Myon Katalysierte Fusion Muon Catalyzed Fusion (μCF)

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Myon Myon Katalysierte Katalysierte Fusion Fusion Muon Catalyzed Fusion Muon Catalyzed Fusion ( ( μ μ CF) CF)

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Myon Myon Katalysierte Katalysierte

FusionFusionMuon Catalyzed FusionMuon Catalyzed Fusion

((μμCF)CF)

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InhaltInhalt

Was ist Was ist μμCF? → ReaktionCF? → Reaktion Laboratorien → RIKEN-RALLaboratorien → RIKEN-RAL Detaillierte EinblickeDetaillierte Einblicke Ungelöste ProblemeUngelöste Probleme ZukunftZukunft

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Wie funktioniert Fusion?Wie funktioniert Fusion?

Verschmelzung Verschmelzung zweier Atomkernezweier Atomkerne

Energiefreisetzung Energiefreisetzung bei Ordnungszahl < bei Ordnungszahl < 60-8060-80

→ → Massendefekt Massendefekt (Kernbindungsenergi(Kernbindungsenergie)e)

Kinetische EnergieKinetische Energie Deuterium und Deuterium und

TritiumTritium

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Problem: extrem hohe Problem: extrem hohe Temperaturen: Temperaturen:

>10>1088 K = K = 10keV10keV, ,

hohe Dichte hohe Dichte

→ → Erzeugung von Erzeugung von PlasmaPlasma

Vorteil von μCF: Vorteil von μCF: ~ ~ 0K bis 100K bis 1044 K K Mesonische MoleküleMesonische Moleküle → → Abstand normaler Kerne ~1 ÅAbstand normaler Kerne ~1 Å → → Beim Myon ~200 mal kleinerBeim Myon ~200 mal kleiner Nähe der Kerne überwindet Coulomb-Nähe der Kerne überwindet Coulomb-

AbstoßungAbstoßung

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Was ist Was ist μμCF? - CF? - ReaktionsverlaufReaktionsverlauf

Fusion von Fusion von Wasserstoff-IsotopenWasserstoff-Isotopen

Resonante Bildung Resonante Bildung eines Meso-Molekülseines Meso-Moleküls

Katalysator: Katalysator: μμ--

→ →trifft auf trifft auf Deuterium-Tritium-Deuterium-Tritium-GemischGemisch

Myonen kommen Myonen kommen wieder freiwieder frei

→ →Kreislauf Kreislauf

μCF-Kreilauf-Diagramm

(~130 Fusionen/Myon)(~130 Fusionen/Myon)

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Historischer HintergrundHistorischer Hintergrund

A.D. Sakharov, A.D. Sakharov, 1948: Bildung eng 1948: Bildung eng gebundener gebundener MoleküleMoleküle

→ →Fusion durch Fusion durch TunneleffektTunneleffekt

Experimentell: Experimentell: Alvarez, 1956, Alvarez, 1956, BerkeleyBerkeley

Erstes Blasenkammerbild nach pμd-Fusion

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LaboratorienLaboratorien

JINR, Dubna/RusslandJINR, Dubna/Russland PSI,Villingen/SchweizPSI,Villingen/Schweiz LAMPF, Los Alamos/USALAMPF, Los Alamos/USA PNPI, Gatchina/RusslandPNPI, Gatchina/Russland KEK, Tokyo/JapanKEK, Tokyo/Japan TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13, TRIUMF, Vancouver/Kanada (M13,

M15,M20)M15,M20) RAL, Chilton Didcot/UK → RIKEN, JapanRAL, Chilton Didcot/UK → RIKEN, Japan

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RIKEN-RAL – Myonen - AnlageRIKEN-RAL – Myonen - Anlage

Gepulster Proton-Gepulster Proton-Strahl von ISIS Strahl von ISIS (Synchrotron-(Synchrotron-BeschleunigerBeschleuniger

Pionen zerfallen in Pionen zerfallen in MyonenMyonen

Supraleitende Supraleitende Solenoid-SpuleSolenoid-Spule

Impulsbereich: 20 - Impulsbereich: 20 - 120 MeV/c120 MeV/c

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MyonenstrahMyonenstrahl l

55 MeV/c55 MeV/c Starke Starke

FokussierunFokussierung x8g x8

SupraleitendSupraleitender Magnet: er Magnet: 2.4 T2.4 T

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μμCF-Target und CF-Target und DetektorenDetektoren

neutron detector

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ReaktionReaktion

d + t + d + t + μμ-- →→ dt dtμμ →→ αα + n + + n + μμ + + 17.6MeV17.6MeV

Auch TAuch T22- und D- und D22-Targets-Targets

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Wichtige ParameterWichtige Parameter

„„cycling rate“ → Zyklenrate: cycling rate“ → Zyklenrate: λλCC

μμ-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W-Verlust-Wahrscheinlichkeit: W

Fusionen pro Myon → Fusionen pro Myon → Neutronenausbeute: Neutronenausbeute:

n

CnY

Φ=Dichte des D-T-Gemischesλn=Rate verschwindender Neutronen

cn W 0

ttdds WWW

λ0: Myonenzerfallsrate 0.455μs-1

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Messungen am RIKEN-RALMessungen am RIKEN-RAL

Feste und flüssige D-T-GemischeFeste und flüssige D-T-Gemische Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 %Tritiumkonzentrationen: 20 – 70 % Temperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 KTemperaturen: 5 – 16 K bzw. 20 K Mit sinkender Temperatur:Mit sinkender Temperatur:

→ → kein erwarteter steiler Abfall von kein erwarteter steiler Abfall von Zyklenrate Zyklenrate λλcc

→ → Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit Anstieg der Verlustwahrscheinlichkeit WW

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MyonenverlustMyonenverlust

μμ-Einfang in -Einfang in αα (( ((μαμα))++) → „) → „αα – sticking“ – sticking“ Wahrscheinlichtkeit Wahrscheinlichtkeit ωωs s ~ 0,5%~ 0,5%

→ →begrenzt Energieproduktionsvermögenbegrenzt Energieproduktionsvermögen

0)1( ss R R = Reaktivierungwahrscheinlichkeitωs

0 = Anfangswahrscheinlichkeit

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Untersuchung von Untersuchung von αα - - stickingsticking

Verringerung:Verringerung:

Schlüssel zur Schlüssel zur Verbesserung der Verbesserung der Effizienz der Effizienz der μμCFCF

Atomprozesse Atomprozesse untersucht mit untersucht mit Röntgenstrahl-AnalyseRöntgenstrahl-Analyse

KKαα-Peaks -Peaks (n=2→n=1)(n=2→n=1) von zurückprallenden von zurückprallenden Ionen Ionen

Term-Schema von Helium-Myon-Ion

Fusion

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Typisches Röntgenspektrum von Typisches Röntgenspektrum von flüssigen D-T-Gemischen bei flüssigen D-T-Gemischen bei

CCtt=10%, 28%, 60%=10%, 28%, 60%

10%

28%

60%

Energie [keV]

Cou

nts

(/50

eV/1

06 st

oppe

d μ

- )

KKαα-Strahlen: -Strahlen: 8.2 KeV8.2 KeV

Doppler- Doppler- VerbreiterunVerbreiterung: g: 0.5 KeV0.5 KeV

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RöntgenstrahlanalyseRöntgenstrahlanalyse

KKαα-Strahlen: 8.2 KeV-Strahlen: 8.2 KeV Doppler-Verbreiterung: 0.5 KeVDoppler-Verbreiterung: 0.5 KeV KKαα-Strahlen-Ausbeute:-Strahlen-Ausbeute:

0)( sKKY

γKα: Anzahl der Röntgenstrahlen/(αμ)+

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Vergleich von experimentellen und Vergleich von experimentellen und theoretischen Wertentheoretischen Werten

ωωss-Werte stimmen mit vorherigen Messungen -Werte stimmen mit vorherigen Messungen übereinüberein

Y(KY(Kαα) stimmt mit Theorie überein) stimmt mit Theorie überein

kleineres kleineres KKββ/K/Kαα-Intensitätsverhältnis-Intensitätsverhältnis

→ → R könnte größer seinR könnte größer sein

This exp.

SolidLiquid

Theory (Φ=1.2)

Cohen (88)

Markushin

Theories

PSI - 87

PSI - 87

LAMPH - 92

PSICt: 0.04%

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Ein anderer wichtiger Ein anderer wichtiger VerlustprozessVerlustprozess

ββ-Zerfall von Tritium → Unreinheit durch -Zerfall von Tritium → Unreinheit durch 33HeHe

→ → MyoneneinfangMyoneneinfang

→ → Auswirkungen in DT und TAuswirkungen in DT und T22

→ → verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen verflüchtigt sich aus flüssigen Gemischen

→ → bleibt in festenbleibt in festen

→ → Bildung von tHeBildung von tHeμμ (spez. Röntgenstrahlen) (spez. Röntgenstrahlen)

)()( 0 HetHescn C

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Vergleich von Rate verschwindender Vergleich von Rate verschwindender Neutronen in flüssigen und festen Gemischen Neutronen in flüssigen und festen Gemischen

aufgetragen gegen Zeit bzw. Caufgetragen gegen Zeit bzw. Ctt

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Unstimmigkeiten zwischen Unstimmigkeiten zwischen Theorie und experimentellen Theorie und experimentellen

ErgebnissenErgebnissen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen dtμ-Bildungs-Mechanismus bei niedrigen

Temperaturen (T<100K):Temperaturen (T<100K): Resonante Bildung durch Zwei-Körper-Resonante Bildung durch Zwei-Körper-

Kollision: Kollision: - tμ trifft auf Dtμ trifft auf D22: :

tμ + Dtμ + D2 2 →→ [ (d [ (dμμt) dee ]t) dee ] Kollisions- und Bindungsenergie → Kollisions- und Bindungsenergie →

Vibrations- und RotationsenergieVibrations- und Rotationsenergie Resonanter Bildungs-MechanismusResonanter Bildungs-Mechanismus

→ → Erklärung für hohe Zyklenrate Erklärung für hohe Zyklenrate λλC C

→ →bestimmt durch dtbestimmt durch dtμμ-Bildung-Rate -Bildung-Rate λλdtdtμμ

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Ungelöste Probleme - Ungelöste Probleme -

TemperaturabhängigkeitTemperaturabhängigkeit Theoretische Kalkulation:Theoretische Kalkulation: → → λλdtdtμμ fällt steil ab bei niedriger fällt steil ab bei niedriger

TemperaturTemperatur (<100K)(<100K) → → bei 20K: bei 20K: λλdtdtμμ eine Größenordnung kleinereine Größenordnung kleiner → → Schwellenenergie bei < 10 meVSchwellenenergie bei < 10 meV

→ → Kollisionsenergie > 10 meV = 100 KKollisionsenergie > 10 meV = 100 K→→ WiderspruchWiderspruch zu experimentellen zu experimentellen

Ergebnissen Ergebnissen (20 K flüssig, 16 K fest; C(20 K flüssig, 16 K fest; Ctt zwischen 10- zwischen 10-

70%)70%) → → λλC C fällt nicht bei niedriger Temperaturfällt nicht bei niedriger Temperatur

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Ungelöste Probleme Ungelöste Probleme - - DichteabhängigkeitDichteabhängigkeit

Zwei-Körper-Kollision:Zwei-Körper-Kollision:

→ → λλcc sollte konstant zur D-T-Dichte sollte konstant zur D-T-Dichte seinsein λλC C steigt mit steigender Dichtesteigt mit steigender Dichte Steigende Tendenz bei festen und Steigende Tendenz bei festen und

flüssigen Gemischenflüssigen Gemischen

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Dichteabhängigkeit der Dichteabhängigkeit der ZyklusrateZyklusrate

20K

RIKEN-RAL

(Sep / 95 – May / 98)

16K20K

PSI Ct=0.03

LAMPF Ct=0.08 <125K

LAMPF Ct=0.7 <125K

PSI Ct=0.62

PSI Ct=0.21

PSI Ct=0.42

LAMPF Ct=0.5 <125K

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ErklärungsversucheErklärungsversuche

Drei-Körper-System: Drei-Körper-System: tμ + Dtμ + D2 2 +D+D22´́ Erhöht resonante MolekülbildungErhöht resonante Molekülbildung DD22´ enfernt Überschuss-Energie´ enfernt Überschuss-Energie

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RIKEN-RAL - ZukunftRIKEN-RAL - Zukunft

Präzisere Messungen von Präzisere Messungen von RöntgenstrahlenRöntgenstrahlen Kryogene KalorimeterKryogene Kalorimeter Röntgen-BeugungsspektrometerRöntgen-Beugungsspektrometer

Messungen der KMessungen der Kαα,K,Kββ,K,Kγγ-Intensitäten-Intensitäten

→ → Erforschung der angeregten Erforschung der angeregten αμαμ--ZuständeZustände

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RIKEN-RAL - ZukunftRIKEN-RAL - Zukunft

Doppler Verbreiterung → Doppler Verbreiterung → αμαμ--GeschwindigkeitGeschwindigkeit

Effizienzerhöhung → Myon-Effizienzerhöhung → Myon-BeamstrahlBeamstrahl

Lösen der Myonen vom Lösen der Myonen vom αα → Testen → Testen verschiedener Ideenverschiedener Ideen

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QuellenQuellen Muon catalyzed fusionMuon catalyzed fusion

K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura K. Ishida, K. Nagamine, T. Matsuzaki, N. Kawamura Journal of Physics G, 29 (Aug 2003) Journal of Physics G, 29 (Aug 2003)

Strong n-alpha correlactions observed in muon Strong n-alpha correlactions observed in muon catalyzed t-t fusion reactionscatalyzed t-t fusion reactionsT. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics T. Matsuzaki, Progress of Theoretical Physics Supplement 15 Supplement 15

Discovery of temperature-dependent phenomena of Discovery of temperature-dependent phenomena of muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium muon-catalyzed fusion in solid deuterium and tritium mixturesmixturesN. Kawamura, N. Kawamura, Physical Review Letters, 90 (Jan 2003) Physical Review Letters, 90 (Jan 2003)

http://riken.nd.rl.ac.uk/ral.htmlhttp://riken.nd.rl.ac.uk/ral.html K. Ishida (RIKEN), Muon Catalyzed Fusion