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Myon Katalysierte Fusion

Myon Katalysierte Fusion. Muon Catalyzed Fusion ( μ CF). Inhalt. Was ist μ CF? → Reaktion Laboratorien → RIKEN-RAL Detaillierte Einblicke Ungelöste Probleme Zukunft. Wie funktioniert Fusion?. Verschmelzung zweier Atomkerne Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < 60-80

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Myon Katalysierte Fusion

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Presentation Transcript

  1. Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)

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

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

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

  5. Was ist μCF? - Reaktionsverlauf • Fusion von Wasserstoff-Isotopen • Resonante Bildung eines Meso-Moleküls • Katalysator: μ- →trifft auf Deuterium-Tritium-Gemisch • Myonen kommen wieder frei →Kreislauf μCF-Kreilauf-Diagramm (~130 Fusionen/Myon)

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

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

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

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

  10. μCF-Target und Detektoren neutron detector

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  28. Quellen • Muon catalyzed fusionK. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura Journal of Physics G, 29 (Aug 2003) • Strong n-alpha correlactions observed in muon catalyzed t-t fusion reactionsT. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics Supplement 15 • Discovery of temperature-dependent phenomena of muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixturesN. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) • http://riken.nd.rl.ac.uk/ral.html • K. Ishida (RIKEN), Muon Catalyzed Fusion

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