夢のケーキは食べられない

 「夢のエネルギー」とも言われた(最近聞かないけど)「核融合」。その核融合の実験設備建設に関してのニュース。核融合炉誘致、政府が今月中にも断念決断へ(asahi.com)とのこと。
 核融合実用化研究の為に国際協力で建設しようとしている「ITER-国際熱核融合実験炉」の建設地を、日本(青森県六ヶ所村)とEU(南仏カダラッシュ)で争っていたのだが、結局日本が折れた、という話だ。

 この両勢力が争っていたのには、
  • 日本・EUともに核融合研究には歴史と実績があり、研究の主導権を握る上でも譲れない
  • 地元に作れば建設費その他の金が大量に落ちるので、経済が潤う
という二つの理由であったようだが。結局日本が、EUから建設発注の大半を日本企業に出すという確約を得て、候補から降りたという事らしい。言うなれば、前者よりも後者を優先したという事か。まあ所詮日本という国は、そういうとこさね・・・と、ちょっとやさぐれてみる。つーか20年前ならいざ知らず今の日本には金無いんだから、しょうがないわな。


 それはさておき。ちょっと核融合について調べてみた。「物理学科卒なんだからわざわざ調べなくてもだいたい知ってるだろう」とか言われそうだが、物理学科だからといって現代物理の全範囲やるわけじゃないし、そもそも自分専門科目で可と不可しか取った事のない劣等生だったから。

 「核融合」の身近なところでは、太陽がある。他には、身近ではないけど水爆。身近だけど現実には存在しないのが、ガンダムの動力炉。ところで「ガンダムSEED」で出てくる機体は、あれは核融合エンジン搭載型ではないのかね。すぐエネルギー切れ起こすし、母艦から中性子ビームでエネルギー補給受けてるし。

 まあそんなことはどうでもいい。で。核融合という現象は、簡単に言えば原子と原子を組み合わせて違う原子にしようという話である。

 原子というのは、それを構成する3要素として陽子・中性子・電子というのがあって、陽子・電子は必ず1対になっている。この対の数が原子の種類を決める。例えば、水素は陽子・電子の対が1であり、酸素は8である。この辺の数は、中学の理科でやっているはずの「元素の周期表」を見ればよい。
 さらに中性子の数によって「同位体」と呼ばれる、種類は同じだが微妙に性質の違う原子が生まれる。前述の水素は、普通は陽子電子1対のみで構成されるが、これに中性子が1個加わった「重水素」と呼ばれるものが存在する。中性子が二個になると「三重水素」になる。ちなみにヘリウムは、陽電子の対が2つに中性子が2つというのが標準型である。

 では、例えば上記のうち重水素を二つ組み合わせたらどうなるか。数としては、陽子電子の対が2つに中性子が2つと、ヘリウムの構成要素と同じになる。だからといって通常は簡単にはいそうですかと水素がヘリウムになったりする事はないのだが、これをいったん原子を分解させた状態にしてやれば、再結合する時にヘリウムになる事もあり得る。
 これが核融合とよばれるものである。実際の核融合研究では、より条件が緩やかな重水素と三重水素を使う方向で進んでいる。
重水素と三重水素の核融合モデル図

 この陽子・中性子が結合する時の力が「核力」と呼ばれるもので、この理論はノーベル物理学賞を受賞した京大の湯川秀樹教授の論文が大台になっている。核力の実態はグルーオンという種類の素粒子を交換する事らしいのだが、この辺の事は素粒子物理の細かい事に入る上に自分自身理解していない事柄になるので、説明は省く。
 で、この核力が働く事によって陽子・中性子が自分自身を維持する力の負担が減るため、その分の質量がいらなって、捨ててしまうらしい(質量欠損というようだ)。ところで、かの有名な相対性理論に依れば、質量とエネルギーは等価である。なので、捨てられた質量は、原子の外にはエネルギーとして放出される事になる。
 このエネルギーを取り出して有効活用しようというのが、核融合炉の建設目的である。

 核融合を起こすためには原子を分解された状態にする(これをプラズマという)必要があるが、これを実現するためには普通はサイヤ人もびっくりの高温・高圧(具体的には温度換算で1億℃ぐらい)を必要とするとされている。(パラジウムなどの触媒を使った常温核融合という方法も研究されているが、そういう現象もあり得るといわれるだけで、未だに理論も確立されていない状態である。)
 水爆ではその高温高圧を原子爆弾を使って実現させているが、発電用核融合炉にそんなものはつかえないので、原子を加速して磁気で封じ込め、高い内圧を得るという方法が採られる。
 この為の装置が「加速炉」と呼ばれるものであり、直線型とリング型の2種類に大別される。リング型はさらに、加速方法の違いからトカマク型とヘリカル型に分かれる。国内では、筑波にある加速器が直線型(ミラー型)で、岐阜県土岐市にあるのがヘリカル型である。ちなみに、件のITERはトカマク型である。
 また、加速炉方式とは全く別に「レーザー爆縮型」という方式があって大阪大学で研究がされているが、現在の主流からははずれてしまっている。

 加速炉を使った核融合の研究はかなり進んでおり、実際に炉内で核融合を起こす事は可能になっている。が、これまでの実験で、得られるエネルギーの量が投入したエネルギーの量(核融合を起こすのに必要な高温高圧を実現するためのエネルギー)を上回った事が無く、実際に発電等のエネルギー源として利用できるのはかなり先の事といわれている。

参考文献:
自然科学研究機構:未来をつくるエネルギー 核融合発電への挑戦
http://safety-info.nifs.ac.jp/mirai-ene/mirai-index.html#plasma-doc
原子力教育を考える会:用語解説
http://www.nuketext.org/yougo.html#Anchor-49575
大阪大学大学院電子情報エネルギーコースレーザー工学講座:核融合とプラズマ
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/tanakaken/laser_fusion/plasma.html

 と、以上が核融合と核融合炉のおおまかな内容である。

 このように、核融合は非常に高度で難しい技術である。アメリカなど、一度は開発を放棄してしまったくらいだ。(日本とEUが随分研究を進めたので、また乗り気になってきたようだが。)まあなんにしろ、簡単に実現できるシロモノではない。「シムシティ」だと核融合発電所は2030年頃に設置できることになっているが、現実には核融合発電が実現するのは、50年とか70年先とかいう話もある。宇宙開発並みに気の長い話だ。て言うか、そんな頃には俺ら死んどるがな。


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