Мюонный катализ — это "холодный" по температуре синтез, но это не тот "холодный синтез", о котором обычно говорят в популярной науке. µCF — это легитимное направление физики плазмы, а LENR — маргинальная область. Далее речь пойдет о µCF.

ответ ИИ:

главная проблема µCF — не то, что он не работает, а то, что он экономически невыгоден.

Проблема "энергетического разрыва":

1. Получение мюона: Чтобы создать один мюон, нужен мощный ускоритель протонов. Протоны бьют в мишень (например, из графита), рождая пионы, которые быстро распадаются в мюоны. На это тратится огромная энергия.

2. Энергия от синтеза: Один мюон может катализировать около 100-200 реакций синтеза D+T, прежде чем он "застрянет" на гелиевом ядре (продукте реакции) и выйдет из игры.

3. Баланс: Энергии, полученной от 100-200 реакций, не хватает, чтобы компенсировать затраты на создание одного мюона. Для безубыточности нужно, чтобы один мюон вызывал ~300-400 реакций, что теоретически почти невозможно из-за "прилипания".

Ваша идея: А что, если нецелевые мюоны — это не отходы, а побочный продукт какого-то другого, полезного процесса? Тогда их "стоимость" резко падает, и экономика µCF может стать выгодной.

Претенденты на роль такого процесса

Да, такие претенденты существуют, и самый главный из них — это источники нейтронов на основе расщепления (Spallation Neutron Sources).

1. Источники нейтронов на основе расщепления (SNS)

• Как это работает? Это мощные ускорительные комплексы (как, например, SNS в Оук-Ридже, США, или ESS в Швеции, которая строится). Они разгоняют протоны до высоких энергий и направляют их на тяжелую мишень (ртуть, вольфрам, тантал).

• Основная цель: При ударе протона из мишени "выбивается" ("расщепляется") огромное количество нейтронов. Эти нейтроны используются как уникальный инструмент для исследований в материаловедении, биологии, химии, физике конденсированного состояния. Это само по себе очень ценная и дорогая наука.

• Побочный продукт: Тот же самый процесс расщепления рождает и огромное количество пионов, а значит, и мюонов! Для нейтронных исследований эти мюоны — просто радиационный шум, побочный продукт, с которым нужно бороться.

Ваша концепция в действии:

Можно спроектировать гибридную установку:

1. В центре — мишень для расщепления, как на SNS, которая производит ценный пучок нейтронов для науки.

2. Вокруг мишени располагается не просто защита, а "тепловое одеяло" из дейтерия-трития.

3. Мюоны, рожденные в мишени и разлетающиеся во все стороны, попадают в это D-T одеяло и начинают катализировать синтез.

4. Энергия от этого синтеза (в основном в виде тепла) улавливается и используется для выработки электроэнергии.

Экономическая выгода:

• Ускоритель и мишень строятся и оплачиваются в первую очередь для нужд нейтронной науки. Их стоимость "оправдана".

• Мюоны, по сути, получаются "бесплатно" (с точки зрения экономики проекта).

• Дополнительная выработка электроэнергии от µCF становится чистой прибылью, которая может сделать весь комплекс энергонезависимым или даже продавать излишки энергии в сеть.

Почему этого еще не сделали?

• Инженерный кошмар: Объединить в одном устройстве криогенную D-T мишень и раскаленную от протонного пучка мишень из жидкой ртути — это колоссальная техническая задача.

• Радиация: Уровни радиации в центре такой установки будут зашкаливать, что усложняет обслуживание и материалы.

• Конфликт целей: Тепло и дополнительное излучение от синтеза могут мешать тонким нейтронным экспериментам. Нужно очень cleverly спроектировать систему, чтобы эти процессы не мешали друг другу.

2. Другие, более гипотетические претенденты

• Трансмутация радиоактивных отходов: Существуют проекты по "сжиганию" долгоживущих изотопов в отходах с помощью мощных потоков нейтронов или протонов. Теоретически, такой процесс мог бы также производить мюоны. Здесь двойная польза: утилизация отходов + энергия от µCF.

• Аннигиляция антивещества: В далеком будущем, если мы научимся производить и хранить антивещество, его аннигиляция с веществом будет высвобождать колоссальную энергию. Этот процесс неизбежно будет рождать все известные частицы, включая мюоны. Но это пока область научной фантастики.

Ваша идея абсолютно верна и отражает главный путь к возможному практическому применению мюонного катализа. Самый реалистичный кандидат на роль такого "двойного" производства — это гибридный комплекс на базе источника нейтронов на основе расщепления.

Это неоткрытое (или, точнее, не реализованное) инженерное решение. Физика здесь понятна, но вызов заключается в создании технологии, которая позволит эффективно и безопасно совместить два очень разных и сложных процесса в одной установке.

Проблема прилипания — это фундаментальное физическое ограничение, а не инженерная недоработка. Энергия связи мюона с альфа-частицей слишком велика, а методы ее преодоления слишком энергозатратны.

Ученые рассматривали несколько теоретических путей обхода этой проблемы:

• Использование других топливных циклов:

  • D-D синтез: Вероятность прилипания мюона к продукту реакции (³He или тритию) ниже. Но и энергия на реакцию меньше, и скорость реакции (сечение) на порядки ниже, чем у D+T. В итоге, выигрыша нет.

  • D-³He синтез: Прилипание еще меньше. Но для этой реакции нужны гораздо более высокие температуры, что снова убивает всю идею "холодного" синтеза.

• "Мюонная регенерация": Поиски экзотических химических реакций, в которых мюонный гелий мог бы передать свой мюон другому атому (например, дейтерию). Но эти процессы либо идут слишком медленно, либо тоже неэффективны.

Итог: Ваша интуиция верна — нужно как-то "спасать" мюоны. Но все известные науке способы их спасения требуют больше энергии, чем они могут принести. Именно поэтому мюонный катализ, будучи физически реальным, остается экономически недостижимым источником энергии.

Уже несколько лет исследователи Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии пытаются воссоздать ядерный синтез — процесс, с помощью которого генерирует энергию Солнце. Начиная с 2010 года результатов было не так уж и много, однако на днях ученые совершили невозможное.

Профессор Омар Харикейн опубликовал доклад, в котором сообщил, что его команде удалось провести реакцию искусственного ядерного синтеза с положительным коэффициентом полезного действия. Причем синтеза не превратившегося в водородную бомбу — что очень хорошо, потому что в противном случае лабораторию просто стерло бы с лица Земли. Использование такой разрушительной силы в качестве «зеленого» источника энергии является одной из самых сложных задач науки.

Достичь положительного результата доктору Харикейну и его коллегам удалось благодаря массиву из 192 мощнейших лазеров мощностью в 500 триллионов ватт. Лазерная энергия была сфокусирована на крошечной сфере, заполненной смесью дейтерия и трития. В результате воздействия на капельку криогенного топлива энергией в 1,9 МДж возникла реакция ядерного синтеза с выделением большего количества энергии, чем было затрачено — впервые в истории человечества.

Хотя это звучит, как будто ученые нашли Святой Грааль неисчерпаемой энергии, это не совсем так. Правильнее будет сказать, что была пройдена важная контрольная точка. Не хватает одного шага, в котором реакция синтеза фактически вырабатывала бы достаточно энергии, чтобы компенсировать в том числе и работу лазеров. Сейчас же реакция лишь вырабатывает больше энергии, чем поглощает.

Так что, если вы ждали появления чистого источника бесконечной энергии из лабораторных звезд — придется подождать ещё немного. Тем не менее, ученые стали ещё на шаг ближе к конечной цели и полны оптимизма.

Присоединяйтесь к нашему каналу "Наука Космос Технологии 🐼", чтобы узнавать самые интересные факты о науке, космосе и технологиях! 🚀✨