核融合とは？ – 世界の顔

核融合は、原子核が融合してより重い核を形成し、その過程で膨大な量のエネルギーを放出するプロセスです。宇宙自体は、星に動力を与えるプロセスであるため、主に核融合によって動力を与えられています。核融合がなければ、星は存在できませんでした。核融合とは何ですか?人類はそれをエネルギー生産に利用できるようになるでしょうか?

核融合のしくみ

太陽を含む宇宙のすべての星は、核融合によって動力を供給されています。画像クレジット: NASA

核融合は、非常に極端な温度と圧力の下でのみ発生します。核融合が起こりうる温度は摂氏1億度です。そのため、核融合は星のコア内でのみ発生する傾向があります。原子核が高速で移動して衝突時にくっつくには高温が必要ですが、核融合が起こるように、原子核が比較的小さな領域内にとどまるように圧力が高くなります。たとえば、太陽の核内の圧力と温度は非常に高いため、個々の水素原子核が融合します。水素原子核は単一の陽子であり、すべての星のコア内で、これらの陽子は互いに衝突して融合します。陽子の 1 つが衝突すると中性子に崩壊し、中性子を含む単なる水素原子核である重水素と呼ばれるものが形成されます。 2 つの重水素原子核が融合すると、2 つの陽子と 2 つの中性子を持つヘリウムが生成されます。興味深いことに、すべての重水素がヘリウムに変換されるわけではありません。たとえば、太陽は毎秒約 6 億 2000 万トンの水素を 6 億 1600 万トンのヘリウムに融合させます。その 400 万の差は、アルファ粒子と電磁放射の形でエネルギーとして放出されます。

核融合は元素合成として知られるプロセスをもたらし、鉄までのすべての元素が最も重い星のコア内で形成されます。星の動力源は水素核融合ですが、どの星にも有限量の水素しか含まれていません。水素がヘリウムに融合すると、星はヘリウムを酸素、炭素、窒素などのさらに重い元素に融合し始めます。星の質量によって、どの元素が形成されるかが決まります。星の質量が大きいほど、中心部の温度と圧力が高くなります。一般に、大質量星は、鉄が形成されるまで核融合プロセスを続けます。鉄よりも軽い元素の融合は膨大な量のエネルギーを生み出しますが、鉄の融合はそれが放出するよりも多くのエネルギーを必要とします. したがって、鉄はエネルギー放出体ではなく、エネルギー吸収体です。鉄が星のコアで形成されると、すぐにエネルギーを使い果たし、自身の重力で崩壊し、最終的に超新星として爆発します。

核融合対核分裂: 違いは何ですか?

核融合と核分裂はどちらも似た響きの名前を持っていますが、エネルギーを生成する 2 つのまったく異なる方法です。核融合は、個々の原子核が融合してエネルギーを放出するプロセスです。一方、核分裂は、不安定な放射性元素が分解されてエネルギーを放出するプロセスです。核融合は一般的に水素やヘリウムなどの軽元素を扱いますが、核分裂はウランやプルトニウムなどの放射性物質を使用します。さらに、核分裂は副産物として放射性廃棄物を生成しますが、水素の核融合は副産物としてヘリウムしか放出しません。核融合は、核分裂よりもはるかにエネルギーの高いプロセスでもあります。

人類はエネルギーのために核融合を利用するようになるでしょうか?

人類は依然として、そのエネルギー需要を満たすために化石燃料の使用に大きく依存しています。前世紀の化石燃料の生産は、人口が指数関数的に増加したため、爆発的に増加しました。化石燃料によって一部の国は経済を成長させ、人類は膨大な量のエネルギーにアクセスできるようになりましたが、エネルギーをそれらに依存することには明らかな欠点があります。気候変動、世界的な紛争、化石燃料埋蔵量の最終的な枯渇などはすべて、それらの使用に関連する問題です. 再生可能エネルギー源は増加していますが、人類の主要なエネルギー源として化石燃料に取って代わるにはほど遠いものはありません。しかし、事実上永遠に無限の量のエネルギーを私たちに供給できるクリーンな形のエネルギーがあったとしたらどうでしょうか? 核融合以外に探す必要はありません。

核融合は、人類が必要とするすべてのエネルギーと問題に対する潜在的な解決策を人類に提供します。たとえば、太陽は、人類が数万年にわたって生成するエネルギーよりも、毎秒、核融合により多くのエネルギーを生成します。水素も地球上で非常に一般的な元素であり、膨大な量のエネルギーを生成するのに必要な量はわずかです。核融合の唯一の副産物はヘリウムであり、たまたま他の産業プロセスで捕捉して使用できる不活性ガスです。核廃棄物はなく、温室効果ガスもありません。核融合エネルギーは、使用するエネルギーが非常に多いため、非常に安価です。人類は実験室で核融合を生成することに成功しましたが、科学者たちはエネルギーを生成できる核融合プラントをまだ開発していません。むしろ、核融合研究所は生成するよりも多くのエネルギーを吸収しますが、そう遠くない将来に変化する可能性があります。科学者たちは、核融合炉で生成されるエネルギー量の記録を常に更新しており、エネルギーを生成できる本格的な核融合炉を手に入れるのは時間の問題かもしれません。