エネルギーの鍵、Q値とは？

エネルギーの鍵、Q値とは？

原子核反応とエネルギー変化

物質を構成する小さな粒の一つに、原子核と呼ばれるものがあります。原子核は、陽子と中性子という、さらに小さな粒子がぎゅっと集まってできています。
この原子核が分裂したり、逆に合体したりする現象を原子核反応と呼びます。原子核反応は、私たちの身の回りにある様々なエネルギー源に利用されています。
原子核反応が起こると、反応の前後で質量にわずかな差が生じます。このわずかな質量の差が、莫大なエネルギーに変換されるのです。これは、かの有名な物理学者アインシュタインが提唱した、E=mc²という式で表されます。
この式は、エネルギーと質量が密接に関係していることを示しています。つまり、ほんのわずかな質量であっても、莫大なエネルギーに変換できることを意味しているのです。原子力発電は、この原子核反応の原理を利用し、質量をエネルギーに変換することで、膨大な電力を生み出しています。

Q値：エネルギー変化の指標

原子核は物質の最小単位ではありません。原子核はさらに陽子と中性子で構成されており、これらを総称して核子と呼びます。原子核反応では、原子核同士が衝突したり、中性子などの粒子を吸収したりすることで、原子核の構造が変わります。この変化に伴って、エネルギーが放出されたり、吸収されたりします。

このエネルギー変化の大きさを表す指標がQ値です。Q値は、反応後の原子核と粒子の質量の和と、反応前の原子核と粒子の質量の和の差をエネルギーに換算することで計算できます。 Q値がプラスの場合、反応によってエネルギーが放出されます。このような反応を発熱反応と呼びます。例えば、ウランの核分裂反応は大きなプラスのQ値を持ち、原子力発電などで利用されています。一方、Q値がマイナスの場合、反応を起こすためには、外部からエネルギーを供給する必要があります。このような反応は吸熱反応と呼ばれます。吸熱反応は自然界では起こりにくい反応ですが、人工的にエネルギーを加えることで起こすことができます。

核分裂反応：大きなエネルギーを放出

原子力発電は、ウランなどの重い原子核が二つ以上の軽い原子核に分裂する現象を利用して、莫大なエネルギーを生み出します。この現象を「核分裂反応」と呼びます。原子力発電の仕組みは、まずウランの原子核に中性子を衝突させることから始まります。すると、不安定な状態になったウラン原子核は分裂し、この時、膨大な熱エネルギーと光エネルギーを放出します。これが核分裂反応です。
原子力発電所では、この熱エネルギーを使って水を沸騰させ、高温・高圧の蒸気を発生させます。そして、この蒸気の力でタービンを回転させ、電気を作り出します。火力発電も石炭や石油を燃やして蒸気を発生させますが、核分裂反応は、それらと比べて桁違いに大きなエネルギーを生み出すことができます。これは、核分裂反応が非常に大きなQ値、つまりエネルギー効率を持つためです。 核分裂反応は、少量の燃料で大量のエネルギーを生成できるため、エネルギー資源の乏しい現代社会において、重要な発電方法の一つとなっています。

核融合反応：太陽のエネルギー源

私たちが毎日浴びている太陽の光と熱。これは、太陽の内部で起きている核融合反応によるものです。核融合反応とは、水素のような軽い原子核同士が融合して、ヘリウムなどのより重い原子核になる反応のことを指します。この時、莫大なエネルギーが熱や光として放出されます。

核融合反応は、原子力発電所で行われている核分裂反応と比べて、いくつかの点で優れています。まず、核融合反応では、ウランのような放射性物質を燃料としないため、原子力発電で問題となる放射性廃棄物がほとんど発生しません。また、燃料となる水素は海水から無尽蔵に得ることができ、資源の枯渇を心配する必要もありません。

しかし、核融合反応を実現するためには、非常に高いハードルが存在します。太陽の中心部では、1500万度という超高温と、地球の大気圧の2000億倍という超高圧状態によって核融合反応が起こっています。地上で核融合反応を起こすためには、太陽の中心部に匹敵する超高温・超高圧状態を人工的に作り出す必要があり、現在の技術では容易ではありません。世界中の研究機関がこの課題に挑戦し続けており、核融合発電の実現に向けて一歩ずつ進んでいます。

核融合反応の効率を示すQ値

核融合反応は太陽のエネルギー源となる反応であり、地上でもその実現に向けて研究が進められています。核融合反応の効率を示す指標としてQ値が使われます。Q値とは、反応から得られる出力エネルギーと、反応を持続させるために必要な入力エネルギーの比のことを指します。
核融合反応を起こすためには、燃料となる物質を非常に高い温度と密度の状態、すなわちプラズマ状態にする必要があります。
Q値が1よりも大きい場合、核融合反応によって得られるエネルギーが入力エネルギーを上回ることを意味し、エネルギーを生み出すことが可能となります。そして、Q値が無限大になる状態は「自己点火条件」と呼ばれます。これは、外部からエネルギーを供給しなくても核融合反応が持続可能になる状態であり、まさに夢のエネルギー源と言えるでしょう。
現在、世界の核融合研究は、このQ値を1を超え、最終的には自己点火条件を達成することを大きな目標としています。そのためには、プラズマをより高温高密度で長時間閉じ込める技術の開発など、乗り越えるべき課題は多く存在します。