Generation of in-flight muon catalyzed fusion in Mach shock wave interference region

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 18H05461
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kino Yasushi 東北大学, 理学研究科, 教授 (00272005)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山下 琢磨 東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (40844965) ; 佐藤 元泰 中部大学, 工学部, 特任教授 (60115855) ; 棚橋 美治 中部大学, 工学部, 教授 (60804094) ; 岡 壽崇 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (70339745) ; 岡田 信二 中部大学, 工学部, 教授 (70391901) ; 山本 則正 中部大学, 工学部, 准教授 (40350326)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: ミュオン / ミュオン触媒核融合 / 少数多体系 / エキゾチック原子・分子 / ミュオン原子衝突 / マッハ衝撃波 / ラムジェット / 核融合中性子

Outline of Final Research Achievements

We proposed a new model of muon-catalyzed fusion (μCF) that involves a resonance state. We also quantitatively evaluated the contribution of in-flight μCF. For the first time, we successfully observed the X-ray spectrum emitted during the decay of the resonance state. We calculated the α-μ sticking ratio in the muon loss process in μCF and the muons released after μCF. Furthermore, we directly detected these released muons for the first time. Our theoretical calculations solved several issues that had remained unresolved for over 20 years. We proposed using the stationary high-density region formed in a gas by the interference of supersonic shock waves as the reaction field for μCF. We constructed a shock tunnel and experimentally measured the formation of the high-density region using the Schlieren method, confirming that its position, shape, and interference wavefront matched aerodynamic calculations.

Free Research Field

放射化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

エネルギー源や中性子源として期待されるミュオン触媒核融合(μCF)の多くの問題を精密な理論計算により解決した。新しい実験手法により、μCFの中のミュオン原子分子過程が明らかになった。電力を取り出すためにはミュオンの生成コストを現在の半分以下に下げる必要はあるが、μCFにより得られる単色の中性子を用いて、長寿命核分裂生成物の処理、未臨界原子炉の制御への応用を可能であることを示した。μCFで制御されるトリウムを用いる核分裂炉を社会実装するベンチャー企業も設立された。μCFから生成される低速ミュオン生成も原理実証され、ミュオン顕微鏡やミュオンコライダーなどミュオンの学術面への応用にも道を開いた。