核融合:解説 - 定義、プロセス、可能性

核融合 2 つ以上の原子核が結合して 1 つ以上のより重い原子核を形成する核反応の一種です。核融合のプロセスは、周期表の多くの元素を形成するだけでなく、無限のエネルギー生産の機会を提供します。

• 核融合では 2 つ以上の核が結合し、1 つ以上のより重い核が形成されます。
• 重水素や三重水素などの軽い原子核が核融合を起こすと、その反応によってエネルギーが放出されます。ただし、重い原子核を組み合わせるには、実際には放出されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要になります。
• 星では核融合が自然に起こります。水爆は人工核融合の一例です。制御された人工核融合は、有用なエネルギー源として期待されています。

核融合と核分裂 (例)

核融合と核分裂はどちらも核反応ですが、互いに反対のプロセスです。核融合は原子核を結合しますが、核分裂は原子核を分裂させます。例:

• 核融合 :水素同位体の重水素 (H2) と三重水素 (H3) が結合すると、ヘリウム (H4) が形成されます。この反応により中性子とエネルギーが放出されます。重水素と三重水素の各原子核には陽子が 1 つずつ含まれています。重水素には中性子が 1 つありますが、三重水素には中性子が 2 つあります。ヘリウム原子核には 2 つの陽子と 2 つの中性子があります。
• 核分裂 :エネルギーのある中性子がウラン 235 (U235) 原子核 (92 個の陽子と 143 個の中性子) と相互作用すると、ウラン原子は分裂します。考えられる結果の 1 つは、キプトン 91 原子核（陽子 36 個と中性子 55 個）、バリウム 142 原子核（陽子 56 個と中性子 86 個）、中性子 3 個、およびエネルギーです。

核融合と核分裂の両方において、陽子と中性子の数は反応の両側で同じです。これらの反応で放出されるエネルギーは、原子核内で陽子と中性子を結合する核結合エネルギーから生じます。原子核は、それ自体の陽子と中性子の合計よりも大きな質量を持っています。これは、結合エネルギーには見かけの質量があるためです。質量とエネルギーには保存則がありますが、アインシュタインの有名な方程式 E=mc2 から、エネルギーと質量は相互に変換できることを思い出してください。したがって、核融合では、軽い原子核が結合するときにエネルギーが放出されます。一方、核分裂は、重い原子核が分裂するときにエネルギーを放出します。核融合には、重い原子核が結合するときに解放されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要ですが、核分裂には、軽い原子核が分裂するときに解放されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要です。

核融合の仕組み

核融合は、2 つの原子核が、それらの原子核内の陽子の正電荷間の反発を克服できるほど接近した場合にのみ発生します。原子核間の距離が十分に小さい場合、強い核力によって核子 (陽子と中性子) がくっつき、新しいより大きな原子核が形成されます。これが機能するのは、この強い力が（その名前から推測できるように）静電反発力よりも強いためです。ただし、それは非常に短い距離でのみ作用します。

星の自然融合

恒星では核融合が起こります。なぜなら、恒星は非常に重いため、重力によって原子核が互いに接近するからです。これらの原子核のほとんどは水素とヘリウムですが、星は元素合成によって他の元素も形成します。星内の極度の圧力と温度により原子がイオン化されてプラズマになるため、電子は関与しません。

人工融合

地球上では、核融合を達成すること、少なくとも制御することはかなり困難です。科学者たちは、膨大な質量と重力の代わりに、恒星とは異なる極端な温度と圧力を適用します。人類が最初に成功した核融合装置は、1951 年の温室効果ガス核実験でのブースト核融合装置でした。ここで、核分裂は、核融合のための圧縮と熱を提供しました。最初の真の核融合装置は 1952 年のアイビー マイク テストでした。アイビー・マイクの燃料は極低温液体重水素でした。広島と長崎に投下された爆弾は原子核分裂爆弾でした。より強力な熱核兵器は、核分裂と核融合を組み合わせたものです。

人工核融合の課題:燃料と閉じ込め

核融合をエネルギーとして利用するのは難しく、適切な燃料と封じ込め手段が必要です。

燃料

燃料として使用するのに適した断面積を持つ反応は比較的少数です。

• H2 + H3 → He4 + n0
• H2 + H2 → H3 + p+
• H2 + H2 → He3 + n0
• H2 + He3 → He4 + p+
• He3 + He3 → He4 + 2p+
• He3 + H3 → He4 + H2
• H2 + Li6 → 2 He4 または He3 +He4 + n0 または Li7 + p+ または Be7 + n0
• Li6 + p+ → He4 + He3
• Li6 + He3 → 2 He4 + p+
• B11 + p+ → 3 He4

すべての場合において、反応には 2 つの反応物が含まれます。核融合は 3 つの反応物で起こりますが、星内に見られる密度がなければ核が結合する確率は十分に高くありません。核を強制的に結合させる容易さは関与する陽子の数 (原子の原子番号) に直接比例するため、反応物質の核は小さくなります。

監禁

監禁 反応物を一緒にする方法です。プラズマは非常に高温であるため、容器の壁に触れることはできず、真空にする必要があります。高温と高圧により、閉じ込めは困難になります。監禁には主に 4 つの方法があります。

• 重力閉じ込め :これが星が融合を行う方法です。現時点では、原子核を強制的に結合するこの方法を再現することはできません。
• 磁気閉じ込め :荷電粒子は磁力線に従うため、磁気閉じ込めにより原子核が捕捉されます。トカマクは磁石を使用してプラズマをリングまたはトーラス内に閉じ込めます。
• 慣性閉じ込め :慣性閉じ込めにより、エネルギーが核融合燃料にパルス化され、瞬間的に加熱および加圧されます。水素爆弾は、核融合を開始する慣性閉じ込めに核分裂によって放出される X 線を使用します。 X 線の代替には、爆発、レーザー、イオン ビームなどがあります。
• 静電気の閉じ込め :静電閉じ込めにより、静電場内にイオンがトラップされます。たとえば、フューザーには、ワイヤーアノードケージ内にカソードが含まれています。マイナスに帯電したケージはプラスイオンを引き付けます。ケージを外した場合、互いに衝突して融合する可能性があります。

参考文献

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