１億度のプラズマを閉じこめる容器

☆以前、太陽で核融合反応が起こっている原理を説明しましたが、全く同じことを地球上で起こすことは不可能です。太陽は水素でできているにも関わらず、あれほどの大きさと重さを持っているので、核融合反応を起こすことができています。地球上では、せいぜい大きさが20~30メートルの装置の中でプラズマを作って、核融合反応を起こします。その方法を簡単に絵に書いてみました。まずプラズマを作る容器の中の空気を抜いて真空にします。容器は空気が入ってくるような孔が開いていない金属製の真空容器です。そしてそこに薄い水素ガス（室温）を入れます。（大気圧の数10万分の1の薄さなので、ほとんど真空です）太陽との大きな違いが、燃料の水素が真空状態の薄いガスであるということです。次に電子レンジのように電波を使ったりして人為的に暖めます。これで１億度に温度が上がり、水素がプラズマ状態になり、最終的に核融合反応が起こることで発電が可能になります。

☆このときよく受ける質問が「どうして容器の壁が溶けないのですか」です。実は、高温のプラズマは容器の壁に触れていません。プラズマができる容器の外側には超伝導磁石があって、磁場の力でプラズマは空中に浮いています。ここが不思議なところです。そしてプラズマと壁の間は真空で熱が伝わりにくくなっています。まるで魔法瓶と同じです。それでも一部の熱が金属の壁にも伝わり温度が上がります。だから特別な材料が使われ、水などで常に冷やします。温度は数百度になりますが、溶けることはありません。もし壁が少しでも溶けるようなことがあれば、プラズマの温度は一瞬で下がり、核融合反応は自動的に止まります。このことも核融合発電が安全な理由のひとつです。

最近1ヶ月でよく読まれている投稿

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。

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。

核融合発電で使うトリチウムのはなし

☆ 核融合発電の安全性について、「爆発（暴走）しない」「中性子による事故は起こらない」と説明してきましたが、もう一つ忘れてならないのは燃料に使われる三重水素（別名トリチウム）のことです。トリチウムは、水素の仲間（同位体）で、水素とほぼ同じ化学的性質を持っていますが、ベータ（β）線という放射線を出す放射性物質です。このβ線の力は弱く、空気中では1センチメートルほど飛ぶと止まってしまいます。またアルミ箔で止めることもできます。このようにトリチウムが隔離されていれば、怖がることはありません。しかし、トリチウムを体の中に摂取すると少なからず影響があります。（その危険性は同じ放射能で比較すると，原子炉でできる放射性物質，ヨウ素の1200分の1、プルトニウムの14000分の1と小さいですが）つまりトリチウムは管理・隔離する必要があるということです。 ☆ 核融合発電所では、重水素とトリチウムを燃料として消費し、核融合反応で発生する中性子をリチウム（トリチウムとリチウムは別の元素です）に当ててトリチウムを生産するという循環サイクルを使います。ですから、トリチウムは最初の運転に必要なだけで後は増えも減りもしません。その量はだいたい数キログラムと予想されます。（なお、原子炉の燃料は約100トンなので、それに比べると桁違いに少ないです。）管理することなく外部に放出することはありませんし、どうしても分離回収できなかったトリチウムは、法令基準を守って外部に放出します。（法令基準は環境に影響を与えないほど小さいものです） ☆核融合発電が完成するまでにはまだ時間があるので、トリチウムを何重にも隔離する方法、トリチウムを除去回収する技術を重点的に研究する必要があります。核融合発電の安全性を社会に理解してもらうことが、技術開発以上に重要であることは言うまでもありません。

核融合発電の仕組み【2021改訂版】

☆下の絵は、核融合発電の仕組みを簡単に書いたものです。核融合発電の中心にあるのは「核融合炉」です。（火力発電の「ボイラー」、原子力発電の「原子炉」に相当します）核融合炉の中では、水素の同位体（重水素と三重水素）を真空状態に近い希薄なガスにし、１億度まで加熱します。これを物質の第４の状態である『プラズマ』と呼びます。最も温度の高いプラズマの中心部では核融合反応が起きていて、反応で発生したエネルギーを熱として取り出して、水を（超臨界圧の）蒸気に変えます。そしてこの蒸気でタービンを回し発電します。蒸気はもう一度海水で冷やして水に戻します。ここまでの話では、エネルギーの源が違うだけで、火力発電、原子力発電とおおまかな仕組みは同じです。（次世代の核融合発電では効率の高い直接発電も考えられています） ☆火力発電や原子力発電では燃焼している燃料から直接熱が発生し、その熱を直接取り出すことができます。ところが核融合炉の燃料部分であるプラズマは、温度は高いものの希薄であるため、ここから直接熱を取り出せるわけではありません。核融合炉ではまず、核融合反応で発生した高速で飛び出してくる素粒子、つまり中性子を周りを覆った厚さ１ｍのブランケットと呼ばれる部分で減速させ捕獲します。ブランケットの中で中性子は速度を落とし、その落ちた速度に相当するエネルギーが熱に変わります。（この時のプランケットの温度は500度ぐらい）この中性子の運動エネルギーが熱エネルギーに変わるところが、従来の発電と異なる点です。 ☆材料（主に金属）に中性子が当たると、機能が劣化したり、放射化（普通の材料が放射能を持つように変化）したりします。中性子が当たっても丈夫な材料、さらに放射化しにくい材料の研究が現在精力的に行われています。そして最初の核融合炉に使うことができる材料の候補もすでに見つかっています。中性子はエネルギーの源なので、ほとんどは核融合炉から外に逃げないようになっています。でも完全ではありません。当然のこととして、生体遮蔽（作業者や周辺の住民に中性子を含む放射線が当たらないようにすること）が絶対に必要ですが、その技術はすでに確立されています。中性子は、プラズマが消えれば発生しません。プラズマを消す手段はいくつかあって、簡単に消すことができます。 ☆ プ...

星のかけら核融合

このブログを検索