Studies on muonic dynamics of liquid D–T–H in dtµ muonic-molecule resonance formation and its comparison with a D–T system

摘要

Recent experimental and theoretical studies on muon-catalyzed fusion in a mixture of three gases, D–T–H, have shown that the muon-cycling-rate changes obtained are mostly in contradiction with each other and depend strongly on the physical conditions of the system. In this paper, we have considered the muon-cycling rate and its relevant nonlinear dynamical equations for mixtures of D–T and D–T–H in practical conditions where the muon-cycling rate is temperature; density of the mixture; and relative-particle concentration (deuterium, tritium, and hydrogen) dependent. Our theoretical method has shown that addition of protium to a D–T mixture leads to a significant decrease in the cycling rate, namely, by a factor of more than 15 in the liquid mixture and more than three in the gaseous mixture at 300–600 K. We show that the results obtained for given experimental conditions are in very good agreement with recent experimental values of Joint Institute for Nuclear Research in Dubna. The given reliable theoretical method leads us to determine the optimal condition of the muon-cycling rate such as relative-particle concentration in the resonance-temperature range at liquid hydrogen density, = 1. It is shown that for a deuterium and tritium relative concentration of C_d = C_t = 0.45 with C_p = 0.1 and _s = 0.0029, a muon-cycling rate of 199 in the dµ branch at 800 K is achievable, which compared to the D–T system in optimal conditions, still has a 29% enhancement. Finally, by energy-gain evaluation of resonance-muon-catalyzed fusion, we show that even this key step in high-yield µCF is far, far away from sufficiently minimal values to be of interest for practical applications of such a system.PACS No.: 25.30MDe récents résultats théoriques et expérimentaux sur la fusion avec catalyse muonique dans des mélanges des trois gaz, D–T–H, ont montré que les changements dans les taux du cycle (de recyclage) des muons sont en contradiction, avec une forte dépendance sur les conditions physiques du système. Ici, nous étudions le taux de recyclage du muon avec ses équations dynamiques non linéaires pertinentes pour des mélanges D–T et D–T–H, sous des conditions réalistes où le taux est fonction de la température, de la densité et des concentrations relatives (de H, D et T). Notre méthode théorique montre que l'addition du protium au mélange D–T cause une décroissance significative du taux de recyclage, plus précisément, par un facteur de 15 et plus dans le mélange liquide et de plus de 3 dans le mélange gazeux à 300–600 K. Nous montrons que les résultats obtenus pour les paramètres expérimentaux choisis sont en bon accord avec les résultats d'expériences récentes au JINR. Les résultats théoriques les plus fiables nous suggèrent les conditions optimales, sur les densités relatives par exemple, pour le recyclage des muons dans le domaine de la température de résonance et pour une densité égale à celle de l'hydrogène liquide, = 1. Nous montrons qu'avec les concentrations relatives C_d = C_t = 0,45 et C_p = 0,1 et avec _s = 0,0029, on peut atteindre un taux de recyclage du muon de 199 dans la branche dtµ à 800 K, ce qui représente une augmentation de 29% sur le système D–T dans les meilleures conditions. Finalement, l'évaluation du gain en énergie pour la fusion avec catalyse muonique résonante, même avec cette étape clé dans le haut rendement µ CF, montre que nous demeurons très très loin des valeurs minimales suffisantes pour être d'un quelconque intérêt dans des applications pratiques. [Traduit par la Rédaction]