核分裂と核融合 – 発電

核物理学は、原子核の特性と挙動を探求する科学の分野です。これを理解することで、特に発電において、さまざまな用途で核反応を利用することができます。核物理学においてエネルギーを生み出す二つの基本的なプロセスは、核分裂と核融合です。

核分裂

核分裂は、重い核が2つの小さな核に分裂し、いくつかの中性子と大量のエネルギーを放出する反応です。このプロセスは、電力を生成するために原子力発電所で使用されます。

核分裂のしくみ

例えば、ウラン235のような重い原子を考えてみてください。中性子がこのウラン核に衝突すると、不安定になり2つの小さな核に分裂します。この分裂、つまり核分裂は追加の中性子とかなりの量のエネルギーを放出します。これらの放出された中性子は他のウラン核に衝突し、さらに多くの核分裂反応を引き起こす可能性があります。これを連鎖反応と呼びます。

基本的な核分裂反応は次のように表されます：

        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + エネルギー
    

ここで、ウラン235の核は中性子を吸収し、バリウム140とクリプトン93に分裂し、さらに3つの中性子とエネルギーを放出します。

連鎖反応

核分裂における連鎖反応は、1つの核分裂イベントから放出された中性子がさらに核分裂イベントを引き起こすときに発生します。放置すると、このプロセスは非常に速くなり、核兵器であるように非常に大量のエネルギーを爆発的に放出します。しかし、発電所では、このエネルギーを安全に利用するために反応は制御されています。

カドミウムやホウ素のような材料でできた制御棒が、過剰な中性子を吸収するために使用され、このプロセスを制御します。この中性子の管理は、エネルギー生産を継続するための所望の分裂速度を維持するのに役立ちます。

核分裂の応用

核分裂によって生成されたエネルギーは、主に電気を作り出すために使用されます。原子力発電所は化石燃料発電所と同じ方法で稼働していますが、燃料を燃やす代わりに分裂から得た熱を使用します。熱は水を蒸気に変え、その蒸気がタービンを駆動し、電気発生装置に接続されます。

核融合

核融合は、2つの軽い原子核が重い原子核に合体し、エネルギーを放出するプロセスです。融合は太陽や星を動かすプロセスであり、地球上で豊富なエネルギー源を提供します。

核融合はどのように機能するのか？

核融合では、非常に高温と高圧の条件が必要であり、それによって2つの原子の核が反発力を超えるほど接近します。この高温では、電子が分離され、正に帯電した核、つまりイオンが自由に衝突します。核が非常に近づくと、核力によって融合が達成されます。

簡単な融合反応には水素の同位体である重水素と三重水素が関与します。重水素と三重水素の融合により、ヘリウム核、中性子、そしてエネルギーが生成されます。反応は次のように示されます：

        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + エネルギー
    

融合エネルギーの可能性

融合エネルギーは、核分裂に比べていくつかの利点があります。まず、分裂に使用される燃料（重水素と三重水素）は、ウランやプルトニウムよりも豊富です。水は十分な重水素を含み、三重水素を作ることができるリチウムは地殻に豊富に存在します。

第2に、融合は分裂と比較して最小限の長寿命放射性廃棄物を生み出します。また、分裂炉のように制御不能な反応の可能性はありません。なぜなら、融合に必要な高温と高圧を維持することは本質的に困難だからです。

融合の課題

融合エネルギーを利用する主要な課題は、エネルギーを抽出するのに十分な長い間、融合に必要な条件、つまり極端な温度と圧力を維持することです。科学者たちは、トカマクのような磁気閉じ込め装置や慣性閉じ込めなど、融合反応を達成するためのさまざまな方法に取り組んでいます。

分裂と融合の比較

分裂と融合の両方を理解することで、それらの強みと限界が明らかになります。ここに簡単な比較があります：

側面	分裂	融合
燃料	ウラン-235, プルトニウム-239	重水素, 三重水素
エネルギー出力	高い	潜在的にさらに多い
放射性廃棄物	重要	最小限
フィードバック制御	制御棒で可能	現在維持困難

結論

核分裂と核融合の両方が大規模なエネルギー生産の経路を提供します。分裂は世界中の原子力発電所で現在使用されており、融合は将来の可能性を秘めています。これらのプロセスを継続的に研究し改善することで、我々のエネルギー需要を満たす持続可能な解決策を見つけることを目指しています。

コメント