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未来の核融合発電〜DD反応と直接発電

☆近未来の核融合発電では、重水素と三重水素(リチウムから炉内で生産)を反応(これをDT反応といいます)させてエネルギーを取り出します。発生する中性子を熱に変換し、この熱で水を沸騰させて蒸気タービンを回し、発電します。蒸気タービンを回して発電するところは、火力発電や原子力発電と同じです。ここで、多くの人に次のような指摘を受けます。蒸気タービンの発電効率は40%ぐらい、残りの60%は熱として環境に放出するので、地球環境に影響を与えるのではと。(排出した熱が環境に影響を与えるかどうかの議論は別の機会として)核融合発電は、「直接発電」を使って発電効率をもっと高くできる可能性を秘めています。

☆プラズマの温度をもっと高く(数億度に)できると、三重水素を使わずに、重水素だけで燃やすことができます。上の図はその反応を示したものです(触媒DD反応といいます)。もしこの反応が実現したら、完全に海水中の重水素(資源は無尽蔵!)だけで発電できます。そしてエネルギーを持った陽子(=水素の原子核)は、正の電気を帯びているので、熱エネルギーに変換せずに、直接電気に変えることができます。これを「直接発電」といい、発電効率は90%を超えるといわれています。一方、同時に発生する中性子のエネルギーはやはり熱に変えるしかありませんが、全体としての発電効率は70%くらいになるでしょう。

☆初期の核融合発電ではDT反応を使いますが、いつか人類はDD反応を使って発電を成功させるでしょう。それは100年後かもしれません。月、木星、土星に沢山あるヘリウム3をもし採取することができれば、D-3He反応を使ってさらに効率のよい発電ができます。(これは少しSFの世界かな。)夢はいつか夢でなくなる。それまで人類が仲良く暮らしていけたらですが。

(参考:「核融合」新OHM文庫)

コメント

美和 さんの投稿…
DT反応とDD反応の環境を汚染する物質の量。
現状の原発と初期に実現するDT反応発電のリスクの違いを書いて頂けると有り難いです。
放射線物質の量/エネルギー量など分かりやすい値があればお願い致します。
☆のかけら さんの投稿…
管理人です。
 Dで表される重水素は放射性物質ではありません。無害です。Tで表される三重水素(トリチウム)は、放射性物質です。初期の核融合発電ではDT反応を利用するので、放射性物質であるトリチウムを燃料として使うことは事実です。しかし、次世代の触媒DD反応を使った核融合発電では、トリチウムを燃料として使用しないので放射性物質の量は、格段に少なくなります。(反応の途中でトリチウムが発生しますので、全くゼロではありませんが)
 それでは、初期のDT反応による核融合発電と現状の原発のリスクについて慎重に述べます。放射性物質は発電所内に閉じ込め、環境に影響を与えないのが原則ですが、ここでは外に漏れ出すような「最悪の事故」を考えます。放射性物質を体に取り込んだときの毒性を、核融合発電の燃料であるトリチウムと今回の原発の事故で放出されたヨウ素やセシウムと比べると、トリチウムの毒性はヨウ素やセシウムの1000分の1です。次に、同じ出力の発電所1基の中に保有する放射性物質の量(放射線量、ベクレル数)は、原発に比べて核融合発電のほうが少なくなります。(原子炉に詳しくないのでアバウトですが、1/10〜1/100だと思います。)
 したがって、「潜在的なリスク」を放射性物質の毒性と保有量から考えると、核融合発電は原発の1000分の1以下になります。
 さらに、暴走しない、爆発しない、炉心溶融しない、高レベル放射性廃棄物がでないなどの特性が核融合発電にはあります。
美和 さんの投稿…
おお、正に夢のエネルギーですね。DT反応でリスクが1000分の1なら、DD反応では更にリスクが少なくなるって事ですね。やっぱりこの国には絶対に必要です!夢を現実化して下さい!
yuzo_seo さんの投稿…
DD反応で生成するのは、トリチウムとヘリウム3ではないでしょうか。もちろんこれらがさらにDと反応すれば、最終的にはヘリウム4になるのでしょうが。

ところで、トリチウムはβ崩壊してヘリウム3になりますので、これとDを反応させた方が、高エネルギーの中性子を生じない分、有利で得あるように思います。

この変換には時間がかかりますが、トリチウムを含む重水にして貯蔵しておけば、いずれはヘリウム3になるわけで、ワインを熟成させるようなやり方が使えそうな気がいたします。
☆のかけら さんの投稿…
管理人です。コメントありがとうございます。
DD反応でできるのは、コメントのとおり、トリチウム(T)とヘリウム3(3He)です。引き続いてDT(重水素-トリチウム)反応とD-3He(重水素-ヘリウム3)反応が起こります。DT反応は、DD反応より起こりやすい反応なので、DD反応でできたトリチウムはすぐに重水素と反応してしまうでしょう。
ですから、いただいたアイデアを実現するためには、発生したトリチウムを反応しないように分離しないといけませんね。可能性はあると思います。
yuzo_seo さんの投稿…
核融合の技術的問題として、当面はプラズマ封じ込めが主要課題であるのでしょうが、これは設計で解決できる問題であるように思われます。

しかしながら、DT反応で生じる高エネルギーの中性子が、炉を傷めたり、放射性物質を生成するという問題は、かなり解決が難しいのではないかと考えております。

DD反応で生成する中性子はエネルギーが低く、比較的取り扱いが容易と思われるのですが、同時にDT反応が生じると同じ困難に直面します。

DD反応炉ではDT反応を起こらないようにできれば、生成したトリチウムとヘリウム3を分離し、双方をヘリウム3にしてD-He3反応を起こしてやれば、高エネルギー中性子の問題を回避することができるでしょう。

これにはDD反応のみを選択的に起こすことができるかどうかが課題ということになります。質量分析器のようなメカニズムを利用してDとTを分離することができればよいのですが、、、

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核融合と核分裂の違い

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ステラレータ(星の発生装置)

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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。

核融合発電の仕組み【2021改訂版】

 ☆下の絵は、核融合発電の仕組みを簡単に書いたものです。核融合発電の中心にあるのは「核融合炉」です。(火力発電の「ボイラー」、原子力発電の「原子炉」に相当します)核融合炉の中では、水素の同位体( 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 まで加熱します。これを物質の第4の状態である 『プラズマ』 と呼びます。最も温度の高いプラズマの中心部では 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(超臨界圧の)蒸気に変えます。そしてこの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、エネルギーの源が違うだけで、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、その熱を直接取り出すことができます。ところが核融合炉の燃料部分であるプラズマは、温度は高いものの 希薄である ため、ここから直接熱を取り出せるわけではありません。核融合炉ではまず、核融合反応で発生した高速で飛び出してくる素粒子、つまり 中性子 を周りを覆った厚さ1mの ブランケット と呼ばれる部分で減速させ捕獲します。ブランケットの中で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。(この時の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。中性子はエネルギーの源なので、ほとんどは核融合炉から外に逃げないようになっています。でも完全ではありません。当然のこととして、 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、その技術はすでに確立されています。中性子は、プラズマが消えれば発生しません。 プラズマを消す手段 はいくつかあって、簡単に消すことができます。 ☆ プ...