老成学研究所　連続講座

『いま、核融合は』

「地上に　太陽を　つくる　

～核融合発電～」

（その２）

自然科学研究機構（NINS)　核融合科学研究所（NIFS)　前所長　

プラズマ・核融合学会　現会長

竹入康彦

核融合エネルギー　とは

【はじめに】

究極のエネルギー と言われる核融合を　一言で説明するのは容易ではない。

そこからさらに　「核融合発電」まで話を展開するのには　長い道のりが必要である。

そこで、まずは 「核融合って何？」 の質問に応えられるよう、

今回は　核融合エネルギーについての全般的な話　をする。

１. 核融合によるエネルギー発生

すべての原子は　プラス(正)の電荷をもった原子核　と　その周囲を回るマイナス(負)の電荷をもった電子　により構成されている。

このうち　原子核同士がくっついて(融合して)　より大きな原子核になることが　核融合反応　であり、水素やヘリウムなどの軽い原子核が　この核融合反応を起こすと、大きなエネルギーが発生する。

原子核は　正の電荷をもった陽子　と　電荷をもたない中性子　から成っており、核融合反応により　陽子と中性子の組み合わせや結合状態が変化する。

それぞれ　水素の同位体である重水素と三重水素の核融合反応では　ヘリウムの原子核と中性子が生成する（図１　左図）が、この時、反応の前後で　陽子や中性子の合計の粒子数に変化はないが、反応後の合計の質量は　反応前と比べて　わずかではあるが　減少する。

いわば　質量がエネルギーに変化したわけで、アインシュタインの特殊相対性理論により示されている　有名な質量(m)とエネルギー(E)の等価性の関係　E=mc²（cは光速）から、この質量減少分がエネルギーとして放出される。

これが　核融合反応によるエネルギー発生の原理　である。

原子核を構成する　陽子と中性子の合計の粒子数　を　質量数　というが、

原子核の内部エネルギーを質量数で除した粒子当たりのエネルギー と 対応する原子の重さの関係 を示したのが　

図２　である。

軽い原子ほど 粒子当たりのエネルギーが高い ことがわかる。

そして、核融合反応により 重い原子になると 粒子当たりのエネルギーが低くなるため、

その差を エネルギーとして放出する。

また、図２の縦軸は 原子核の粒子当たりの質量に相当する と考えることもでき、

水素H（陽子１個）を基準として、下方に向かって水素からの質量不足分（質量欠損）を表している と見ることもできる。

この質量欠損分が エネルギー放出量を示している。

一方、ウランなどの重い原子核が分裂して軽い原子核に変化するときも、反応の前後で合計粒子数に変化はないが　合計質量は減少し（図１　右図）、その分のエネルギーが放出される。

図２より、内部エネルギー的に最も低く安定な原子核は鉄（Fe）であり、それより軽い原子核では核融合により、重い原子核では核分裂によりエネルギーが発生することがわかる。

なお、鉄より重い元素は、中性子星合体や超新星爆発等の際にエネルギーを得て核融合反応により生成される。

太陽が 核融合反応により エネルギーを生成していることは前回述べたが、太陽が石炭の塊であれば　2,000年で燃え尽きてしまうため、そのエネルギー生成原理は化学反応では説明がつかず、長い間　謎であった。

20世紀初頭になって 相対性理論や量子力学が発展することによって、核融合反応　という化学反応とは異なる新しい原理が確立し、太陽や宇宙に輝く星のエネルギー源であることが明らかにされた。

それでは、化学反応と比べて 核融合反応では　どれくらい大きなエネルギーが得られるのだろうか。

水素の酸化反応による燃焼では、1molの水素燃料2gから242kJのエネルギー　が得られるが、

重水素と三重水素の核融合反応では、1molの重水素・三重水素燃料2.5gから8.5×10⁸kJと、約350万倍のエネルギー　が得られる。

このように、核融合反応では　少ない燃料で大きなエネルギーを生成する　ことができる。

2. 熱核融合

さて、プラスの電気を帯びた原子核同士が融合するためには、

その電気的な反発力に打ち勝つことのできる　高いエネルギー（速度）でぶつかる必要　がある。

実際の核融合反応は、加速器を用いて　高エネルギーに加速した原子核を衝突させることによって起こすことができる。

しかし、この場合に発生する核融合エネルギーは、加速器の効率を考慮すると、核融合反応を起こすために使ったエネルギーを上回ることができないため、発電などのエネルギー生成システムとしては成立しない。

加速器を利用したシステムでは、少数の粒子（原子核）を加速して、ターゲット（原子核）にぶつけるので、核融合反応の効率が極めて低い。

そこで、粒子（原子核）の数を増やし、

粒子全体の温度を上げることにより　

個々の粒子のエネルギーを上げ、ぶつかる機会を増やしてやれば、

高頻度に　核融合反応が生じ、

得られたエネルギーは　使用したエネルギーを上回って

外部に　エネルギーを取り出す　ことが可能となる。

このように、核融合反応の対象となる　粒子全体を高温にする熱核融合　により、

燃料粒子を燃やし続けるシステムを実現することが　核融合開発の目標である。

３.宇宙の核融合

それでは、自然界の　宇宙で生ずる核融合　を見てみよう。

138億年前のビッグバンで宇宙は始まったが、30万年もすると　水素やヘリウムが安定に存在するようになり、それが　巨大なガスの塊を形成して　100万年後～10億年後には原子銀河が誕生した。

それらが核融合を起こし、星（恒星）となって輝き、エネルギーを生成するようになって、現在に至っている。

このように、核融合はまさに　宇宙のエネルギー　ということができる。

太陽は　比較的質量の小さな恒星だが、その内部では　4個の水素原子核同士が融合してヘリウム原子核に変化する　核融合反応（Proton-Proton反応：P-P反応）　が起こっており、46億年前から安定に燃焼し、あと50億年以上燃え続けることができる。

太陽の中心（核）は　温度1,500万度、密度160g/cm³で　2,500億気圧の高温・高圧の状態で　　熱核融合　を生じている。

太陽の質量は地球の33万倍、重力は28倍であり、自らの巨大な重力により高温・高圧の燃料粒子を閉じ込めている。

そして、

核融合反応が激しくなると　熱により膨張して　温度が下がり　反応を弱めるように、

反応が弱くなると　重力により収縮して　温度が上がり　反応を強めるように、

自動的に調節して一定の温度・構造を保っている。

水素が燃え尽きると　中心部でヘリウムの核融合反応が始まり、炭素や酸素の原子核ができ、太陽よりも質量の大きい恒星では、この炭素や酸素が　さらに核融合反応を起こして　より重い原子核が生成され、それが繰り返されるので、重元素の原子核が　タマネギ状に作られる（図３）。

最後に　鉄の原子核が作られると　核融合反応は停止するため、熱による膨張力がなくなり、重力により急速に収縮し、その反動で超新星爆発（重力崩壊）が起こり、重い元素が宇宙空間にばらまかれる（図４）。

人の体は　炭素や酸素、窒素等から主になっているが、こうした元素を含めて

　宇宙の物質は　核融合により創られた　ことがわかる。

このように、恒星や太陽は　核融合反応により　数千万度から数億度の熱核融合により　燃えている。

太陽の核融合反応であるP-P反応は　反応率が非常に低いが、160g/cm³という超高密度で　低反応率をカバーしており、極めてゆっくりと燃えている。

従って、重力により超高密度燃料を閉じ込めている　太陽や恒星の熱核融合を　そのまま地上で実現することはできない。

地上で熱核融合を実現するためには、別の核融合反応　および　別の燃料閉じ込め方法が　必要である。

4.地上の核融合

そこで、地上の核融合では、最も反応率の高い　重水素と三重水素の核融合反応　を利用する。

D（重水素） + T（三重水素）→ He（ヘリウム） + n（中性子）

この反応を利用しても　エネルギーを取り出すためには、

燃料粒子密度は1×10¹⁴ /cm³（1.7×10^-10 g/cm³）程度と　かなり低いが、

温度は　1億度以上　が必要であり、

それを実現するための研究開発が　これまで進められてきた。

次回は、地上の核融合を実現するために、重力以外の どのような方法で燃料粒子を閉じ込めて、上述の条件を達成するのか について　紹介する。

（編集：前澤　祐貴子）

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