プラズマを磁場で閉じ込める原理

☆核融合発電では，超伝導磁石で作った強力な磁場で１億度の水素ガスを閉じ込めます。閉じ込めるというのは，真空の容器の中で壁にぶつからないように空中に浮遊させることです。では，どうして磁石で水素ガスを閉じ込めることができるのでしょうか？

☆「鉄」が磁石にくっつくというのは誰もが知っていることです。もう一つ磁石によって力が働き，動かせるものがあります。「電気の流れ」つまり「電流」です。ちょっと難しそうな話ですが，磁石によって電流に働く力を使ったものは身の回りにたくさんあります。洗濯機，冷蔵庫，パソコンのファンに使われているモーター，テレビのブラウン管，スピーカーなどすぐ身近にあります。（分解すると磁石が入っています。）

☆１億度の水素ガスはプラズマ状態と呼ばれ，電子をはぎ取られた原子核が高速で飛び回っています。原子核はプラスの電気を帯びていて，これが走ると電流となり，磁場の中で力を受けます。そして図のように磁場のなかでクルクル回り出します。そして原子核は磁場にまとわりつき，逃げていかないというわけです。はぎ取られた電子も同じように電気を帯びているので、磁場にまとわりつきます。

☆核融合の研究では，どのような形の磁場（磁石）を作れば，上手くプラズマを磁場の中に閉じ込めておけるかが重要なテーマとなっています。そこで大型ヘリカル装置ではねじれた形の磁石を使って，プラズマを閉じ込める研究をしています。

水呑さんの投稿…

磁石でつくった磁場の回りに電子・陽子が回転して出来る磁場がそれ自体を外へ弾き出す力となる訳ですね！
だから、ネジるって事か納得です。
磁界が強ければ強いほど回転力も増しその円心力の外へと弾き出す力も強くなるって事ですよね？
だから、難しいって事ですね？

10/15/2009

☆のかけらさんの投稿…

自由に動き回る電子や陽子（水素の原子核）を目に見えない磁場で閉じ込めるのは、とても難しいことです。温度の高いプラズマは、電子や陽子の速度が毎秒1000kmにもなり、強い磁場がないと、外へ外へ逃げていってしまいます。その強い磁場は、超伝導磁石でないと作ることができません。ご指摘の遠心力の外へ弾き出す力は、厳密に言うと磁場の強いところと弱いところがあった場合に起こります。電子も陽子も磁場の強い方から弱い方に弾き出されます。実際に磁石を作ると、どうしても磁場の強いところと弱いところができてしまいます。ネジると、磁場の弱いところの電子や陽子を、もう一度磁場の強いところに引き戻し、外へ逃げていくのを抑えることができます。
（少し概念的な説明になってしまいました。もう一度整理してちゃんとした記事にいたします。）

10/25/2009

水呑さんの投稿…

やはり難しいですね(笑)

10/29/2009

Ａｎｆｉｎｙさんのコメント…

難解な物理現象を数式で捉えることは出来なくとも、
イメージで掴みたいと思っています。
プラズマの熱運動は、磁力線の方向成分と直交成分に
分けて考えると、
磁力線の方向成分は磁力線に沿って動き、
直交成分はローレンツ力で
磁力線を中心とした円軌道になる。
磁力線が閉じたドーナッツならプラズマは
逃げ出すことが出来ない。
とのイメージでよいでしょうか？

11/14/2012

☆のかけらさんの投稿…

Anfinyさんのイメージどおりです。磁力線に直交する成分にはローレンツ力が働き磁力線の周りを円回転します。磁力線に沿った成分はそのままなので、両方の成分を合計すると、磁力線の周りをらせん運動しているように見えます。そして磁力線をドーナッツ状にして磁力線の端部をなくしてしまうと、プラズマ粒子が逃げ出せなくなるということで、全くご指摘のとおりです。

11/15/2012

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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

核融合と核分裂のエネルギー比較

核融合も核分裂も原子核の質量欠損を使ったエネルギーなので、少量の燃料で大きなエネルギーを得ることができます。工学的に大きな意味はないのですが、核融合と核分裂のエネルギーを比較してみましょう。 1個のウラン(U)原子核が核分裂したときに発生するエネルギーは、約200MeV（メガ電子ボルト）です。（MeVは物理で使うエネルギーの単位です。大きさを比較するだけなので、ここでは詳しい説明は省略します）一方、1個の重水素 (2H)原子核と1個の三重水素 (3H)原子核が核融合したときに発生するエネルギーは、約17MeVです。そうです、1回の反応で発生するエネルギーは、核分裂の方が核融合より約10倍大きいことが分かります。ところが、こんな比較もできるのです。同じ燃料の重さから発生するエネルギーの比較です。ウランは水素よりかなり重たいので、燃料の単位重さ当たりで発生するエネルギーは、逆に核融合の方が核分裂より4倍大きくなります。もっと分かりやすく表現すると、核分裂の燃料ウラン1グラムは「石炭3トン分」のエネルギーに相当します。一方、核融合の燃料（水素）1グラムは「石炭13トン分」に相当します。さらに、これは「石油約8トン分」です。いずれにしても、少ない燃料で大きなエネルギーが得られることにかわりありません。 ※ここでは反応で生まれるエネルギーを計算しました。発電所で電気エネルギーに変換すると、発電効率がかけ算されるので、少し数字が変わります。

核融合と核分裂の違い

★原子力発電所の事故以来、『核分裂』と言うべきところを『核融合』と言い間違えている発言をよく耳にするので、ここはしっかりと訂正しておきたいと思います。（こんな時期なので黙っておこうと思ったのですが、わたしにも少しは主張する権利があると思い・・） ★原子力発電所で起こる反応は『核分裂（カクブンレツ）』です。ウランのような重たい原子核が分裂して２つに割れることを『核分裂』といいます。（上側の絵）原子力発電所で『核融合』が起こることはありえません。（原子力発電所で起きた水素爆発は、水素と酸素の化学反応で、核融合ではありません）ついでに高速増殖炉（もんじゅ）も『核分裂』です。 ☆『核融合（カクユウゴウ）』は、水素のような軽い原子核が二つくっついて、一つになることです。（下側の絵）今、世界中で研究が行なわれている『核融合』発電は、水素をくっつけて（融合して）、ヘリウムにする制御された核融合反応を使います。その時、『核分裂』を使うことはありません。 ☆だから、次のことは自明です。『核融合』発電ではウランを使いません。だから、爆発もしないし、暴走もしないし、連鎖反応もしないし、再臨界もしないし、メルトダウンもしないし、核燃料もないし、核物質もないし、核不拡散問題もないし、高レベル放射性廃棄物もありません。【水素爆弾との違いは私の別の記事を参照ください】 ☆初期（まだ実現まで25~30年くらいかかるけど）の『核融合』発電も、トリチウム（三重水素）という放射性物質（半減期が12年）を扱うため、100%クリーンとはいえません。しかし、放射能漏れによる潜在的リスク（発電所が保有する放射性物質の強さの合計）は原子力発電の1000分の1以下です。だから最悪の事故を考えても、周辺住民が避難するような事態にはなりません。

1億度ってどんな温度？

☆ 核融合発電では1億度の水素のプラズマを使いますと見学者に説明すると、びっくりされます。1億度という温度が容易にイメージできないからです。そしてそのことを怖がる人もいます。だからプラズマを温度で表現するのは慎重にしないといけないようです。 ☆気体は目に見えませんが、小さな粒子（分子）がある速度で動き回っています。上の絵のように、色々な方向に飛び回っています。私たちの周りの空気（窒素分子と酸素分子がほとんど）だと秒速300メートルほどです。でも空気の粒子が当たって痛いと思う人はいませんよね。（これって不思議です） ☆さて、気体の温度が高くなると、粒子の速度も速くなっていきます。プラズマになって、イオンと電子に分離しても、粒子の速度は温度が高くなるにつれて速くなっていきます。（イオンと電子の速度が同じとは限りません。）例えば「蛍光灯」は身近なプラズマの代表ですが、中の粒子（電子）は、1万度の温度になったときと同じ速度（毎秒600キロメートル）で走っています。『蛍光灯が1万度？』またまた話しがややこしくなってきました。蛍光灯を触っても、火傷するほど熱くはないですよね。 ☆私たちが熱いとか冷たいとか感じるのは、温度だけでなく、（温度）×（粒子の数）が関係しているのです。（熱の伝わりやすさも関係しますが・・）蛍光灯の中に1万度の電子がいても、その数がものすごく少なければ、熱くなりません。実際にものすごく少ないのですが。 ☆さて、核融合発電のプラズマは、粒子（原子核）の数（密度）が空気の10万分の1くらいしかありません。（真空と言ってもよい状態なのです）1億度の温度とかけ算すると、熱いことは間違いないですが、想像を超える熱さではありません。ちなみに、大型ヘリカル装置でできた最もエネルギーの高い（熱い）プラズマは、200リットルのお風呂のお湯の温度を2度上げるくらいのエネルギーしかもっていません。だから1億度といっても、周りのものを溶かしてしまうような力は持っていないのです。（安心してください） ☆だったら、どうしてエネルギー源になるの？という質問が来そうです。核融合発電所のプラズマで核融合反応が起こったときにできる中性子、これがある速度を持っていて、プラズマから外に飛び出してきます。その中性子をブランケット

核エネルギーのはなし

☆『エネルギー』には色々な形があって、私たちはそれらを上手く変換して使っています。例えば風力発電所では、風の力（力学的エネルギー）で羽と発電機を回し、電気（電気エネルギー）に変換して使います。エネルギーには他にも化学エネルギー（例えば石油を燃やす）、光エネルギー、熱エネルギーなどがあり、そのまま使ったり、変換したり、蓄えたりして使っています。 ☆ここでお話しするのは、『核エネルギー』のはなしです。これは原子力発電所で使われているエネルギーの形であり、また将来、核融合発電所でも使われるエネルギーの形です。『核エネルギー』と聞くとちょっと尻込みしてしまいますが、「物質そのもの＝エネルギー」という、かのアインシュタインが発見したエネルギーです。 ☆上の式は「アインシュタインの式」と呼ばれる有名な式です。Eはエネルギー、mは静止した物体の質量、cは光の速さを表してます。アインシュタインは質量をエネルギーに変換できることを発見したのです。質量をエネルギーに変換する完全な方法は、物質に反物質をぶつけて消滅させることですが、自然界に反物質がほとんど存在しないために、実用性がありません。 ☆ところが、原子核（すべての原子の中心にある粒子）が分裂したり、融合したとき、反応の前と後で質量の合計が少しだけ減少することがわかりました。その減少した質量分だけ、エネルギーが発生します。この「原子核の質量減少から生まれるエネルギー」を一般に「核エネルギー」と呼んでいます。 ☆原子力発電所では、重たい原子核（ウランやプルトニウム）を２つに割った（分裂した）ときに発生する核エネルギーを使います。一方、核融合発電では、軽い原子核（水素の仲間）を２つ融合したときに発生する核エネルギーを使います。現在、発電に利用できる核エネルギーはこの２つだけです。

星のかけら核融合

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