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核融合反応ってそもそもどんな反応?どんな仕組みで起こるの?

どうも!宇宙ヤバイch中の人キャベチです。
今回は「核融合反応」をテーマにお送りします。

原子とは?

まずは核融合反応をより分かりやすく説明する為に、「原子」について説明していきます。
今、私たちが見えてる世界をどんどん小さく拡大していくと最終的には原子という物が見えてきます。
つまり今見えてる全ての世界を構成してる物質です。
更に原子は、陽子と中性子というものでできており、その周りに電子というものがあります。
陽子と中性子はペアになっておりこれを「原子核」と言います。
その原子ですが、水素からオネガソンまでの118種類が見つかっています。
周期表の原子番号は、陽子の数により決まります。
では核融合反応について説明していこうと思います。

安定

まず、核融合反応は水素等の軽い原子核でしか起こりません、それは原子核は安定した状態を保とうとする性質があるからです。
では、その「安定」とは何でしょうか?
箱に物を詰めて、バランスをとるところを想像してください。
中身が入らないくらい物が多いとボロボロと崩れ落ち、逆に少なすぎると箱の中で動き回って安定が取りずらいですよね。
丁度綺麗に収まる量があります、それが安定した状態です。
原子の場合、その「安定」した状態が原子番号26番の「鉄」になります。

核力、クーロン力

次に、核融合反応を起こすには原子内部の力が関わってきます。
核融合反応を起こすのに一番有名な元素は「水素」です、地球でも水等、水素を含んだ化合物で溢れていますね!
ここで一つ疑問です、海や湖といった水が多くある場所では何故核融合が起こらないのでしょうか。
私たちの生活しているような世界の条件だと、原子は分子の状態になる程度の反応しか起こりません。
パズルで遊んでいるところを想像してください。
分子の反応を例えると予め用意されたピースをはめるだけですが、核融合反応はピースの形を全く別のものに作り直すようなものです。
原子の構造の話に戻ります、原子内部では様々な力が働いています。
その中でも核融合反応を考える上で重要な力は、原子核同士を引き合わす「核力」、逆に引き離す「クーロン力」(斥力)です。
次に同じ極同士を向い合せた棒磁石の先に接着剤が付いた図を想像してください。
普通に近づけると磁石の極で反発します、そして近づければ近づけるほど反発する力も強くなります、これをクーロン力と例えます。
これを無理矢理、手の力で押してやると棒磁石の先の接着剤にくっつけることができます、これを核力と例えます。
これを磁石から原子に戻します、原子核はプラス(陽極)の電荷を帯びていますので原子核同士は勿論反発します。
しかしある一定の距離に近づくと核力が働いて原子核同士が融合するようになります。
しかし、原子核は先ほどの棒磁石のように手で押してくっつけることは物理的に不可能です。
ではそのために何が必要なのでしょうか?

臨界プラズマ

皆さんは水の三相を覚えていますか?
温度が低いと氷(固体)、常温だと水(液体)、高温だと水蒸気(気体)になります。
つまり熱が加わるほど、バラバラになるということです。
そして気体状態の水をさらに過熱すると、プラズマと呼ばれる状態になります。
プラズマとは分子同士の結合が切れる解離が起こり、原子核と電子までバラバラになる電離が起った状態のことです。
この状態になると原子核の周りの電子が離れるので核融合反応の邪魔にならなくなります。
しかし、プラズマ化は数千度の温度であれはできますが、核融合反応は更に高い温度が必要になります。
温度が高くなるということは、さらにバラバラになるということです、つまり原子核の動きも早くなるということになります。
先程説明したクーロン力の反発を突破するには、秒速1000㎞以上なければいけません。
重水素と三重水素の核融合反応の場合、その速度に達するには最低で1億度が必要と言われています。
ですので最低で1億度以上は過熱しなければ核融合反応は起こりません。
次に核融合反応を持続させる必要があります。
それには密度と時間が必要になります。
温度を上げるだけでではプラズマが拡散してしまうので閉じ込める必要があります。
閉じ込めると密度が上がり、原子核同士がぶつかりやすくなるので核融合反応がしやすくなります。
重水素と三重水素による核融合の場合は、1㎤に100兆個の密度でプラズマが必要になります。
さらにこの密度と温度を1秒間維維持する必要もあります。
以上のことをまとめると、温度を1億度、1㎤に100兆個のプラズマを1秒間維持、これは核融合反応で得れるエネルギーと等しくなります。
これを「臨界プラズマ条件」、これを提唱した人の名前ととって「ローソン条件」ともいいます。 (Lチキください・・・)
臨界プラズマ条件に達成することにより核融合で得れたエネルギーで、これまでに至った条件を補えるので続けて反応がおこせるようになります。

補足

今回はあくまで最低条件の値を解説しました。
実際は色々のエネルギー損失が生じるのでにれを大幅に超えなければならない 。

核融合反応の種類について

説明には重水素、三重水素と言う単語がでてきましたが、これを含めた核融合反応の種類について紹介していきたいと思います。

D-T反応(重水素ー三重水素反応)

説明でも度々登場したこの反応は、1番ローソン条件が緩く比較的容易にできるといわれています。
まず重水素、三重水素とは何でしょうか。
原子番号1番は水素原子です、これの原子核を見ると陽子1個で構成されているので、水素原子核=陽子となります。
この陽子1個に中性子が1つくっついたもの重水素、中性子が2個くっついたものを三重水素といいます。
重水素( Deuterium)+三重水素( Tritium)→ヘリウム4(Helium4)+中性子(neutron)
陽子1個と中性子1個、陽子1個と中性子2個が陽子2個と中性子2個のペア(ヘリウム4)に変化し、1個余分に中性子が余る形です。
余った中性子が、周りの物を放射化(放射能を得る)させるので、この反応は基本的には危ないです。

P-P連鎖反応(陽子ー陽子連鎖反応)

この反応は太陽の中心部で起こってると言われています。
まずは陽子と陽子が融合することで、重水素と陽電子、ニュートリノが生まれます。
陽子(proton)+陽子(proton)→重水素+陽電子+ニュートリノ
陽電子とニュートリノはここでは無視していいです。
陽子陽子連鎖反応はこの反応のあと分岐して様々な反応を起こしますがここではそのうちの一つを紹介します。
次に生成された重水素が更に陽子と反応を起こし、陽子2個と中性子1個のヘリウム3になります。
重水素+陽子→ヘリウム3+γ線
次に同様に生成されたヘリウム3同士と反応を起こし、ヘリウム4と陽子2個、そしてエネルギーに変換されます。
ヘリウム3+ヘリウム3→ヘリウム4+陽子+陽子
この反応はD-T反応とは違い中性子を出さないので綺麗な反応です、ただ最後に至るまでに時間がかかるのが問題です。
紹介した2つの核融合反応以外にも「D-D反応」や「CNOサイクル」と様々な反応があります。
興味のある方は是非調べてみてください。

※最後に

いかがでしたか、核融合反応はこのように起こっており、核融合反応のおかげで太陽も輝き続けています。
現在、研究もおこなわれており、近いうちに核融合反応によるエネルギーの恩恵を受けるかもしれませんね。

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