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核融合と核分裂の違い

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新しい核融合実験装置の建設風景など貴重な写真が見られるサイトの紹介

 写真家 西澤 丞さんが立ち上げられた「Workers in Japan | 人と仕事の情報発信サイト」で核融合実験装置JT-60SAが取り上げられ、製作過程の貴重でインパクトのある写真がアップされています。ぜひ皆さんに見ていただきたいサイトです。 ↓ https://workers-in-japan.com/2021/03/16/naka-fusion-jt60sa-japanese/ まず、西澤さんがオープンされたこのサイト、「現場の人の熱い思いを伝えたい。かっこよく働く姿を見てもらいたい。」と述べられているように、世の中であまり知られていない仕事の現場に入っていかれ、働いている人の息づかいが分かるくらいの近さで写真を撮られています。そこで働いている皆さんがとてもかっこよく見えます。 さて、核融合実験装置に話しを戻すと、この新しい装置は茨城県に建設され、これからプラズマを作る実験が始まろうとしているJT-60SAという装置です。実は1985年から2008年まで実験をしていたJT-60という装置を作り替えた後継装置です。西澤さんは前のJT-60の解体作業も取材されていて、当時の貴重な写真も今回公開されています。JT-60SA建設の写真で特に気になったのが、溶接作業の写真です。私も核融合実験装置LHDの建設に携わったので、溶接技術の重要さが分かっています。「真空容器には高精度が求められたので、現場には張り詰めた空気が漂っていた。」と書かれていますがそのとおりです。真空容器ですから少しのピンホールも許されません。そして溶接をするとどうしても金属が歪んでしまい設計図とおりの形状にならないのです。核融合実験装置では最終形状に対してミリ単位の精度が要求されますので、溶接には一段高い技術が必要となるわけです。 こういう写真から核融合発電や核融合研究に興味をもってもらえると嬉しいなと思います。

本の紹介「図解でよくわかる核融合エネルギーのきほん」

  本当に久しぶりに「核融合」に関する解説書が出版されました。「図解でよくわかる核融合エネルギーのきほん」(誠文堂新光社)です。これまでの解説書と違って、特定の著者が書いたものではなく、文部科学省、研究機関、大学が協力してまとめられたもので、内容に偏りがなく正確に書かれています。かと言って難しくはなく、これまでの解説書の中では最も分かりやすいものです。各項目が見開きに纏められ、右ページが図解になっています。(ある意味、どこから読んでも大丈夫!)また科学的な内容だけでなく、経済面や教育面(そして核融合ロケットまで)についても総合的に書かれています。所々にあるコラムも興味深く読むことができます。核融合について知りたくなったら最初に読むのに最適な入門書だと思います。 余談ですが、このブログにある図も引用されましたよ(P71)。

科学技術館でのプレゼンをYoutubeに公開しました-教材にもどうぞ

児童・生徒の皆さんが休校で、オンラインで色々と勉強しているそうですね。そんな皆さんに(もちろん大人の方にも)核融合のことを勉強してもらおうと、昨年12月に東京、科学技術館で開催された科学ライブショー「ユニバース」で話した内容を、YouTubeに公開しました。タイトルは「太陽でおこっているかくゆう合を使った発電をしょうかいします」です。子どもたちを対象に10分ほど話しをさせてもらいました。スライドに音声を加えただけの動画ですが、よかったらご視聴ください。最後に綺麗なプラズマの映像も見られます(ネット環境に余裕があれば、設定を少し高画質にしてみてください)。 YouTubeのリンク先  https://youtu.be/eynHVUCsWvI 科学ライブショー「ユニバース」については  https://universe.chimons.org/

全国の核融合研究施設が素晴らしい写真で紹介されたサイト

写真家、西澤丞さんのブログ「核融合の研究と研究施設の紹介。写真で伝えることの広報効果とは。」で、日本の核融合研究が紹介されました。核融合科学研究所の大型ヘリカル装置LHDをはじめ、全国の研究施設が、素晴らしい写真と共に分かりやすく説明されています。ぜひご覧ください。↓ https://joe-nishizawa.jp/2020/04/23/public-relations-fusion-japanese/ 西澤さんのブログの中に、心に残る文章があった(本当にそうだなと思った)ので、引用させてもらいます。 『未来は、日々の暮らしの中で様々なことを選択していった先にあるものですので、間違ったイメージや思い込みだけで選択を続けてゆけば、間違った未来を手繰り寄せてしまいます。しかし、これまでの日本は、「言わなくてもわかる」とか「自分の仕事を自慢するのは恥」といった考え方が受け継がれて来たせいか、良い仕事をしていても、その内容を伝えることに関して消極的だったように思います。結果として、実際とは異なるイメージが流通していたり、仕事によっては、その存在さえ知られていなかったりしています。それでは、あまりにももったいないし、未来のことを考えると危険でさえあります。』 私も広報担当として、核融合研究について、これまで多くの方と話しをさせてもらいました。こうやってブログも開設しています。ですが、核融合研究に対する認知度はまだまだ低いままです。西澤さんの言うとおり核融合研究は「存在さえ知られていない」し、当初の第一印象は大抵「怖い」です(お話ししているうちに印象は変わっていくのですが)。このような状況では、研究を担う人材が集まらないし、核融合発電の実現(国民の理解を伴う)も遠のきます。ですから広報がとても大切で、頑張ってはいるのですが、思ったほど成果がでていないようです。だからもっと効果的な広報を考えていかなければいけません。印象的な写真で伝えることもその一つだと思います。

日本の核融合研究を紹介するポータルサイトが公開されました

日本の核融合研究全体を紹介するポータルサイトが公開されました。 スマホにも対応しています。 こちらです(外部リンク)↓ http://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/fusion/ 文部科学省(文科省)が運営しているサイトですが、全国の主要研究施設、大学が協力していますので、網羅的に国内の研究状況を知ることができます。Photo Galleryも充実しています。また核融合研究に興味ある学生に対するキャリアパスも紹介されています。 目次は次のとおり 核融合とは Photo Gallery(JT-60SA、LHD、GEKKO XII、LIPAc) 核融合プロジェクトを支える人 研究所を訪問する 核融合を学ぶ 核融合エネルギーを実現する 研究費一覧、我が国の核融合施策 核融合に親しむ ぜひ訪れてみてください。

常温核融合についての最新の研究結果

先日、科学雑誌Natureに「常温核融合」についての最新の研究結果が発表されました。もう忘れかけていた話題であり、かつ著名な雑誌への投稿ということで興味津々でした。そして、この研究が2015年からGoogleが出資して始められたことがまた驚きでした。 さてその研究成果ですが、要旨部分を訳すと次のとおりです。 「1989年の常温核融合を見つけたという主張は、将来のクリーンエネルギーになるかもしれないとして広く歓迎された。しかしその後、その現象の再現に失敗すると、学界はこの主張に対する疑念を強めた。そして事実上、この研究を続けることが許されなくなった。そのような判断が時期尚早だったかももしれないと思い立ち、常温核融合が科学的厳格さを持つ高い水準に達するまで再評価する複数の研究機関によるプログラムに着手した。ここでは私たちの成果について述べるが、そのような現象のいかなる証拠も今のところ得ていないということである。とはいえ、我々の研究の副産物は、高水素化金属や低エネルギー核反応についての新しい洞察を得たことである。そして、この未開のパラメータ空間の中には、まだ完了していない非常に興味深い科学が残っていることを我々は主張する。」 上手く日本語に訳せていませんが、ニュアンスは間違ってないと思います。つまり、「そのような現象(常温核融合のこと)のいかなる証拠も今のところ得ていない」ということなので、常温核融合は結局再現できなかったという結論でした。ですが、研究の過程で様々な未知の現象が見つかっているようです。 参考:Curtis P. Berlinguette, et al., Revisiting the cold case of cold fusion, Nature volume 570, pages 45–51 (2019)

空の太陽と地上の太陽「核融合発電」の違い

☆太陽中心では、4個の水素の原子核が融合して、最終的にヘリウムに変わる核融合反応(原子核が融合する反応)が進行しています。このとき、約0.7%の 質量が消失 して、そのエネルギーが光(電磁波)として放出されています。今も太陽は、1秒間に約42億キログラムずつ軽くなっているそうです [1]。でも太陽は想像以上に巨大なので、あと50億年は核融合反応を続けられます。 太陽中心で起こっている核融合反応 ☆ところがこの反応(特に最初の水素同士の融合反応)は、非常にまれにしか起こりません。個々の水素原子核について見ると、その寿命が10億年、つまり10億年に1回くらいしか反応しないそうです。だから、太陽の中心のエネルギー発生密度は、1立方メートルあたり270ワットしかありません [2]。(ちなみに人間は約1,000ワット)これでは、たとえ小さな太陽を地上に作ったとしてもエネルギー源にはならないことは明白です。 ☆そこで、地上の太陽「 核融合発電 」では、普通の水素ではなく、その同位体である 重水素 と 三重水素 の核融合反応を使います。(重水素の記号Dと三重水素の記号Tを使ってD-T反応とも言います)これが一番起こしやすい、確率の高い反応だからです。幸い地球上には初期の宇宙で作られた重水素が残っていました。海には50兆トンもの重水素があります。三重水素は、自然界にあまり存在しませんが、同じく海水に含まれる2,000億トンの リチウムから生産 することができます。地球上には奇跡的に核融合発電に使用できる燃料が存在していたのです。もし、これらが地球上に存在しなければ、核融合発電の構想は生まれなかったでしょう。 地上の太陽「核融合発電」で用いる核融合反応 ☆D-T反応では、 中性子 とヘリウムが発生しますが、 中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに変換 して発電に使います。一方、ヘリウムの運動エネルギーは、プラズマの温度を維持するために使われます。いずれにしても、この反応は 核分裂反応 と異なり、中性子を介在した連鎖反応でないことが分かります。従って、止めることが容易であり、原理的に暴走しません。 参考文献 [1] Newton別冊「アインシュタインの世界一有名な式 E=mc2」 [2] ローレンス・リバモア国立研究のWebペ

高温超伝導を使って核融合炉を小型化~MITが民間から投資を受け研究開始

3月9日にMIT(マサチューセッツ工科大学)から「MITと新しく設立した会社が核融合発電に向けた新しいアプローチを立ち上げた~目標は15年以内にパイロットプラントを運転すること」というインパクトのある記事が発表されました。 http://news.mit.edu/2018/mit-newly-formed-company-launch-novel-approach-fusion-power-0309 (外部リンク) まず驚いたのが、このプロジェクトがイタリアの民間会社などから支援を受けてスタートすることです。(正確にはMITと会社が共同で新しい会社を作っているみたいです)資金は5,000万ドル(日本円で約50億円)です。日本の核融合研究で、民間企業からこれほどの支援を受けた例はありません。 次が、プラズマを閉じ込める磁場をこれまでの4倍に強くして、装置そのものを小型化しようという計画です。磁場を4倍にすると、理論上、核融合出力が10倍になります。磁場を4倍にするためには、もちろん新しい技術が必要です。そこで登場するのが、1980年代に発見されて、現在やっと市販されるようになった「高温超伝導体」と呼ばれる材料を使うことです。(高温と言っても、実際には氷点下の極低温で使用されます。従来の超伝導体に比べると少し高温で使えるという意味です。)上の写真が実際に購入した高温超伝導体の電線です。マイナス196度に冷やすと150アンペアの電流を流すことができます。(家庭のコンセントは15アンペア)写真を見て分かるようにカセットテープにそっくりの電線で、厚さは0.1ミリ、幅は4ミリしかありません。このような高温超伝導体の電線をコイル状に巻いて、電流を流すことで、強力な電磁コイルができるわけです。しかし、強力な磁場を作ると巨大な電磁力がかかるので、その支持は技術的に簡単なことではありません。 MITでは、今後3年間で3,000万ドルを研究費に使い、世界で最も強力で径の大きな電磁コイルを作るとしています。そしてそのコイルを使って、15年以内に100メガワット(10万キロワット)出力×10秒パルスのパイロットプラント(名前はSPARCトカマク)を完成させる計画です。(なお、これは核融合出力で、まだ電気への変換はしません。)そしてこの技術をもとに核融合発電所の開発に続い

大型ヘリカル装置の超伝導導体を詳しく解説

上の写真は、プラズマ生成実験を行っている核融合科学研究所の 大型ヘリカル装置(LHD) に使われている「超伝導導体」の断面写真です。外形が12.5ミリ×18ミリで、ちょうど親指くらいの太さです。写真は切り出した短いサンプルを写したものですが、実際の導体の長さは、合計で36キロメートルにもなります。この導体を巻いて電磁石(マグネット)を作るのですが、その大きさは直径約10メートルと巨大で、下の絵の青い部分のように二重螺旋の形をしています。導体を巻くことを巻線といいますが、巻線には昼夜問わず作業して1年半掛かりました。なんと導体は合計で900周しています。 さて、超伝導導体のすごいところは、この親指ぐらいの太さで、1万アンペアを流すことができることです。普通の銅線であれば、数100アンペアぐらいしか流せないはずです。(ちなみに家庭の電気製品のケーブルは15アンペア以下)銅線は電流を流しすぎると熱くなりますよね。これは抵抗があって電力を消費しているからです。しかし超伝導導体は抵抗がゼロで、電力を消費しません。装置では、電磁コイルに電流を流すわけですが、流しっぱなしの状態では、電力を消費しない、つまり電気代がいらないということになります。(実際には、少しだけ電力を消費しますが、詳しいことは省略します) そんなことなら、世の中の電線を全て超伝導にすればよいではないかという話になりますが、そうはいかない事情があります。現在発見されている超伝導体はすべて冷やさないとその能力を発揮しないのです。LHDの超伝導体はニオブとチタンの合金ですが、マイナス270℃に冷やしてから電流を流しています。マイナス270度といえば、絶対零度からたった3℃高いだけです。そこまで冷やすためにはクーラーの親玉みたいな冷凍機が必要で、そこで電力を使ってしまいます。核融合発電になると、その電力が発電した電力の1割にも満たないから成立するのです。 最後に、上の写真の断面構造について説明しておきます。周りの銅色の部分は、まさしく銅です。下側の四角い白い部分、これはアルミニウム。そして、その上側の黒い丸い線15本が二列に俵積みになっている部分、これがニオブチタン超伝導線(撚線)です。アルミニウムがどうして付いているかというと、もしも導体の温度が上がって超伝導性が失われたときに、電流を一

身近なプラズマいろいろ

オーロラ、炎、稲妻、星雲、太陽コロナ、蛍光灯、ネオンサイン、プラズマテレビなど、身近には色々な プラズマ があります。これらにある共通点がありますよね。そう、「光っている」ことです。 前回プラズマ では、原子から電子が剥がれる( 電離 する)と説明しましたが、逆に原子に電子が戻ることもあります。その時に光を発するのです。だから、ガス状のものが光っていると思ったら、それは大抵プラズマです。そういえば「火の玉」もプラズマだという話があります。(実際に火の玉を見たことありませんが) 上の絵に、色々なプラズマを整理してみました。横の軸は、1立方センチメートルの中に何個の電子(または イオン )が電離して存在するかという数(密度)です。10の右肩に数字を付けたものは、「10のべき乗」といって、すごく大きな数字を表すときに使います。ちなみに、空気(0℃、1気圧)の気体分子の密度は、10の19乗くらいです。ですから、数字自体は大きいですが、空気より密度は小さいということになります。縦の軸は、温度を表しています。 これらの内、比較的温度の低い、オーロラ、炎、稲妻は、気体の全てが原子・分子が電離しているわけではなくて、ごく一部だけです。このようなプラズマを「弱電離プラズマ」と言います。このプラズマは、電子だけが温度が高い(イオンは低い)ので、上の絵では、電子の温度を表しています。絵には載せませんでしたが、蛍光灯の電子は1万度にもなります。どうして蛍光灯を触っても火傷しないのででしょうか。それは、ごく一部の電子が高温なだけで、他のほとんどの気体分子やイオンは温度が低いので、平均すると火傷するような熱さにはならないのです。 一方、比較的温度の高い星雲、太陽コロナなどは、完全に電離してしまっているので、「完全電離プラズマ」と呼ばれます。こちらは、イオンの温度も高くなります。お気付きかもしれませんが、完全に電離していたら、イオン=原子核です。将来の核融合発電に必要なプラズマを研究している 大型ヘリカル装置 のプラズマもほぼ完全電離プラズマで、イオンの温度が 1億度 にもなります。 上の絵に、 太陽の中心部 がないのですが、これは別格です。粒子の密度が10の26乗もあり、上の絵には入りきらないのです。比重にすると、金属でも重たい鉛の10倍以上で、プラズ