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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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。

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。

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...

重水素燃料を海水から取り出すためのエネルギー

☆ 核融合発電の燃料は重水素（水素の同位体）ガスです。海水中に無尽蔵に存在するため、枯渇する心配がありません。ところが、水素の中の重水素の存在比率は0.015%しかありません。「重水素を抽出するために、莫大なエネルギーを使わないのですか？」と質問をされることがあります。その質問にお答えしたいと思います。 ☆上の絵は、水の中の分子の様子を表したものです。ほとんどの水分子では、水素（青い玉）2個と酸素（黄色い玉）1個がくっついている状態が、ほんの一部だけは重水素（赤い玉）と酸素がくっついています。この重水素と酸素が結合した水のことを「重水」と呼びます。また普通の水素でできた水を「軽水」と呼びます。（「重水」と「重水素」は違うものですのでご注意ください。また実際には水素1個と重水素1個と酸素1個が結合した水分子があるのですが、話しを簡単にするためにここでは省略します。） ☆「軽水」と「重水」を分離する技術は、すでに工業化されています。新しい方法としては、電気分解を使う方法があります。電気分解（電気で水素と酸素に分解すること）すると、「重水」より「軽水」の方が早く分解します。だから部分的な電気分解を繰り返すと「重水」だけが濃縮されて残っていくというしくみです。 ☆「重水」ができれば、後はこれを、完全に電気分解すれば「重水素」ガスと酸素ガスに分解できます。重水素はこうのようにして生産されます。 ☆さて問題は、重水素の生産に必要なエネルギーです。生産過程では「重水」生産がほとんどのエネルギーを使います。論文で調べると、1kgの重水を生産するのに必要なエネルギーは57MWh（メガワット時）ということでした。一方、1kgの重水には200gの重水素が含まれてます。この重水素を使って核融合反応を起こすと38,000MWhのエネルギーが発生します。これは重水生産に必要なエネルギー（57MWh）の約700倍になります。つまり、燃料生産に必要なエネルギーは、発電されるエネルギーに対して十分に小さいという結果になります。（参考：R. Dutton他、Nuclear Engineering and Design 144 (1993) 269）

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...

星のかけら核融合

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