Monografia prezentuje wyniki wieloletnich badań nad syntezą jądrową w ciele stałym w ultraniskich energiach, prowadzonych z wykorzystaniem akceleratorów plazmowych, w szczególności układów pulsacyjnych. Przez 30 lat międzynarodowy zespół, w którego pracach uczestniczył autor monografii, badał wpływ ekranowania elektronowego oraz kanałowania jonów na przekroje czynne reakcji lekkich izotopów wodoru i helu. Główny nacisk położono na badania metalicznych tarcz nasyconych deuterem i trytem. Uzyskano w nich przełomowe wyniki, które stanowiły finalny i najważniejszy etap prac. Nowatorskie układy pomiarowe – od wielosiatkowego spektrometru elektrostatycznego, przez kolimowane cylindry Faradaya, po specjalne systemy detekcji neutronów, promieniowania gamma i protonów – umożliwiły pomiary o unikalnej czułości i precyzyjną identyfikację produktów reakcji o ekstremalnie małych przekrojach czynnych.
Badania wykazały znaczący wzrost wydajności fuzji jądrowej w porównaniu z przewidywaniami dla „gołych” jąder, co przypisano silnemu ekranowaniu elektronowemu oraz efektom struktury krystalicznej. Szczególnie istotne są wyniki dla reakcji d+d, gdzie zaobserwowano wielokrotny, sięgający nawet kilku rzędów wielkości, wzrost jej wydajności w niskich energiach, niezależny od temperatury tarczy. Pracę uzupełniają autorskie modele teoretyczne i symulacje Monte Carlo, które potwierdzają wyniki eksperymentów i dostarczają nowych danych o czynniku astrofizycznym oraz potencjałach ekranowania.
Monografia podkreśla znaczenie badań dla astrofizyki – zwłaszcza dla modelowania procesów gwiazdowych i nukleosyntezy lekkich pierwiastków – oraz dla przyszłych koncepcji kontrolowanej fuzji jądrowej, realizowanej w znacznie mniej ekstremalnych warunkach, z wykorzystaniem prostych tarcz stałych i relatywnie łatwych do wytworzenia wiązek jonów.
Publikacja stanowi kompleksowe, rzetelne i innowacyjne studium, które znacząco poszerza wiedzę o procesach jądrowych w skondensowanej materii i wyznacza kierunki dalszych badań. Jest skierowana do fizyków jądrowych, inżynierów plazmy, badaczy materiałowych oraz wszystkich zainteresowanych nowymi kierunkami badań nad syntezą jądrową.
- Contents
-
Streszczenie 7
Abstract 9
Najważniejsze skrótowce użyte w pracy 13
Wykaz głównych oznaczeń matematycznych 171. Wstęp 17
1.1. Podstawowe uwarunkowania syntezy jądrowej 19
1.2. Reakcje jądrowe przy niskich energiach 24
1.2.1. Wprowadzenie 24
1.2.2. Czynniki decydujące o przebiegu reakcji jądrowych w niskich energiach 27
1.2.3. Historia badań nad LENR 31
1.2.4. Znaczenie poznawcze badan´ reakcji syntezy jądrowej przy niskich energiach 35
2. Metody syntezy jądrowej 38
2.1. Wprowadzenie 38
2.2. Kryterium Lawsona 39
2.3. Podstawowe reakcje syntezy jądrowej 40
2.4. Przegląd koncepcji realizacji kontrolowanej syntezy jądrowej 41
2.4.1. Krótka charakterystyka wybranych metod 43
2.4.2. Inne metody syntezy jądrowej 47
2.5. Projekt ITER i inne obecnie stosowane podejścia 47
3. Wybrane zagadnienia metodologiczne badania reakcji syntezy przy niskich energiach 50
3.1. Pulsacyjne akceleratory plazmowe 51
3.2. Instrumenty pomiarowe 61
3.2.1. Źródło jonów na bazie akceleratora Halla 61
3.2.2. Impulsowy zawór gazowy 63
3.2.3. Uderzeniowa cewka impulsowa 63
3.2.4. Elektromagnes 64
3.2.5. Generator impulsów napięcia przyspieszającego 7–45 kV 65
3.2.6. Diagnostyka wiązki jonowej i źródła Halla 65
3.2.7. System automatycznej stabilizacji parametrów wiązki przyspieszonych jonów w akceleratorze hallowskim (IDM-40) 68
3.3. Detektory 69
3.4. Analiza procesów odpowiedzialnych za powstanie tła w eksperymentach w akceleratorach plazmowych 71
3.4.1. Wprowadzenie i sformułowanie problemu 71
3.4.2. Przebieg pomiarów tła i wyniki 74
3.4.3. Podsumowanie 79
3.5. Metodyka przygotowania i badania tarcz 79
3.5.1. Tarcza z deuteryzowanego polietylenu 80
3.5.2. Tarcza z ciężkiego lodu 80
3.5.3. Metaliczne tarcze nasycone deuterem 80
3.6. Metody badania tarcz 85
3.6.1. Metoda detekcji rozpraszania elastycznego 83
3.6.2. Metody mikroskopowe 86
3.6.3. Metody dyfrakcyjne 87
3.6.4. Spektroskopia elektronów Augera 89
3.6.5. Uwagi końcowe do deuteryzowanych tarcz metalicznych 92
3.7. Analiza oddziaływania wiązek jonów z tarczami w postaci metali nasyconych deuterem 92
3.7.1. Procedura obliczeniowa 93
3.7.2. Obliczenia wydajności neutronów 101
3.7.3. Walidacja metody i określanie potencjału ekranowania 104
4. Przedstawienie i omówienie wyników badań 109
4.1. Przegląd przeprowadzonych pomiarów 109
4.2. Badanie reakcji p + d 110
4.2.1. Wprowadzenie 110
4.2.2. Badania astrofizycznego S-faktora 111
4.2.3. Wyznaczanie przekroju czynnego 113
4.2.4. Potencjały ekranowania 114
4.2.5. Współczynnik wzmocnienia reakcji 114
4.2.6. Zestawienie wyników badań reakcji p + d 115
4.2.7. Podsumowanie 118
4.3. Badanie reakcji p + t 119
4.3.1. Wprowadzenie 119
4.3.2. Wyniki i dyskusja 119
4.4. Badanie reakcji d + d 121
4.4.1. Wprowadzenie 121
4.4.2. Badanie astrofizycznego S-faktora 121
4.4.3. Ekranowanie elektronowe 126
4.4.4. Efekty temperaturowe w ekranowaniu elektronowym 128
4.4.5. Efekt kanałowania reakcji d + d w deuterku tytanu 132
4.4.6. Symulacje wpływu orientacji kryształu na wydajność generacji neutronów dla reakcji d + d 137
4.5. Badanie reakcji d + 3He 141
4.5.1. Wprowadzenie i sformułowanie problemu 141
4.5.2. Przebieg pomiarów 142
4.5.3. Wyniki eksperymentu 143
4.5.4. Podsumowanie 145
4.6. Badanie reakcji 4He + d 146
4.6.1. Wprowadzenie 146
4.6.2. Prace eksperymentalne 146
4.6.3. Wyniki eksperymentów i ich omówienie 147
4.7. Badanie reakcji 4He + t 148
4.7.1. Wprowadzenie 148
4.7.2. Przebieg eksperymentu 148
4.7.3.Wyniki eksperymentu i dyskusja 149
5. Podsumowanie 151
Bibliografia 155
