核融合科学研究所 > 一般の方へ > エネルギーの森 > Q&A > 核融合のけんきゅう

エネルギーの森

Q&A

核融合研究って?

A:軽い原子核どうしがくっついて、より重い原子核に変わることをいいます。くっついたときにとても大きなエネルギーが出ます。太陽も核融合で燃えています。核融合研究は、地球に小さな太陽をつくって、このミニ太陽からでるエネルギーを利用して電気を起こすことを目指しています。

核融合反応って? up なにとなにを反応させるの?

A:太陽は3/4が水素(記号:H)からできています。太陽の中心では、高い温度(1500万度)、高い密度(鉄の20倍:粒子の数がものすごく多い)のなかで、水素が核融合反応を起こしてヘリウム(記号:He)となり、すごく大きなエネルギー(熱や光)を出しています。太陽は地球の約33万倍もの質量をもつ巨大なガスのかたまりです。とても大きいので、核融合反応で水素がなくなるまで50億年もかかるといわれています。地球は、太陽より小さく、太陽のような高い密度を作ることができないので、水素(記号:H)で核融合反応を起こすことはむつかしいのです。そこでもっと核融合反応が起きやすい重水素(記号:D)や三重水素(記号:T)、ヘリウム3(記号:3He・ヘリウムの同位体)を使います。その中でも最も反応しやすいのは重水素と三重水素です。これをD-T反応といって、近い将来の核融合発電でもこの反応を使います。

近い将来の核融合発電で使われる反応

近い将来の核融合発電で使われる反応(私たちの研究所ではしません)

まめ知識

密度と温度の関係:80度のお風呂は入れないけどサウナには入れるのはなぜ?

80度の水をさわるとやけどをしますね。でも80度のサウナに入ってもやけどしませんね。どうしてかな?実は、粒子の数の多さ(密度)と関係があります。空気や水蒸気のような気体の状態では、たとえばちっ素分子(記号:N2)や酸素分子(記号:O2)が1立方センチメートル(1cc)のなかに、100億を2度かけたほどの個数の粒子が入っています。ところが水になると1立方センチメートル(1 cc)の長方形の中に、空気や水蒸気の1000倍の数の粒子が入っています。この粒子の数の多い、少ないを密度と呼びます。同じ80度でも、それをさわったときには、粒子の数が大きい、つまり密度が大きいほど熱く感じます。だから、80度のお湯を触ったときはやけどをするけど、水蒸気や空気で満たされたサウナに入ってもやけどしないのです。密度が大きければ太陽のように1500万度という温度でも核融合反応はおきますが、地球でつくるミニ太陽は密度が小さいので、1億度という高い温度が必要になります。このように核融合反応は密度と温度がとても大きく関係します。

up なぜ燃料に水素を使うの?

A:太陽などの恒星の中では、水素がヘリウムになる核融合反応が起こって、光や熱を出しています。だから星の燃料は水素ということになります。水素はいちばん軽い原子核で、もっとも核融合をおこしやすいので、核融合発電所でも太陽と同じように燃料に水素(の仲間:重水素・三重水素)を使います。

光る星の燃料はみんな水素です。そして核融合で燃えています。

光る星の燃料はみんな水素です。そして核融合で燃えています。(NASAの撮影:http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap051122.html

豆知識

水素のプロフィール水素の元素記号はHです。酸素とくっついて水(記号:H2O)の形で地球上(海、川、生物の体の中)にたくさんあります。宇宙でもっともたくさんあるのも水素です。核融合発電所で使われる重水素(記号:D)や三重水素(記号:T)は、水素の重さの違う仲間(同位体:どういたい)で私たちのまわりにも少しだけ存在しています。

水の中の分子・原子たち。水素の原子がたくさんあります。そしてなかに重水素や三重水素が少しだけまざっています。

-水の中の分子・原子たち-

水素の原子がたくさんあります。そしてなかに重水素や三重水素が少しだけまざっています。

なぜ燃料に水素を使うの?

A: 海の水の0.015%が重水素と酸素がくっついたものです。少ないようだけど、海水はたくさんあるから、重水素も使い切れないほどたくさんあります。三重水素は、重水素に比べてとても量が少ないので、リチウムという物質から作りだします。

リチウムは銀白色の金属で、薬や電池に使われている身近なものです。リチウムも鉱山や海水中にたくさんあります。将来、核融合発電が実現されたときのために、海の水から重水素やリチウムを、よりたくさんとれるようにするために研究が始められています。

豆知識

いまはどうやって重水素をまかなっているの

海水中の水の0.015%が重水素(記号:D)と酸素(記号:O)がくっついたものです。この水を重い水という意味で「重水(記号:D2O)」といいます。水の中から重水をとり出すには、特別な化学反応を使います。そして電気を使って重水からから酸素をはがして重水素を作っています。

自然の水:H2O+D2O→化学反応→重水:D2Oをとりだす→電気をかける→重水:D2Oから酸素Oをはがす→重水素D2だけになる

up 重水素を採りすぎてなくならないの?

A: 核融合発電で、重水素を使っても1億年はなくなりません。それぐらい海の水は多いし、それに海の水は雨がふったりしてどんどんつくられていくからなくなる心配はありません。

up プラズマって

A: 水は0度より低い温度では氷ですよね。0度から100度の間は水。そして100度より高い温度では水蒸気になります。どんな物でもこのように3種類の状態になります。そして氷のような状態を「固体」、水のような状態を「液体」、水蒸気のような状態を「気体」と呼びます。ここまではみんながよく知っている状態ですね。そして、さらに「第4の状態」があるんです。温度をもっと上げていって超高温(だいたい1万度以上)にすると、原子の中の原子核と電子が離れて勝手に動くようになります。この状態を「プラズマ」といいます。核融合反応をさせるときの燃料は重水素や三重水素といったガスをつかいますが、温度を高くして、分子や原子の状態からプラズマの状態にまずすることが大切です。

私たちの周りでの水素分子の状態(分子の状態で飛んでいます)

私たちの周りでの水素分子の状態 プラズマになったときの水素の状態

プラズマになったときの水素の状態(原子核と電子がバラバラに飛んでいます)

豆知識

原子とは、分子とは?

どんな物でも、小さく小さく切っていくと、最後の最後には「原子」という粒になります。大きさは1億分の1センチメートル。原子には約100個の種類があって、その一つひとつに名前がついています。たとえば「水素(記号:H)」とか、「酸素(記号:O)」など。2個以上の原子がくっついてできたのが分子です。水素原子(記号:H)と酸素原子(記号:O)がくっついてできたのが「水(記号:H2O)」分子です。

プラズマになったときの水素の状態 豆知識

原子核と電子とは?

原子の中をよく見てみると、もっともっと小さな粒が集まってできています。真ん中には丸い粒が一つあって、それを原子核といいます。その周りをいくつかの小さな粒・電子が回っています。真ん中の原子核の大きさは、原子の10万分の1という小ささです。この原子核をくっつけたり、割ったりすると、大きなエネルギーが出てきます。くっつけるほうを「核融合反応」、割るほうを「核分裂反応」といいます。

原子の構成 up プラズマはどうやってつくるの

A:1億度のプラズマは、真空容器と呼ばれる金属の容器の中でつくります。最初に真空容器の中の空気を抜いて、何もない状態(真空)にします。それから本当に少しだけ燃料である水素(分子)を入れます。だいたい空気の30万分の1の薄さです。それから加熱装置で水素分子を温めていくと、1万度ぐらいで原子核と電子に分れプラズマになります。もっと温めると、温度は1億度にもなります。

プラズマ up プラズマはどうやって温めるの?

A:プラズマを温める方法には、大きく2種類があります。ひとつは電波を当てて温める方法です。皆さんの家にある電子レンジも電波を使って、いろいろなものを温めていますよね。これと同じ原理です。もうひとつは、高速で走る原子核をプラズマの中にいれて温める方法です。いくつかの方法をうまく組み合わせてプラズマを温めます。>

プラズマを温める 豆知識

原子核を温めろ!! イオンサイクロトロン加熱装置

ラジオは、電波が放送局から飛んできて聞こえます。FMラジオの電波をプラズマに飛ばすと、プラズマの中の原子核(イオン)が運動して温められます。この方法を使ってプラズマを加熱する装置をイオンサイクロトロン加熱装置といいます。

豆知識

電子を温めろ!!電子サイクロトロン加熱装置

最近、自動車に、前の車と衝突しないように先頭に電波を出す装置(レーダー)がついているのを知っていますか。この電波をプラズマに飛ばすと、プラズマの中の電子が運動して温められます。この方法を使ってプラズマを加熱する装置を電子サイクロトロン加熱装置といいます。

豆知識

プラズマを温めろ!!中性粒子入射加熱装置

プラズマを温めるということは、プラズマの中の原子核が走る速さを速くすることと同じです。だからプラズマを加熱する方法には、プラズマの中にもっと速い原子を打ち込む方法があります。そしてその装置を中性粒子入射加熱装置といいます。打ち込んだ速い原子原子核になって、プラズマの中の原子核もいっしょに速くしていきます。そしてプラズマが温められます。

プラズマはどうやって閉じ込めるの?

A:プラズマの中では原子核と電子が勝手にものすごい速さで動き回っています。だから何も包み込むものがなかったら、プラズマはどんどん空気のなかに逃げてしまって、温度を高めたりすることはできません。どうやってプラズマを閉じ込めるかというと、プラズマの原子核はプラスの電気、電子はマイナスの電気を持っていて、電気を運ぶ性質を持っています。だから空気のように決まった形がないのに、銅線のように電気を通すことができます。なんと銅線より電気を通しやすいんです。この電気を通す性質と磁石を上手く組み合わせてプラズマを閉じ込めます。プラズマのなかに磁力線を走らせると、この磁力線に原子核や電子がからみついてくるんです。こうすればプラズマが上や下、右や左へ逃げていってしまうことはありませんね。ただ、それでも暴れん坊の粒子がいて、磁力線からはずれたり、からみついている粒子にちょっかいをだして、磁力線からいっしょに逃げ出したりします。こういう暴れん坊の粒子をおとなしくさせるのがプラズマ制御という研究です。

プラズマの閉じ込め up 太陽を閉じ込める装置って?

A:1億度のプラズマを閉じこめるには、磁石の「かご」を使います。プラズマの中の原子核も電子も、磁石からでる磁力線に朝顔のツルのように巻き付いて、からみつく性質を持っています。だから磁石をドーナッツの形に並べると、原子核も電子もドーナッツにそって、グルグル回って、外ににげ出せないのです。原子核や電子をにげ出さないようにすることを「プラズマを閉じこめる」といいます。プラズマをうまく閉じこめるために、形のちがう磁石の「かご」がいくつか考えられています。研究所にあるヘリカル型は日本で考えられた「ひねりをいれたドーナッツのかご」の形をしています。

太陽を閉じ込める装置 up

豆知識

大型ヘリカル装置のとくちょう

核融合科学研究所にある大型ヘリカル装置(LHD)は、世界最大のヘリカル型プラズマ閉じこめ装置です。日本で考えられた装置です。とくちょうは磁石の形にあります。ドーナッツの形の磁石を作りますが、さらにクルクルとねじります。ねじりドーナッツと同じカタチです。こうすると原子核や電子がにげにくくなります。

豆知識

ここがすごいぞ、LHD!! :巨大、強力な磁石

大型ヘリカル装置(LHD)の磁石には、強力な超伝導磁石が使われています。磁石がすべて超伝導磁石の装置として世界で最初に作られました。プラズマを閉じこめるためには強い磁場が必要なんです。LHDの超伝導磁石は、肩コリをほぐすために体にはる磁石に比べて40倍も強いんです。そして重さが800トンと巨大な磁石でできています。

大型ヘリカル装置の超伝導磁石(組立中の写真)

-大型ヘリカル装置の超伝導磁石(組立中の写真)-

豆知識

そのほかの装置

ドーナッツの形をした装置には、ヘリカル型の他にトカマク型があります。こちらはドーナッツの形に磁石を並べるけど、ひねりがありません。ひねらない代わりに、プラズマに大きな電流を流してプラズマをひねります。磁石でプラズマをひねるヘリカル装置に比べてトカマク型の方が作るのが簡単だったので、世界中で装置が作られていて、LHDより大きな装置も作られています。いまトカマク型とヘリカル型は、核融合発電に使うことのできるプラズマを作るために、協力したり競争したりして研究しています。また、磁石の「かご」を使わない方法もあります。およそ4ミリメートルの燃料の粒にレーザーを当てて、しゅん間に温める「レーザー核融合」という方法で、日本では大阪大学で研究がおこなわれています。

トカマク型装置の磁石のかご up ローソン条件ってなんですか?

A:核融合反応をさせるためには三つの条件を達成しなければなりません。1)プラズマが約1億度以上の温度になること 2)1立方センチメートル(1cc)のなかに原子核の数が100兆個以上あること 3)閉じ込め時間が1秒以上あること。これをローソン条件といい、核融合研究はこの条件を目標に進めています。この研究所でも一つ一つの記録、たとえば1億度のプラズマをつくったり、密度が1立方センチメートルあたり500兆個という記録は達成していますが、難しいのはこの三つの条件がそろわないと核融合反応がおきないことです。とくに閉じ込め時間1秒という三つ目の条件は、逃げていく粒子をどうやって装置のなかに閉じ込めておくかという研究になりますが、目に見えない粒子を閉じ込めておくのはとても難しく、この1秒を求めてさまざまな研究がおこなわれています。

豆知識

1億度の温度がなぜ必要?

2個の原子核をぶつけて、くっつけてしまうのが核融合です。でも原子どうしをぶつけても、原子核がぶつかりません。なぜかというと、原子の中の原子核の周りには電子が回っていて、原子核がぶつかるのをじゃまするからです。そこで1万度以上に温度を上げて、原子から電子をはぎとって原子核をはだかにします。この状態をプラズマといいます。でもまだ核融合はおこりません。原子核どうしを秒速(1秒間に走る速さ)1000キロメートル(日本~韓国間)の速さで走らせて、ぶつけなければいけません。そのためには、温度をもっと上げて、1億度にする必要があるのです。

豆知識

温度と分子運動の関係

空気の分子〔ちっ素分子(記号:N2)や酸素分子(記号:O2)〕はものすごい速さで動き回っています。目には見えませんが、その速度は時速(1時間に走る速さ)1500キロメートルというすごい速さです。これは音の速さとほとんど同じです。この分子の速さは、温度が上がると、どんどん速くなっていきます。核融合をおこすプラズマの温度は1億度だけど、原子核(分子が分れてでてきた粒)はなんと1秒間に1000キロメートルも走ります。ものすごい速さです。逆にいうと分子や原子核を速く動かしてやれば、温度が高くなります。プラズマを加熱するときには、原子核を速く動かすことでより高い温度のプラズマにする方法をとっています。そして温度が高いプラズマを、エネルギーが高いプラズマといいます。元気があるプラズマという意味です。

豆知識

1ccあたり100兆個がなぜ必要?

空気は、1立方センチメートル(1 cc)の長方形の中に、100億を2度かけたほどの個数の分子〔ちっ素分子(記号:N2)や酸素分子(記号:O2)〕が入っています。この数を分子の密度と呼びます。核融合をおこすプラズマでは、原子核(分子が割れてでてくる粒)の密度は、1立方センチメートル(1 cc)に100兆個です。空気と比べるととても密度が小さい(薄い)のです。だいたい空気の30万分の1の薄さです。こんなに薄くても核融合がおこると大きなエネルギーが生まれます。本当はもっと密度を大きくすると、もっと核融合がおこりやすくなるんだけど、密度をあげると閉じこめておくのが難しいのです。

豆知識

密度をあげる工夫

磁石を使ってプラズマが外に逃げないように閉じこめることができます。核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)も磁石の「かご」を使ってプラズマを閉じこめる装置です。磁石が強くなればなるほど、高い温度のプラズマ、密度の大きいプラズマが閉じこめられます。今の最高の磁石では、温度が1億度、密度が1立方センチメートル(1 cc)に100兆個のプラズマを閉じこめることが限界です。そこで、もっと密度を上げて核融合を起こしやすくするために、強い磁石を作る研究や、磁石のかごの形を工夫する研究もしています。

豆知識

閉じ込め時間1秒のハードル

いくらプラズマを温めても、まわりに熱がにげてしまうと、すぐに冷めてしまいます。この冷めてしまうまでの時間を閉じこめ時間といいます。閉じこめ時間が長いということは、熱がにげにくくて、温度が高いままでいられるということになります。核融合でエネルギーを出すためには、閉じこめ時間が1秒より長くないといけません。お湯は、できるだけ冷めないように魔法瓶に入れますが、プラズマでも、魔法瓶のような仕組みを作って熱がにげないようにする(閉じこめ時間を長くする)工夫が研究されています。そして1秒の間、冷めないようにできれば、核融合でエネルギーが取り出せるようになります。

豆知識

持続続時間と閉じ込め時間の違い

たった1秒だけエネルギーを出せても、みんなで電気を使うことはできませんね。ところがうまくなっていて、核融合でエネルギーが出るとその一部がプラズマを温めてくれます。そしてまた核融合がおきてそのエネルギーがさらにプラズマを温めてくれます。温まってエネルギーの方が大きくなるほど、プラズマはずっと長い時間、冷めないで高い温度を保つことができます。このプラズマが高い温度を保っていられる時間を「プラズマ持続時間」といいます。

※核融合を起こさない実験では、加熱装置を使ってプラズマを温めて高い温度に保っています。(そうしないと1秒にもならない時間で冷めてしまいます)その高い温度に保っている時間を持続時間といっています。