ミューオン触媒核融合

ミューオン触媒核融合（略称μCFまたはMCF ）は、熱核融合に必要な温度よりも大幅に低い温度、さらには室温以下でも核融合を起こすことができるプロセスです。これは、核融合反応を触媒する数少ない既知の方法の 1 つです。

ミューオンは不安定な素粒子で、電子 に​​似ているが質量は電子の207倍である。ミューオンが水素分子の電子の1つを置き換えると、質量が電子の186倍に減少するため、原子核は通常の分子よりも186 ^{[1] [2]}倍近く引き寄せられる。原子核が近づくと核融合の確率が高まり、室温でかなりの数の核融合イベントが発生する可能性がある。

しかし、ミューオンを得るための方法は、結果として生じる核融合反応で生成できるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを必要とする。ミューオンの平均寿命は2.2μs は他の多くの亜原子粒子よりもはるかに長いが、それでも有用な保存には短すぎる。^[3]

有用な室温ミューオン触媒核融合を実現するためには、原子炉に安価で効率的なミューオン源と、個々のミューオンがさらに多くの核融合反応を触媒する方法が必要になる。

アンドレイ・サハロフとFCフランク^[4]は、 1950年より前に理論的根拠に基づいてミューオン触媒核融合の現象を予測した。ヤコフ・ボリソビッチ・ゼルドビッチ^[5]も1954年にミューオン触媒核融合の現象について書いている。ルイス・W・アルバレス ら^[6]は、1956年にバークレーの水素泡箱にミューオンを入射させる実験結果を分析した際に、ミューオン触媒による発熱的なp-d、陽子、重陽子の核融合を観測し、その結果ヘリオン、ガンマ線、および約5.5MeVのエネルギーが放出されることを報告した。特にアルバレスの実験結果は、ジョン・デイビッド・ジャクソンがミューオン触媒核融合に関する最初の包括的な理論的研究の一つを1957年の画期的な論文で発表するきっかけとなった。^[7]この論文には、ミューオン触媒核融合から得られる有用なエネルギーについての最初の真剣な考察が含まれていた。ジャクソンは、「アルファ固着問題」（下記参照）が解決されない限り、エネルギー源としては実用的ではないと結論付け、触媒ミューオンをよりエネルギー的に安価で効率的に利用できる可能性があるとした。^[7]

ミューオン触媒d-t核融合が実際に実現すれば、従来の核分裂炉よりもはるかに魅力的な発電方法となるだろう。なぜなら、ミューオン触媒d-t核融合は（他のほとんどのタイプの核融合と同様に）有害な（そして寿命がはるかに短い）放射性廃棄物をはるかに少なく生成するからである。^[要出典]

ミューオン触媒d-t核融合で生成される大量の中性子は、核分裂性物質から核分裂性燃料を生成するために使用できる可能性があります。たとえば、この方法でトリウム-232からウラン-233を生成できます。 ^{[注 1] [要出典]}生成された核分裂性燃料は、従来の臨界核分裂炉または非従来型の亜臨界核分裂炉（たとえば、核変換を使用して核廃棄物を処理する原子炉、またはカルロ・ルビアらが考案したエネルギー増幅器の概念を使用する原子炉）で「燃焼」できます。^[要出典]

ミューオン触媒核融合のもう 1 つの利点は、核融合プロセスがトリチウムなしで純粋な重水素ガスから開始できることです。ITER や Wendelstein X7 などのプラズマ核融合炉は、開始にトリチウムが必要であり、トリチウム ファクトリーも必要です。ミューオン触媒核融合は、動作中にトリチウムを生成し、重水素とトリチウムの比率が約 1:1 に達すると、動作効率が最適なポイントまで増加します。ミューオン触媒核融合は、トリチウム ファクトリーとして動作し、材料およびプラズマ核融合研究用のトリチウムを供給できます。

いくつかの改良を除いて、ミューオン触媒核融合の実現可能性に関するジャクソンの 1957 年の評価以来、ほとんど何も変わっていません。ただし、その後実験的に観測されたミューオン (d–μ–t) ⁺分子イオンの超微細共鳴形成に関するベスマンの 1967 年の予測は例外です。これはミューオン触媒核融合の分野全体に対する新たな関心を呼び起こし、現在でも世界中で活発な研究分野となっています。しかし、ジャクソンが論文で述べたように、ミューオン触媒核融合は「よりエネルギー的に安価な μ ⁻中間子^{[注 2]}の生成方法が見つからない限り、有用な電力生産をもたらす可能性は低い」とされています。^[7]

ミューオン触媒核融合プロセスの実際的な問題の一つは、ミューオンが不安定で、2.2  μs（静止系） ^[8]。したがって、ミューオンを生成するための安価な手段が必要であり、ミューオンは崩壊する前にできるだけ 多くの核融合反応を触媒するように配置する必要がある。

もう一つの、そして多くの点でより深刻な問題は「アルファ固着」問題であり、これはジャクソンが 1957 年の論文で認識していた。^{[7] [注 3]}アルファ固着問題とは、重陽子と三重陽子の核融合から生じるアルファ粒子にミューオンが「固着」する確率が約 1% であり、その結果ミューオンがミューオン触媒プロセスから事実上完全に排除される。ミューオンが絶対的に安定していたとしても、各ミューオンはアルファ粒子に固着する前に平均して約 100 回の dt 核融合しか触媒できず、これはジャクソンの大まかな見積もりによると、損益分岐点に達するために必要なミューオン触媒 d-t 核融合の数の約 5 分の 1 に過ぎない。損益分岐点では、ミューオンを生成するために消費される電気エネルギーと同じ量の熱エネルギーが生成される。 ^[7]

最近の測定では、α 付着確率のより有望な値が示されているようで、α 付着確率は約 0.3% から 0.5% であることがわかった。これは、ミューオン 1 個あたり約 200 回 (最大 350 回) のミューオン触媒 d-t 核融合を意味する可能性がある。^[9]実際、スティーブン E. ジョーンズ 率いるチームは、ロスアラモス中間子物理施設でミューオン 1 個あたり 150 回 (平均) の d-t 核融合を達成した。^[10] この結果は有望で、理論的な損益分岐点に達するのにほぼ十分であった。残念ながら、ミューオン 1 個あたりのミューオン触媒 d-t 核融合数のこれらの測定では、産業上の損益分岐点に達するにはまだ不十分である。損益分岐点に達したとしても、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は約 40% 程度に過ぎず、実現可能性をさらに制限している。ミューオン 1 個あたりの電気「エネルギー コスト」の最近の最良の推定値は約 1000 である。6 GeVの加速器は、（偶然にも）電力網からの 電気エネルギーを重陽子の加速に変換する効率が約 40% です。

2012年現在、この手段でエネルギーを生成する実用的な方法は発表されていないが、ホール効果を利用したいくつかの発見は有望である。^{[11] [検証に失敗した]}

アルゴンヌ国立研究所の物理学者ゴードン・プッシュによると、ミューオン触媒核融合に関するさまざまな損益分岐点の計算では、ミューオンビーム自体がターゲットに蓄積する熱エネルギーが省略されている。^[12]この要素を考慮すると、ミューオン触媒核融合はすでに損益分岐点を超えている可能性がある。しかし、再循環電力は通常、電力網に出力される電力と比較して非常に大きい（推定によると約3〜5倍）。このかなり高い再循環電力にもかかわらず、全体的なサイクル効率は従来の核分裂炉に匹敵する。しかし、電力網に出力されるメガワットごとに4〜6MWの発電能力が必要になることは、おそらく受け入れられないほど大きな資本投資を意味する。プッシュは、ターゲット損失をなくし、トリチウム原子核をドライバービームとして使用して負のミューオンの数を最適化することで、ミューオン生成効率を大幅に向上させるために、ボグダン・マグリッチの「ミグマ」自己衝突ビームコンセプトを使用することを提案した。

2021年に、ケリー、ハート、ローズ^[13]は、生成された熱エネルギーと、負のパイ中間子（そしてパイ中間子の崩壊による負のミューオン）を生成するために使用される加速された重陽子の運動エネルギーの比Qを最適化するμCFモデルを作成しました。このモデルでは、前の段落でゴードン・プッシュが示唆したように、入射する重陽子の熱エネルギーと、タングステンターゲットに衝突する重陽子ビームによって生成された粒子の熱エネルギーが可能な限り回収されました。さらに、1988年にヤンデル、ダノス、ラフェルスキが示唆したように、リチウム鉛シェル内でのトリチウム増殖による熱エネルギーが回収されました。^[14]生成されたミューオンの50％が実際に核融合触媒に利用されると仮定すると、最良のQ値は約130％であることがわかりました。さらに、加速器が電気エネルギーを重陽子の運動エネルギーに変換する効率が 18%、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が 60% であると仮定すると、現在、μCF 原子炉で生成できる電気エネルギーの量は、消費される電気エネルギーの 14% になると推定されます。これを改善するには、a) 加速器の効率を上げることと、b) 負ミューオンあたりの核融合反応の数を想定レベルの 150 以上に増やすことの組み合わせが必要であると示唆しています。

この効果を生み出すために、ほとんどの場合は崩壊するパイオンによって生成される負のミューオンの流れが、3つの水素同位体（陽子、重水素、および/または三重水素）すべてで構成されている可能性のあるブロックに送られます。ブロックは通常凍結されており、ブロックの温度は約3ケルビン（摂氏-270度）程度です。ミューオンは、水素同位体の1つから電子にぶつかることがあります。ミューオンは電子の207倍の質量があり、2つの原子核間の電磁気反発を効果的に遮蔽して軽減し、電子よりもはるかに近い共有結合にそれらを引き寄せます。原子核が非常に近いため、強い核力が働いて両方の原子核を結合することができます。それらは融合し、触媒ミューオンを放出し（ほとんどの場合）、他のタイプの核融合と同様に、両方の原子核の元の質量の一部がエネルギー粒子として放出されます。反応を継続するには、触媒ミューオンの放出が不可欠です。ミューオンの大部分は、他の水素同位体と結合し続け、原子核の融合を続けます。ただし、すべてのミューオンがリサイクルされるわけではありません。一部は、原子核の融合後に放出された他の破片（アルファ粒子やヘリオンなど）と結合し、触媒プロセスからミューオンを取り除きます。これにより、原子核が結合できるミューオンがますます少なくなり、反応は徐々に阻害されます。研究室で達成される反応の数は、ミューオンあたり 150 d-t 融合（平均）にも達することがあります。

最も興味深いミューオン触媒核融合では、正に帯電した重陽子(d)、正に帯電した三重陽子(t)、およびミューオンが、本質的に正に帯電したミューオン分子重水素イオン(d–μ–t) ^{+ を}形成する。ミューオンは、静止質量が電子の静止質量の 207 倍であり^{[8]、より質量の大きい三重陽子と重陽子を}、ミューオン(d–μ–t) ^+分子イオン内の電子よりも 207 倍互いに引き寄せることができる^[ 1 ] ^{[ 2]}。電子分子イオン内の三重陽子と重陽子の平均距離は約 1オングストローム(100 pm )であり^{[7] [注 4]}、ミューオン分子イオン内の三重陽子と重陽子の平均距離はそれよりも 207 倍小さい。^{[注 5]}強い核力により、ミューオン分子イオン中の三重水素と重陽子が周期的な振動運動中に互いに近づくと、正に帯電した三重水素と正に帯電した重陽子が、それらを引き離すように働くクーロン反発障壁を通り抜けて量子トンネル効果を受ける確率が非常に高くなります。実際、量子力学的トンネル効果の確率は三重水素と重陽子の平均距離にほぼ指数関数的に依存し、ミューオン分子イオンが形成されると、単一のミューオンが約0.5ピコ秒未満でd-t核融合を触媒することができます。^[7]

ミューオン分子イオンの形成時間は、ミューオン触媒核融合における「律速段階」の1つであり、例えば液体分子重水素および三重水素混合物（D ₂、DT、T ₂）では、1万ピコ秒以上かかることもあります。^{[7]そのため、各触媒ミューオンは、}静止フレームで測定された 2.2マイクロ秒の一時的な存在のほとんどを、結合するのに適した重陽子と三重陽子を探してさまよいながら過ごします。 ^[8]

ミューオン触媒核融合を見る別の方法は、重陽子または三重陽子の周りのミューオンの基底状態軌道を視覚化することです。ミューオンが最初に重陽子の周りの軌道に落ちたと仮定します。重陽子と三重陽子の数がほぼ同数であれば、ミューオンが重陽子の周りの軌道に落ちる可能性は約 50% です。これにより、電気的に中性のミューオン重水素原子 (d–μ) ⁰が形成されます。この原子は、比較的小さいサイズ (電気的に中性の電子重水素原子 (d–e) ⁰の 207 分の 1 のサイズ) と、重陽子内の陽子の正電荷をミューオンが非常に効果的に「遮蔽」するため、いくぶん「太った重い中性子」のように機能します。それでも、ミューオンがミューオン分子イオンを形成する可能性よりも、ミューオン重水素に十分近づく三重陽子に転送される可能性の方がはるかに高くなります。このようにして形成された電気的に中性のミューオントリチウム原子 (t–μ) ^{0 は}、さらに「より太くて重い中性子」のように振る舞うが、ミューオンを保持したまま最終的にミューオン分子イオンを形成する可能性が高い。これは、おそらく重水素分子D ₂ (d=e ² =d)全体内で超微細分子状態の共鳴形成によるものであり、ミューオン分子イオンは「より太くて重い」中性の「ミューオン/電子」重水素分子 ([d–μ–t]=e ² =d) の「より太くて重い核」として振る舞う。これは 1967 年にエストニアの大学院生 Vesman によって予測された。^[15]

ミューオン分子イオン状態が形成されると、三重水素の陽子と重水素の陽子の正電荷がミューオンによって互いに遮蔽されるため、三重水素と重水素はナノ秒オーダーの時間範囲でクーロン障壁を通り抜けることができます^[16]ミューオンは d-t ミューオン触媒核融合反応を生き延び、（通常は）さらなる d-t ミューオン触媒核融合を触媒するために利用できます。発熱性のd-t核融合ごとに、約 17.6 MeVのエネルギーが、運動エネルギーが約 14.1 MeV の「超高速」中性子と、運動エネルギーが約 3.5 MeV のアルファ粒子α（ヘリウム-4 原子核）の形で放出されます。^{[7]反応室を囲む適切な「ブランケット」で高速中性子を}減速させることで、さらに4.8 MeVを得ることができます。ブランケットにはリチウム-6が含まれており、その原子核は「リシオン」とも呼ばれ、熱中性子を容易に発熱的に吸収し、リチウム-6はアルファ粒子とトリトンに変換されます。^{[注 6]}

LW Alvarez ら^[6]によって実験的に観測された最初の種類のミューオン触媒核融合は、プロチウム（Hまたは1H1）と重水素（Dまたは1H2 ）ミューオン触媒_核融合であっ_た。p -d（またはpd）ミューオン触媒核融合の核融合速度は、^d -tミューオン触媒核融合の核^融合速度よりも約100万倍遅いと推定されている。^{[7] [注 7]}

より実用的な関心事として、重水素-重水素ミューオン触媒核融合は頻繁に観測され、実験的に広く研究されているが、これは主に重水素がすでに比較的豊富に存在し、重水素はプロチウムと同様に全く放射性ではないためである。（トリチウムは自然界にほとんど存在せず、半減期が約12.5年の放射性物質である。^[8]）

d-dミューオン触媒核融合の核融合率はd-tミューオン触媒核融合の核融合率のわずか1%程度と推定されているが、それでも10～100ピコ秒ごとに約1回のd-d核融合が起こることになる。^[7] しかし、d-dミューオン触媒核融合反応ごとに放出されるエネルギーは、d-tミューオン触媒核融合反応ごとに放出されるエネルギーの約20%程度に過ぎない。^[7] さらに、触媒ミューオンがd-dミューオン触媒核融合反応生成物の少なくとも1つに付着する確率は、ジャクソンがこの1957年の論文^[7]で、触媒ミューオンがd-tミューオン触媒核融合反応生成物の少なくとも1つに付着する対応する確率の少なくとも10倍であると推定しており、それによってミューオンがそれ以上の核融合を触媒するのを防ぐことになる。事実上、これは、純粋な重水素中で d-d ミューオン触媒核融合反応を触媒する各ミューオンは、各ミューオンが等量の重水素と三重水素の混合物中で触媒できる d-t ミューオン触媒核融合反応の数の約 10 分の 1 しか触媒できず、各 d-d 核融合は各 d-t 核融合の約 5 分の 1 しか生成しないことを意味します。そのため、d-d ミューオン触媒核融合からの有用なエネルギー放出の見通しは、d-t ミューオン触媒核融合からの有用なエネルギー放出の見通しがすでに暗いことよりも少なくとも 50 倍悪くなります。

核融合生成物の中に本質的に中性子が全く生じない潜在的な「非中性子」（または実質的に非中性子）核融合の可能性は、ミューオン触媒核融合にはあまり適していないことはほぼ確実である。 ^[7] そのような本質的に非中性子の核融合反応の1つは、重水素からの重陽子がヘリウム3からのヘリオン（He ⁺²）と融合することであり、これにより、エネルギーの高いアルファ粒子とはるかにエネルギーの高い陽子が生成され、両方とも正に帯電している（少数の中性子は避けられないd-d核融合副反応から生じる）。しかし、負の電荷を1つだけ持つミューオン1つでは、ヘリオンの両方の正電荷を重陽子の1つの正電荷から遮蔽することはできない。必要な2つのミューオンが同時に存在する可能性は非常に低い。

「常温核融合」という用語は、1956年にニューヨークタイムズ紙に掲載されたルイス・W・アルバレスの論文に関する記事の中で、ミューオン触媒核融合を指すために造られた。 ^[17]

1957年、セオドア・スタージョンは短編小説「バリアの中のポッド」を執筆した。その中で、人類はミューオンで作動する常温核融合炉を遍在させている。反応は「水素1と水素2がミュー中間子の存在下で融合し、ヘリウム3に変化し、電子ボルトでのエネルギー収量は5.4×10の5乗」である。ポッドに収められた熱核爆弾（バリアを破壊するのに使用される）とは異なり、ミューオン核融合が機能するという「集中的な不信」によって一時的に無力化される可能性がある。^[18]

アーサー・C・クラーク卿の宇宙の旅シリーズの第3作『2061年宇宙の旅3』では、ミューオン触媒核融合は人類が惑星間旅行を容易に実現できるようにする技術です。主人公のヘイウッド・フロイドは、ルイス・アルバレスとラザフォード卿が自分たちの発見の将来性を過小評価している点を比較しています。

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