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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。

コメント

化学専攻者 さんのコメント…
間違ってますよ。
「CとOの質量の和よりCO2の質量の方が小さくなっています。」

化学反応は、最外殻電子のやり取りによって発生します。
その電子軌道の遷移がエネルギーの発生原因です。

核反応では、確かに質量欠損が放出エネルギーとなります。
☆のかけら さんの投稿…
管理人です。ご指摘の箇所を削除しました。

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私たちは核融合反応によってできた「星のかけら」でできています

☆宇宙ができたとき、この世に存在する元素は水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウムといった軽い元素だけでした。それらが集まって星になり、核融合反応を起こし、より重い元素に変わっていきます。水素はヘリウムに、ヘリウムは炭素や酸素に、最終的には鉄まで重くなっていきます。(鉄より重い元素はまた別の反応でできます)星は最後には超新星爆発によって宇宙に飛び散っていきます。その星屑が集まってできたのが、地球であり、人間なのです。つまり、人間は、核融合反応によってできた「星のかけら」なのです。 ☆天文学者のカール・セーガン著「人はなぜエセ科学に騙されるのか(上)」に次のような一節があります。「水素を別にすれば、人体を作っているすべての原子は、血の中の鉄にしろ、骨をつくるカルシウムにしろ、脳の中の炭素にしろ、何千光年もかなたの赤色巨星のなかで、何億年も昔に作られたものなのだ。『われわれは星屑でできている』というのは、私のお気に入りのセリフである。」

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。

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)

核融合発電で使う中性子のはなし

☆ 核融合発電 では、炉の中で中性子が使われることをお話しましたが、この中性子を正しく怖がってほしいと思っています。1999年9月30日のJCOでの「臨界事故」で、2名の方が亡くなりました。その直接の原因が中性子の被曝でした。中性子は使い方を誤ると、悲惨な事故につながることを痛感しました。 ☆ 核融合発電 では、核融合炉の中以外で中性子を発生することはありません。また運転中は建物への入室が禁止されます。 暴走することは原理的になく 、瞬時に中性子発生を止めることができます。だからJCOのような「臨界事故」は起こりません。(当然チェルノブイリのような事故も起こりません) ☆ 中性子はエネルギーを取り出す ために、炉内の金属壁で止める必要があります。ですから、ほとんどが炉内の金属壁で止まってしまい、炉の外には飛び出してこないわけです。ただし、100%が炉の壁で止まるわけではありません。 ☆炉が入る建物は、中性子が外に飛び出ないように分厚いコンクリートの壁でできています。それでも少しだけ通り抜けるものがあります。その量(他の放射線も含めて)は原子力発電所では敷地の境界で年間50マイクロシーベルトという目標値が設定されています。(マイクロシーベルトは放射線防護の目的で使われる放射線の量の単位)核融合発電所でも完成すれば、この基準を使うでしょう。さて50マイクロシーベルトが大きいのか小さいのかが気になってきます。中性子は宇宙から常に降っています。高度が高いほど中性子が多く、アメリカやヨーロッパまでのフライト片道で50マイクロシーベルトの中性子を受けます。( 外部リンク:放射線医学総合研究所のホームページ )定期検診で受けている胸のレントゲン写真はX線という別の放射線ですが、だいたい100マイクロシーベルトです。敷地境界に年中ずっといて、50マイクロシーベルトという基準は、過度に怖がる量ではないと思います。

核融合エネルギーの原料は水です

☆これからお話するのは、「制御された」核融合エネルギーについてです。「制御された」というところが大事です。エネルギーはゆっくりと発生させて使うものです。 制御しないでエネルギーを使うと、人類にとって非常に不幸なもの になってしまいます。 ☆核融合エネルギーは、電気を作る発電のために使う予定です。予定というのは、まだ 核融合発電 に誰も成功していないからです。もし成功したらこんな良いことがあります。 ☆ 燃料 が水の中にあるで、 誰でも平等に使うこと ができます。メインの 燃料 は重水素(水素の仲間で無害)で、酸素とくっついて水の中に0.015%含まれています。濃度は少ないですが、海の水を使えば、50兆トンという莫大な量になります。それに水から重水素だけ使っても、水が減ることも、水の性質が変わることもありません。 ☆もう一つ、 リチウム という 燃料 が必要ですが、こちらも海にとけ込んでいて、事実上無尽蔵に存在します。 ☆ 核融合発電 は、太陽光発電や風力発電と同じように、持続可能なエネルギー源であり、資源獲得競争の起こらない 平和的な発電方法 となります。