в 5 с лиш­ним раз больше энергии—17,6 МэВ. Зная эти цифры и общее число реакций, кото­рое успевает организовать один мюон-ка­тализатор, легко подсчитать и общую энергию, добытую с его помощью. Естест­венно, что мюон должен дать больше энергии, чем было затрачено на его полу­чение, в противном случае установка, где осуществляется мюонный катализ, будет не генератором, не источником энергии, а ее потребителем.

Специалисты считают, что для получе­ния одного мюона на ускорителе нужно затратить энергию примерно в 5 тысяч МэВ. Чтобы скомпенсировать такие затра­ты, мюон-катализатор, как легко подсчи­тать, должен за время своей жизни осу­ществить примерно 1500 реакций D+D или 300 более эффективных реакций D+T. Ну а для того, чтобы генератор, использую­щий мюонный катализ, выдавал во внешний мир хотя бы столько же энергии, сколько он расходует на себя (это зна­чит, что из двух киловатт мощности ге­нератора один пойдет на покрытие его собственных расходов, на производство мюонов, а второй киловатт достанется потребителю), каждый мюон должен осу­ществить 600 реакций D+T или 3000 ре­акций D+D.

 

Это о том, что должен сделать мюон-катализатор, а теперь о том, что он де­лает в действительности.

Мюонный катализ впервые был предло­жен более тридцати лет назад в нашей стране. С той поры теоретики неоднократ­но обращались к этому заманчивому про­цессу и неизменно приходили к малоуте­шительному выводу: мюонный катализ — процесс неэффективный, у него нет шан­сов найти применение в энергетике. К та­ким же выводам привели и эксперименты. То, что мюонный катализ в принципе воз­можен, экспериментально обнаружил в 1957 году известный американский физик Л. Альварес. Последующие работы, вы­полненные в нескольких лабораториях, показали, что многие мюоны за всю свою жизнь вообще не успевают сделать ничего полезного, некоторым удается один раз — всего лишь один раз! — соединить пару водородных ядер, и только однажды эк­спериментаторы наблюдали мюон, который успел осуществить две реакции ядерного синтеза. А чего стоят эти один-два ядер­ных микровзрыва, если для создания эффективного источника энергии каждый мюон должен производить их сотнями!

Казалось бы, мюону, как катализатору ядерного синтеза, можно было уже выда­вать характеристику о полной профессио­нальной непригодности, считать, что он сорвал практическое использование идеи мюонного катализа, не оправдал возлагав­шихся на него надежд.

Но справедливо ли во всем обвинять мюон? Он ли виноват, что так мало ему удается сделать? Оказывается, что сам мюон не заслуживает суровых обвине­ний— он очень старается, проявляет вы­сокую активность. В частности, образовав мезоатом, мюон носится с ним по водо­родному газу с огромной скоростью — около   2  км/с,  за  время  жизни  успевает па В. П. Джелепова определила, что на последнюю стадию всего процесса, на об­разование самой молекулы ddμ уходит в среднем 1,6 микросекунды. То есть в среднем 70 процентов среднего времени, в течение которого живет мюон. Этот результат резко отличался от того, что в 1960 году измерил американец Дж. Феткович. У него синтез молекулы ddμ занимал в среднем 14 микросекунд, то есть шел почти в 10 раз медленнее, чем у дубненских экспериментаторов. А различие экспериментальных результатов в 10 раз —дело серьезное. Прежде всего это повод думать о случайностях, об эк­спериментальных ошибках.

Здесь, кстати, хочется спросить: как это вообще возможно наблюдать про­цесс, который идет 14 микросекунд с уча­стием мюона, когда сам мюон живет все­го 2 микросекунды?

В. П. ДЖЕЛЕЛОВ. Строго ответить на подобный вопрос можно только в терминах квантовой механики. Если же поступиться строгостью, то прежде всего нужно напом­нить, что продолжительность жизни мюо­на— 2 микросекунды — есть некая сред­няя, наиболее характерная для этой части­цы величина. Примерно столько живет по­давляющее число мюонов, но некоторые мюоны живут меньше, некоторые дольше. И у мюона имеется какая-то вероятность, правда, ничтожно малая, волей случая про­жить десять, а то и пятнадцать микросе­кунд.

Результаты дубненских экспериментато­ров расходились не только с данными их американских коллег, но и с теорией — рас­четы предсказывали, что время образова­ния молекулы ddμ должно быть около 20 микросекунд, с этой цифрой неплохо со­гласовывались измерения американцев. Прошли годы, в Дубне поставили новую се­рию экспериментов и опять измерили ско­рость образования молекулы ddμ • при­мерно в 10 раз большую, чем предсказыва­ла теория. Здесь уже трудно было думать о случайностях, и подозрение пало на усло­вия, в которых находился подопытный дей­терий. Точнее, на его температуру: опыты, давшие разные результаты, проводились при разной температуре. Чтобы объяснить, почему с изменением температуры изме­няется скорость образования молекул, пы­тались воспользоваться представлением о своего рода температурном резонансе.

У молекулы ddμ, как и у любой другой, есть строго определенные энергетические ха­рактеристики и главная— это так называе­мая энергия связи —порция энергии, при­чем строго дозированная, которую мезомолекула отдает в момент своего образования (см. рис. 23). Отдает, но кому? Оказывается, что энергия отдается довольно сложному молекулярно­му комплексу, который дальше будет име­новаться  «Поглотитель»   (на   рис.   18—24процесс рассмотрен на примере образова­ния молекулы dtμ; в образовании ddμ все происходит аналогично, но уже с уча­стием атома dμ, а не tμ). «Поглотитель» — это нормальная молекула дейтерия D₂, в которой одно из ядер объединилось с мезо­атомом tμ и образовало мезомолекулу dtμ, не разрушив пока самой молекулы D₂ (рис. 21). Энергетические емкости «По­глотителя» тоже строго ограниченны, он может получать энергию тоже только стро­го определенными порциями (рис. 23). Если мезомолекула ddμ отдаст «Поглотителю» больше энергии, чем он может принять, или меньше, то «Поглотитель»» будет препятствовать об­разованию мезомолекулы, замедлит этот процесс. А если молекула ddμ передаст «Поглотителю» ровно столько, сколько ему требуется, то он, «Поглотитель», облегчит, ускорит образование этой молекулы.

В таком совпадении энергии, отдаваемой (мезомолекула dtμ) и поглощаемой («По­глотитель»), и состоит сущность темпера­турного резонанса.

Теперь остается пояснить, почему наблю­даемый резонанс называют температурным. Дело в том, что энергия, которую нарож­дающаяся молекула dtμ передает «Погло­тителю», складывается из ее энергии свя­зи Е_с в и кинетической энергии Е_Кин основ­ного компонента молекулы — мезоатома tμ (или dμ при образовании ddμ). А кинетиче­ская энергия мезоатомов tμ (dμ) опреде­ляется температурой газа: чем выше темпе­ратура, тем энергичнее, с большей скоро­стью v движутся его частицы. А значит, нагревая или охлаждая дейтерий, мы ме­няем энергию частиц и можем очень точно нащупать резонанс (рис. 25), нащупать температуру, при которой «поглотитель» получит ровно столько энергии, сколько ему требуется, и молекулы dtμ будут обра­зовываться с наибольшей быстротой.

Вклад кинетической энергии мезоатома в то, что передается «Поглотителю», очень мал: при изменении температуры от минус 250°С до плюс 150°С этот вклад меняется всего от 0,004 до 0,05 эВ. Так что в основ­ном резонанс обеспечивает энергия связи молекулы Е_Св, а мезоатом при изменении температуры осуществляет лишь своего ро­да точную настройку на резонансную энер­гию «Поглотителя» Е_п (рис. 24—26).

Л. И. ПОНОМАРЕВ. Уже сами экспери­ментаторы группы Венедикта Петровича Джелепова, публикуя свои первые резуль­таты в 1966 году, высказали предположе­ние о возможности существования резо­нансного механизма. Но конкретно пред­ставить себе существование температурного резонанса в то время было очень трудно. И вот почему: молекулярный комплекс, ко­торому молекула ddμ передает энергию, мо­жет принять не более 4,5 эВ, а известные в то время энергии связи молекулы ddμ оценивались десятками и сотнями электрон-вольт.

В 1967 году эстонский физик Эльмар Августович   Весман   предложил   механизм резонансного образования молекул ddμ, который позволил качественно понять за­меченные экспериментаторами особенности. Однако, чтобы этот механизм работал, Весману необходимо было предположить су­ществование слабосвязанного уровня в мо­лекуле ddμ. Такой уровень, как теперь яс­но, существует. Но чтобы доказать его су­ществование, потребовалось: развить но­вый метод решения задачи трех тел с кулоновским взаимодействием; разработать новые методы решения систем дифферен­циальных уравнений; найти уровни энергии молекул ddμ с высокой точностью; пока­зать, что один из пяти уровней этой моле­кулы имеет энергию всего 2 эВ; вычис­лить на этой основе скорость резонансного образования молекул ddμ и ее зависимость от температуры.

Выполнив эту работу, мы получили хо­рошее согласие расчетных данных с экспе­риментом группы В. П. Джелепова.

В. П. ДЖЕЛЕПОВ. Учитывая хорошее совпадение наших первых результатов с расчетами теоретиков группы Леонида Ива­новича Пономарева, мы провели новую серию экспериментов с газообразным дейте­рием. Они окончательно подтвердили пред­ставление о резонансном механизме обра­зования ddμ молекул. Так, при температу­ре около плюс 130°С (400°К) скорость об­разования молекул ddμ получалась наи­большей, молекулы рождались за 1,2 мик­росекунды. А по мере понижения или повышения температуры мы все дальше уходили от резонанса и скорость образова­ния молекул падала. Или, иными словами, время, необходимое для возникновения мо­лекулы, становилось больше. Теперь легко можно было объяснить, почему так разли­чались скорости образования молекул ddμ, измеренные американцами и нами: амери­канцы были очень далеки от резонанса, они работали с жидким дейтерием при темпе­ратуре минус 250°С, мы же работали а га­зом, вначале при комнатной температуре, а затем незначительно нагревая его.

Исследования мюонного катализа ядер­ных реакций в чистом дейтерии стали серь­езным успехом дубненских физиков — тео­ретиков и экспериментаторов. Но главный успех у них был еще впереди. Резко вырос авторитет теории, столь великолепно под­твержденной экспериментом. Все с большим вниманием стали относиться к ее прогно­зам и расчетам, которые благодаря удиви­тельному энтузиазму теоретиков охватыва­ли широкий круг процессов мюонного ката­лиза. Были, в частности, проведены расче­ты важнейших характеристик самых раз­ных вариантов мезомолекул, состоящих из ядер водорода, дейтерия и трития.

Среди этих расчетных характеристик одна оказалась просто поразительной — было вычислено, что образование молекулы dtμ может происходить за 0,01 микросекун­ды, то есть в 120 раз быстрее, чем резо­нансное образование ddμ молекулы. Полу­чалось, что за время жизни мюона, за те самые 2 микросекунды, успеет произойти около 200 таких актов сотворения молеку­лы dtμ. Учитывая, что мюон затрачивает время также на некоторые подготовитель­ные операции, теоретики предсказали: каж­дый мюон в среднем успеет организовать 100 реакций ядерного синтеза. Это огром­ная цифра — в чистом дейтерии мюон успе­вал лишь один раз выступить в роли ката­лизатора, успевал создать только одну мо­лекулу ddμ. А здесь, в смеси дейтерия и трития, тот же мюон создает 100 молекул. К тому же микровзрыв при реакции D +'Т дает в 5 раз больше энергии, чем реакция D+ D. То есть общий выигрыш при пере­ходе от чистого дейтерия к дейтериево-тритиевой смеси — в 500 раз. Неплохая цифра. Высокую расчетную скорость образова­ния молекул dtμ теоретики объясняли тем, что энергия связи одного из пяти состоя­ний молекулы оказывается очень малой — всего 0,7 эВ. Это в три раза меньше, чем энергия связи аналогичного состояния мо­лекулы ddμ. Малую порцию энергии «По­глотитель» забирает в 100 раз легче, чем 2 эВ от молекулы ddμ, и в итоге наблю­дается очень сильный резонансный подъем скорости рождения молекулы dtμ.

 

 

Летом 1979 года дубненские эксперимен­таторы во главе с В. П. Джелеповым и доктором физико-математических наук В. Т. Зиновым выполнили цикл работ по проверке прогнозов дубненских теоретиков касательно резонансных явлений при обра­зовании молекул dtμ.

В самом упрощенном виде эксперименты можно описать так: в резервуар с дейтериево-тритиевой смесью вводили полученные на ускорителе мюоны и регистрировали по­ток нейтронов, выходящих из резервуара. Причем только тех нейтронов, которые мог­ли появиться при реакции ядерного синте­за. При этом подсчитывалась скорость воз­никновения мезомолекул, эффективность мюона-катализатора. И выяснилось, что скорость образования молекулы dtμ за счет резонансных явлений действительно полу­чается такой, как предсказала теория: мюон может за время своей жизни произ­вести примерно 100 реакций ядерного син­теза.

Это был явный успех теории и экспери­мента. Это был также успех великолепной идеи мюонного катализа, которая более чем через тридцать лет после своего появления, пройдя через мимолетные вспышки энтузи­азма и долгие годы скепсиса, вновь стала предметом пристального внимания не толь­ко фундаментальной, но прикладной физи­ки. И даже практической энергетики.

«Но при чем здесь прикладная физика и тем более энергетика?» — может спро­сить внимательный читатель, запомнивший кое-какие цифры, приведенные раньше. — «Получение сотни ядерных микровзрывов на каждый мюон — прекрасный результат, но этого мало, если мы думаем о производ­стве энергии!»

И действительно, как уже отмечалось, чтобы получить один мюон с ускорителя, нужно затратить 5000 МэВ энергии. А ор­ганизованные этим мюоном 100 реакций ядерного синтеза в лучшем случае дадут 1760 МэВ — каждая из самых выгодных ре­акций D-ЬТ дает 17,6 МэВ (рис. 16). Та­ким образом будет покрываться лишь тре­тья часть энергетических затрат на получе­ние мюонов. Чтобы покрыть эти затра­ты полностью, как мы уже сказали, (стр. 22), мюон должен катализировать 300 реакций D 4- Т, а чтобы и потребителю досталась энергия,— значительно больше трехсот.

Как ни печальна эта простая арифмети­ка, она все же не может омрачить дубненских успехов. Во-первых, потому что физи­ки еще совсем недавно опубликовали свои последние результаты с вдохновляющей цифрой «100 ядерных реакций на мюон» — первое сообщение об измерении скорости об­разования молекул dtμ вышло в свет в ав­густе этого года. И поэтому всплеск пред­ложений по поводу дальнейшего повышения эффективности мюонного катализа, по-ви­димому, впереди.

Но если даже эффективность процесса останется на нынешнем уровне, если не удастся снизить затраты энергии на полу­чение мюона или увеличить число реакций водородного синтеза, которые организует каждый мюон, даже и в этом случае мюонный катализ не потеряет интереса для энер­гетики. Но уже не в качестве источника энергии, а в качестве процесса, который поможет увеличить реальные запасы горю­чего для нынешних атомных реакторов.

Урана в земных недрах достаточно мно­го, но для осуществления цепной реакции в энергетических реакторах нужен чистый-уран-235 (в ядре 235 тяжелых частиц— 92 протона, 143 нейтрона). Его же в ура­новой руде ничтожное количество, какие-то 0,7 процента. Остальное — уран-238 (в ядре 238    тяжелых    частиц — 92    протона,   146 нейтронов), в нем цепная реакция не идет, и еще недавно энергетики считали этот изо­топ просто отходами, породой, которую ко всему еще очень сложно отделить от истин­ного реакторного горючего.

Но вот создаются первые реакторы-раз­множители, где нейтроны, высвободившие­ся при делении урана-235, бомбардируют уран-238 и превращают его в прекрасное ядерное    горючее — плутоний-239   (в   ядре 239    тяжелых   частиц — 93   протона,   146 нейтронов). Подобную операцию можно   в принципе осуществить и иными средствами. Например, бомбардируя уран-238 частица­ми, полученными на ускорителе,—этот ме­тод называют электроядерным   бридингом. Или  используя  нейтроны,   которые   будут высвобождаться в термоядерных   установ­ках типа токамак,  в реакторах лазерного термояда и, наконец, в установках, исполь­зующих мюонный катализ. Как   показыва­ют расчеты Ю. В. Петрова (Ленинградский институт ядерной физики имени Б. Констан­тинова, Гатчина), добавление оболочки из природного урана, или, как принято гово­рить, уранового  бланкета, и  последующее использование   наработанного   плутония   в реакторах деления должно увеличить примерно в 100 раз энергию, которую можно получить с помощью мюонного катализа.

Сегодня только реакторы-размножите­ли реально утилизируют уран-238, все ос­тальные методы пока, конечно, только об­суждаются, сравниваются. По каким-то показателям мюонный катализ уступает своим предполагаемым соперникам, по ка­ким-то оказывается лучше их. Но уже тот факт, что мюонный катализ, метод, с кото­рым еще вчера не связывались какие-либо реальные планы в энергетике, сегодня сопо­ставляется с такими популярными, обсуж­даемыми и финансируемыми методами, как термоядерный синтез с магнитным удержа­нием плазмы и лазерный термоядерный синтез, уже одно это показывает, насколько изменилось отношение к мюонному ката­лизу.

И вот здесь хочется спросить: почему же раньше, лет двадцать назад, эксперимента­торы не попробовали направить пучок мюонов на дейтерий-тритиевую смесь, что наверняка дало бы те же 100 ядерных ре­акций на мюон, которые зафиксировали дубненские физики?

В. П. ДЖЕЛЕПОВ. При первоначальных негативных прогнозах теоретиков браться за такой сложный эксперимент было по меньшей мере рискованно. Даже теперь, имея опыт похожих работ и хорошие про­гнозы теоретиков, мы готовили эксперимент с дейтериево-тритиевой смесью примерно полтора года. Экспериментальная установ­ка достаточно сложна, насыщена измери­тельными системами, современной электро­никой, работающей в наносекундном диа­пазоне, большим количеством счетчиков мюонов, нейтронов, электронов, гамма-кван­тов. Информация, собираемая с детекторов частиц, немедленно обрабатывается вычис­лительной машиной.

Немало сложностей при создании уста­новки было связано с высокой радиоактив­ностью трития. Кроме того, дейтерий и тритий необходимо было подвергнуть тща­тельной очистке от других газов — их ко­личество не должно было превышать уро­вень один атом примеси на десять миллио­нов атомов основного газа. Эта жесткая норма связана, в частности, с тем, что атом кислорода или азота перехватывает мюон от дейтрона в сотни раз активнее, чем атом трития. И даже ничтожная примесь по­сторонних газов могла лишить нас возмож­ности проведения эксперимента.

В камеру с дейтериево-тритиевой смесью вводилось в среднем 10000 мюонов в се­кунду от мюонного канала синхроциклотро­на. Было проведено значительное число опытов, как принято говорить, экспозиций с различной концентрацией дейтерия и три­тия, при разных давлениях и температурах. Большой объем работ был связан с обра­боткой результатов; кроме скорости обра­зования молекул dtμ, выяснялась скорость отдельных этапов этого процесса. Напри­мер, скорость перехвата мюона из мезоато­ма dμ в атом трития и образования мезо­атома tμ. Словом, подготовка эксперимента и его проведение явились серьезным и трудоемким делом. Что, впрочем, характерно для большинства современных физических экспериментов.

Конечно, полученные результаты вселяют некоторый оптимизм. Однако следует осо­бо подчеркнуть, что сделанное — это лишь начало большой программы исследований, которая сейчас намечена и которую нужно выполнить, если мы хотим достоверно оце­нить перспективность практического исполь­зования мюонного катализа.

Л. И. ПОНОМАРЕВ. Поставить экспе­римент по мюонному катализу реакции D+Т — дело сложное и дорогое. И экспе­риментаторы, естественно, не могут пойти на него, не имея для этого серьезных ос­нований. С другой стороны, теоретик должен быть очень уверен в правильности прогнозов, чтобы решиться предложить экс­периментаторам сложный и дорогой опыт. Такова схема, в жизни она обрастает слож­ными человеческими взаимодействиями, ос­трыми ситуациями, спорами, признанием и недоверием, ошибками и удачами и, конеч­но, работой, на которую уходят годы. Кон­кретно, на разработку теории мюонного ка­тализа в ее нынешнем состоянии, с учетом подготовки фундамента, создания метода, отклонений в ошибочных направлениях и согласования с экспериментальными ре­зультатами ушло более десяти лет.

Удивительно быстро растет в нынешние времена могущество человека. Но быстро возрастает и сложность задач, которыми ему приходится заниматься. Еще недавно проблемы энергетического кризиса реша­лись в ближайшем лесу, из техники для этого нужен был главным образом топор дровосека. Сегодня, чтобы накормить чело­вечество энергией, приходится бурить неф­тяные скважины в океане или на вечной мерзлоте. Завтрашнее же энергетическое, а значит, и всякое иное материальное бла­гополучие планеты зависит от глубоких на­учных исследований, от того, сумеем ли мы разгадать и использовать тщательно при­прятанные природой тайны.

Крупнейшие силы физики брошены на то, чтобы приручить водородный ядерный синтез и тем самым открыть нам неисчер­паемый, по сути, источник энергии. И вот сегодня в оценке этой фантастически слож­ной задачи —новый всплеск оптимизма. Впервые обнаруженная весьма высокая эф­фективность мю-катализа, его, как чув­ствуется интуитивно, решающее достоин­ство— резонанс при низкой, практически при комнатной температуре, наконец неот­вратимый факт — полученный в экспери­менте поток термоядерных нейтронов (при­ставка «термо», конечно, неуместна, она здесь просто по привычке), все это волнует и радует. Правда, сделанное, как говорят сами физики, не более чем начало. Есть мас­са показателей, которые нужно найти или уточнить в эксперименте, масса новых тео­ретических задач, которые нужно решить, словом, есть в мю-катализе еще масса сложных проблем.

Но теперь есть и надежда.