スキップしてメイン コンテンツに移動

重水素燃料を海水から取り出すためのエネルギー

核融合発電燃料重水素(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)

コメント

匿名 さんのコメント…
 今、福島第一原発事故後の膨大な三重水素タンクでは、水と分離できない為、汚染物質を海洋投棄しようとしている。
重水素と水が分離できるのであれば、何故三重水素と水が分離できないのか。
☆のかけら さんの投稿…
コメントありがとうございます。この記事にあるように、水から重水素を分離することは可能です。つまり、重水素と三重水素を一緒に分離することも可能と思います。一方、その分離工程には、電気エネルギーを必要とすることも事実です。科学者としてお答えできるのはここまでですが、できない理由があるとすれば、経済的理由かと推測します。
OrimoSilkroad さんのコメント…
>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

報道等から現在最も核融合発電の可能背の高い原子核組み合わせは
重水素と三重水素の組み合わせとのことです。
(核融合をそれなりの時間・回数を持続する条件として、重水素+重水素は技術的困難さが高い)

三重水素は海水中にはほとんどないので(各国の原子力発電所から出てくる程度では
とてもとても100万kWの核融合ができたとしても足りない、、、とのこと。
ベリリウムをつかって(他にリチウムの助けも借りて)、
発電しながら、さらに核融合で使う三重水素を生産する予定のようです。
この場合、
海水中に重水素はほぼ無尽蔵にありますが、三重水素のほうは、重水素よりもだいぶ実際に
として採算があう資源量としては、少なうような印象です。
☆のかけら さんの投稿…
コメントありがとうございます。ご指摘の通り、最初に建設される核融合発電所の反応は、重水素と三重水素です。重水素は水に自然に含まれますので、無尽蔵に存在します。ですが、三重水素は自然界にほとんど存在しません。そこで、電池にも利用されているリチウムを使って、炉内で三重水素を生産します。その反応を別のページに纏めていますので、ご参照ください。
https://marumaru-yamane-fusion.blogspot.com/2016/01/blog-post.html
リチウムは、鉱物としても十分な資源省がありますが、海水中にもとけ込んでいます。海水中のリチウムを採取できれば(開発中)、資源量はほぼ無尽蔵になります。電気自動車が普及すれば、かなりの量のリチウムが使われますので、そのリサイクルでも核融合発電の燃料資源として、十分まかなうことが可能です。

最近1ヶ月でよく読まれている投稿

新しいブログサイトへ引っ越しします|「ゆるりと学ぶフュージョン」始めます

 この「星のかけら 核融合」というブログサイトでは、 これまで 核融合にまつわる情報を、できるだけ分かりやすく 発信してきました。 とくに、私の職場にある超高温プラズマをつくる実験装置 大型ヘリカル装置(LHD) による重水素実験について、 地元の方々の不安や誤解を、少しでも和らげたい── そんな思いで書き続けてきたブログです。 その重水素実験もすでに終了し、 このブログも当初の役目をひと区切り終えたと感じたことから、 ここ2年ほど更新を止めていました。 今回あらためて、 「ゆるりと学ぶフュージョン」 という新しいブログサイトを立ち上げることにしました。 これから社会全体として、 いよいよ 「核融合発電所を実際につくっていこう」 という段階に入りつつあります。 その過程で、もし再び不安や誤解が広がってしまうと、 せっかくの計画が進まなくなるおそれもあります。 だからこそ、 今あらためて やさしく、落ち着いて学べる場 が必要だと感じました。 また、国の方針などもあり、 最近では「核融合発電」という言い方に加えて、 「フュージョンエネルギー」 という言葉も使われるようになってきました。 「フュージョンって何?」 「核融合とどう違うの?」 そう感じる方も多いと思います。 そこで、これまでこのブログでお伝えしてきた内容も大切に引き継ぎながら、 用語は「フュージョン」に切り替え、 より入門的で、ゆるやかに学べる形 で再出発してみようと思いました。 ぜひ、新しいブログサイト 「ゆるりと学ぶフュージョン」 にもお立ち寄りください。 ▶ 入口はこちらです https://yurufusion.hatenablog.jp/

大型ヘリカル装置(LHD)の重水素実験プロジェクト完了

私の働く「自然科学研究機構 核融合科学研究所」の主力装置である「大型ヘリカル装置(通称、LHD)」が、2017年から行ってきた「重水素実験」を、2022年12月27日に完了しました(外部リンク: 核融合科学研究所のHP )。重水素実験というのは、水素の同位体である 重水素 ガスを用いたプラズマ生成実験です。(核融合反応を起こす核融合実験ではありません。)重水素をもう少し説明すると、下の絵のように、水素の原子核は陽子1個であるのに対し、重水素には、陽子に中性子がくっついています。水素と重水素は化学的性質はほとんど同じですが、重水素の方が重さが2倍になります。また、重水素は自然界にも0.015%だけ存在しています。 どうして重水素を用いた実験を行ったかというと、現在各国が開発している 核融合発電で使う燃料 は、重水素と 三重水素 (これは3倍重たい水素)の2種類の水素の混合ガスなのですが、水素の種類によって プラズマ の温度の上がり方に違いがあることが分かってきたからです。これまでの理論だと、重い水素の方が強い遠心力が働いて、 磁場のかご から逃げていき、温度が上がりにくいと考えられていました。ところが、 トカマク型 の装置で逆の現象、つまり重水素の方が温度が上がりやすいことが分かってきました。理由は分かりませんが、核融合炉ではより重たい水素を使うので、これは悪いことではありません。そこで、 ヘリカル型 の装置でも、重水素の方が温度が上がりやすいかどうか、またそうであれば、その理由を調べることになったのです。 実験の結果は明らかでした。2017年に重水素実験を開始してすぐに、それまでの水素の実験では最高温度が9,400万度だったのが、一気に1億2,000万度にまで温度が上がりました。これは核融合炉のプラズマに最低限必要な温度です。 トカマク型 だけでなく、 ヘリカル型 でも同じ現象が見られたということで、これが普遍的な現象だと分かりました。それからは、どうして重水素の方が温度が上がりやすいのかの解明に取りかかりました。様々な条件(加熱の方法、粒子の数密度、水素と重水素の割合など)で実験を行い、温度が上がりやすくなる条件を調べ、多くの成果が得られました。 例えば、次のような研究成果があります。 https://www.nifs.ac.jp/news/researches/...

核融合実験装置からのエネルギー発生〜2022年のニュースから

 つい最近、レーザー核融合実験装置が、投入した以上のエネルギーを発生したとのニュースが流れ、国内のテレビニュースでも報道されました。ここでは、今年の2月に発表された磁場核融合実験装置のエネルギー発生ニュースと合わせて紹介したいと思います。 まず、基本的なところから説明します。核融合発電開発を目標にした実験装置でエネルギーを発生するためには、 実燃料である重水素と三重水素 (どちらも水素の同位体)を混合して、高温プラズマにする必要があります。その温度は 1億度 です。その方法に二通りあって、このブログサイトで主に紹介している「 磁場(閉じ込め)核融合 」と「慣性(閉じ込め)核融合」の2つです。「磁場核融合」では、 超伝導磁石で作られた強い磁場の容器 (直径は10メートル級)の中に、真空状態に近い燃料ガスを入れ、外部から定常的に加熱することでゆっくりと超高温にします。一方、「慣性核融合」では、直径数ミリの球状の容器に燃料ガスを封じ込め、周囲からレーザー光線を当てて、瞬間的に(1ナノ秒=10億分の1秒程度の時間)、超高温にします。同じ温度にするにしてもプラズマの粒子密度と閉じ込め時間が全く違います。 さて、先日(2022年12月)のレーザーを用いた慣性核融合のニュースから紹介します。成果を発表した装置は、ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)にある国立点火施設(NIF)です。315万ジュール(3.15MJ)の核融合エネルギーが発生しました。この時、サッカースタジアム規模のレーザー発生装置から小さな燃料ペレットに与えられたエネルギーは205万ジュール(2.05MJ)でした。つまり、出力と入力が釣り合うブレークイーブンを越えたことになります(慣性核融合ではこれを「点火」と呼んでいます)。出力/入力を計算したものをQ値と呼ぶので、Q>1を達成したことになります。 NIFの内部写真( 米国NNSAのfrickr (外部リンク)より) 次は2022月2月に発表された英国の欧州トーラス共同研究施設(JET)という装置のエネルギー発生のニュースを紹介します。JETは磁場核融合の実験装置で、特に トカマク方式 と呼ばれるものです。2021年12月21日の実験で、JETは5秒間に5,900万ジュール(59MJ)のエネルギーを発生しました。この時のQ値は0.33でした。ブレ...

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。