太陽の核融合の不思議

☆いつも見ている太陽ですが、実は内部のことはあまり知られていません。私なりに勉強したことをまとめてみます。（間違っていたらコメントください）太陽の中心（コア）で起こっていること、それは核融合反応です。上の絵のように水素の４つが融合してヘリウムに変わる反応です。この反応が太陽の半径の30％より中心で起こっています。融合したときに発生するガンマ線が太陽のエネルギー源になります。

【不思議１】この融合反応は、とてもゆっくり起こります。つまりめったに起きないということです。だから太陽の中心の発熱量は同じ体積で比較して人間の体内の発熱量の1/10しかありません。（1立方メートルあたり、太陽中心は270ワット、人間は2000ワット）なのにどうして太陽は熱いのか？それは巨大だからです。言い換えると、巨大でゆっくり反応しているおかげで、太陽は50億年も燃え続けているのです。そしてこの後50億年燃え続けます。

【不思議２】教科書などで、太陽の中心は光輝くように白く描かれています。（周りが赤色）これはどうも間違いのようです。温度が高い（1500万℃）ので、白く輝いているようなイメージが生まれるのでしょう。太陽の中心で発生しているのはガンマ線なので、目に見える色はありません。だから中心の色は暗黒なのが正解です。ガンマ線は外に行くに従ってエネルギーを失っていき、目に見える光に変わって行きます。これを色で表現すると上の絵のようになります。

【不思議３】中心で発生したエネルギーは表面に到達するまでに100万年もかかるそうです。私たちが見ている太陽の光は100万年前に起きた核融合反応に由来するものです。中心部から表面に向かってエネルギーは光によって運ばれます。なにもなければ光は速いものですが、太陽の中は圧縮された水素で霧がかかったようになっていて光が透りにくくなっています。だから光でも時間がかかってしまうのです。

参考：アメリカの研究所が作った教育用Webページ（外部リンク）
　　　G.マクラッケン、P.ストット著「フージョン宇宙のエネルギー」

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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と呼ばれる壁で吸収して熱に変えるので、エネルギーが取り出せるのです…

核融合発電のしくみ

☆下の絵は、核融合発電の仕組みを簡単に書いたものです。核融合発電の中心は「核融合炉」です。（火力発電では「ボイラー」、原子力発電では「原子炉」と呼びます）炉の中で燃焼しているのは、水素の仲間（重水素と三重水素）を真空状態に近い希薄なガスにし、１億度まで加熱したものです。これを『プラズマ』と呼びます。中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沸騰させます。そして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、燃えているものが違うだけで、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、熱を取り出すことができます。ところが核融合炉ではまず、核融合反応でできた高速で飛び出してくる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受け止めます。ブランケットで受け止められた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。（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。当然のことですが、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、その技術はすでに開発されています。

☆プラズマが周囲の壁に触れてしまうと、プラズマの温度が下がって、核融合反応が止まってしまいます。そのために『磁場のかご』を使ってプラズマを空中に浮遊させます。（このとき壁とプラズマは離れていて、その間は真空になっています）この『磁場のかご』を作り出すのが、ブランケットの外側にある超伝導マグネットです。超伝導マグネットはマイナス269度という極低温に冷やされます。1億度という超高温とマイナス269度という極低温が数メートルほどの距離で接近していることも工学的に難しい技術です。しかし、…

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、プラズマにもかかわらず、あたかも固体状態です。ここでははるか昔から自然に…

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。

星のかけら核融合

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