На соискание Государственной премии России.

23 июня на заседании Научно-технического совета ОИЯИ было принято постановление о поддержке выдвижения ученым советом Петербургского института ядерной физики РАН цикла работ, выполненных в 1977 - 1996 годах, «Мюонный катализ ядерных реакций синтеза и его приложения» в следующем авторском составе: член-корреспондент РАН, профессор А. А. Воробьев, профессор Ю. В Петров, кандидат физико-математических наук Г. Г. Семенчук, член-корреспондент РАН, профессор С. С. Герштейн, член-корреспондент РАН, профессор В. П. Джелепов, профессор В. Г. Зинов, доктор физико-математических наук В. В. Фильченков, член-корреспондент РАН, профессор Л. И. Пономарев.

Экспериментальные исследования мю-молекулярных процессов и мюонного катализа в нашей стране впервые были начаты в Дубне в середине 60-х годов под руководством В. П. Джелепова на 680 МэВ синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем.

Суть мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода состоит в том, что отрицательный мюон, внедряясь в молекулу дейтерия или дейтерия и трития, образует мюонные молекулы d d µ или d t µ , размеры которых в 200 раз меньше размеров обычных молекул. Вследствие этого в мюонных молекулах очень быстро, за время 10-11– 10-12 секунд происходит подбарьерный ядерный синтез с выделением значительной энергии: 3,3 или 17,6 МэВ соответственно. При этом мюон, как правило, освобождается и может катализировать новые реакции.

Уже первый цикл этих исследований дал много интересных результатов и завершился открытием неизвестного ранее явления: резонансной зависимости скорости образования мюонных молекул дейтерия d d µ от энергии d µ -атома (авторы: В. П. Джелепов, Э. А. Весман, С. С. Герштейн, П. Ф. Ермолов, В. В. Фильченков). Открытие зарегистрировано в Государственном реестре СССР.

Этот результат был неожиданным и инициировал разработку в 1977 - 1978 годах в ЛТФ ОИЯИ С. С. Герштейном и Л. И. Пономаревым механизма явления и проведение Л. И. Пономаревым и И. В. Пузыниным (ЛВТА) соответствующих квантово-механических расчетов уровней энергии d d µ - молекул. При этом было установлено существование у таких молекул до того неизвестного слабосвязанного уровня с энергией 1,96 эВ, который и явился причиной возникновения резонанса. Теоретиками было не только найдено количественное объяснение полученных опытных данных для d d µ -молекул, но на основе решения аналогичной задачи для молекул d t µ установлено существование у них подобного, но еще более слабосвязанного уровня с энергией ~ 0,6 эВ.

Вычисленная с учетом этого уровня скорость образования молекул d t µ в резонансе оказалась в 100 раз больше таковой для d d µ . Это означало, что за время своей жизни (~ 2 микросекунды) один отрицательный мюон может катализировать 100 реакций d +t и тем самым обеспечить выделение энергии около 2 ГэВ. Поставленные и выполненные в 1979 году в ЛЯП ОИЯИ В. П. Джелеповым, В. Г. Зиновым, В. В. Фильченковым и другими сотрудниками опыты со смесью газов дейтерия и трития количественно подтвердили предсказанное теоретиками увеличение в сто раз скорости изотопного обмена: d µ + t t µ + d .

Опубликование этих экспериментальных данных и теоретических результатов вызвало большой резонанс в научных кругах многих лабораторий разных стран, так как наряду с общим научным интересом к проблеме возникла гипотетическая возможность использования явления мю-катализа в целях получения атомной энергии и мощных пучков монохроматических нейтронов с энергией 14,1 МэВ. Вскоре исследования по мюонному катализу начали развиваться в лабораториях и институтах США, Швейцарии, Японии, Англии, Италии, Австрии, Швеции и других стран.

В нашей стране в 80-х годах в целях координации и поддержки работ по этой проблеме руководством Минатома и Президиумом АН СССР было принято совместное решение о проведении работ по единой Государственной программе. Ответственным координатором работ и ведущим теоретиком программы был назначен Л. И. Пономарев. С тех пор в России, кроме Дубны, эти исследования в экспериментальном плане активно проводятся в ПИЯФ РАН (Гатчина) А. А. Воробьевым (руководитель), Г. Г. Семенчуком и другими; в теоретическом – Ю. А. Петровым. С большим успехом теоретические исследования по различным аспектам проблемы мю-катализа и смежным областям ведут Л. И. Пономарев со своими сотрудниками (РНЦ «Курчатовский институт»), С. С. Герштейн и его коллеги (ИФВЭ).

Группа в Дубне после получения первых основополагающих экспериментальных результатов по мю-катализу в d d µ и d t µ -молекулах, учитывая важность знания параметров этих процессов при больших плотностях газа (близких к плотностям жидкого водорода) и высоких температурах, которые будут использоваться в случае решения прикладных задач, сосредоточила свои усилия на определении этих параметров.

Следует подчеркнуть, что разработанный и используемый в Дубне метод регистрации мю-катализа по нейтронам синтеза является единственно применимым для исследований в этих условиях, таковым он является и в случае использования высоких концентраций трития, которые будут применяться, если встанет проблема создания энергетических установок на основе мюонного катализа.

Кратко перечислим лишь часть новых результатов, полученных в Дубне в 80-90-х годах при высоких давлениях и температурах. Получены: зависимости скорости образования мюонных молекул дейтерия от давления (0,4 – 1,5 килобара) и температуры; зависимости спиновых эффектов в резонансном образовании d d µ -молекул от температуры во всех трех агрегатных состояниях дейтерия: газообразном, жидком и твердом; температурная зависимость скорости образования молекул p d µ (сведения об этой скорости важно иметь в случае использования в мю-катализе смеси всех трех изотопов водорода p , d и t ) и др. Результаты всех этих работ существенно важны не только для проверки и развития теории, но совершенно необходимы в случае использования мюонного катализа в прикладных целях, например, для получения атомной энергии.

Выполнение этих исследований потребовало проведения разработок и создания уникальной аппаратуры: сцинтилляционного спектрометра нейтронов полного поглощения с 4 пи-геометрией и высоким разрешением, сооружения твердодейтериевой мишени для работ в области температур 5 – 30 К. Группой ПИЯФ (Гатчина) под руководством А. А. Воробьева с помощью созданной уникальной ионизационной камеры, рассчитанной на давление вплоть до 0,2 килобара, также выполнен целый комплекс измерений ряда важных констант мю-катализа с регистрацией этого явления по заряженным продуктам синтеза.

Назовем лишь наиболее важные результаты. С особо высокой точностью определены коэффициенты прилипания мюонов к Не3 при d d µ синтезе и, что особенно важно, измерен коэффициент прилипания мюона к Не4 в условиях d t µ синтеза (этот коэффициент определяет число циклов катализа для одного мюона). Найденное гатчинской группой значение этого коэффициента позволяет заключить, что один мюон может осуществить около 180 реакций дейтерий-тритий. Измерены скорости образования d t µ -молекул как в D 2, так и в H D молекулах; выполнено наиболее точное измерение температурной зависимости скорости образования d d µ молекул от температуры, позволившее определить значение энергии слабо связанного уровня в d d µ молекуле с точностью в один миллиэлектронвольт, и др.

Ю. В. Петровым разработан концептуальный проект гибридного мезокаталического реактора и способ очистки его от накапливающихся в процессе катализа гелия-3 и гелия-4 в смеси дейтерия и трития, а также выполнен ряд теоретических работ по мю-катализу.

Теоретиками Л. И. Пономаревым и С. С. Герштейном с сотрудниками создана строгая и стройная теория различных аспектов мюонного катализа, а также теория многочисленных, играющих важную роль мезоатомных и мезомолекулярных процессов. Невозможно переоценить важность этих теоретических работ, так как они в течение многих прошедших лет указывали направление основных и поисковых экспериментальных исследований и в ряде случаев являются эвристическими для постановки будущих опытов.

По проблемам мю-катализа издается специальный международный журнал, регулярно проводятся международные конференции и симпозиумы. В 1995 году такая конференция проводилась в Дубне под руководством В. П. Джелепова.

Авторы выдвинутого на соискание Государственной премии РФ цикла работ, заложившие научный фундамент и внесшие большой и ценный вклад в развитие этой области исследований, продолжают и сегодня занимать в ней лидирующий позиции в мире.

председатель НТС ОИЯИ,

И.САВИН.