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ページ（外部リンク）、https://fusedweb.llnl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/SunLayers.html

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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。

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/...

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。

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）

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