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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。

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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。

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。

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/

ステラレータ(星の発生装置)

☆私の研究所にある「大型ヘリカル装置」は、ステラレータ(Stellarator)という名前の装置の仲間です。ステラレータは、天文学者でもある米国プリンストン大学のスピッツァー教授が1950年頃に考案しました。この名前も彼がつけたもので、Stellar-「星の」という形容詞がついた天文学者らしい命名です。なんと最初のステラレータ装置は「8の字」の形をしていたそうです。ステラレータはその後、色々な改良が加えられ、京都大学でヘリオトロン(Heliotron、helioは太陽の意)という装置が考案されました。「大型ヘリカル装置」は日本で進化を遂げた世界最大のヘリオトロン装置です。 ☆ステラレータやヘリオトロンと同じドーナツ状のプラズマを作る装置にトカマク(TOKAMAK)があります。こちらは旧ソビエトで考案され、名前もロシア語でTOK(電流)、KAMEPA(容器)、MAGNITNUE(磁気)、KATUSHKI(コイル)の頭文字からきています。これまでトカマクのほうが大きな装置が作られ、プラズマ最高温度の記録も持っています。国際協力で建設が始まろうとしているイーター(ITER)もトカマクです。トカマクで核融合反応の実証が行われ、次に作られる 核融合発電所 については、いろいろな装置の競争になるだろうと考えています。