「か」

- 核融合反応とは核融合反応とは、複数の軽い原子核が融合し、より重い原子核へと変化する反応のことを指します。この反応の際に、莫大なエネルギーが放出されることが知られています。私たちの最も身近な存在である太陽も、この核融合反応によって膨大なエネルギーを生み出し、輝きを放っているのです。太陽の中心部では、水素原子核同士が融合し、ヘリウム原子核が生成される核融合反応が絶えず起こっています。水素原子核は陽子と呼ばれる粒子を１つだけ持ちますが、ヘリウム原子核は陽子を２つ持つため、より重い原子核と言えます。この核融合反応の過程で、一部の質量がエネルギーへと変換されます。アインシュタインが提唱した有名な式「E=mc² 」は、この質量とエネルギーの等価性を表しており、ほんのわずかな質量が莫大なエネルギーに変換されることを示しています。太陽の中心部で解放された熱エネルギーは、やがて太陽の表面に到達し、光や熱として宇宙空間へと放射されます。地球もまた、この太陽からの光と熱を受けており、私たち生物はこの恩恵を受けて生きています。 植物の光合成、私たちが日々感じている暖かさ、そして地球の気候はすべて、太陽の核融合反応によって供給されるエネルギーに支えられていると言えるでしょう。

- 核融合反応とプラズマ 核融合発電は、太陽がエネルギーを生み出す原理である核融合反応を地上で再現することで、エネルギー問題の解決に繋がる技術として期待されています。核融合反応を起こすためには、まず燃料である重水素や三重水素を超高温・高圧状態にする必要があります。 この超高温・高圧状態において、物質は固体、液体、気体とは異なる第4の状態である「プラズマ」となります。プラズマとは、物質を構成する原子が原子核と電子に分かれ、自由に動き回っている状態を指します。 核融合反応を起こすためには、原子核同士が電気的な反発力に打ち勝って衝突する必要があるのですが、プラズマ状態にすることで原子核が高速で運動し、衝突する確率が高まります。 核融合発電の実現には、プラズマを高温高圧で閉じ込めておくための技術開発が不可欠です。現在、世界中で様々な方法が研究されており、実用化に向けて日々進歩を続けています。

- 核融合とは原子の中には、陽子や中性子といった小さな粒子が存在しています。そして、この陽子や中性子が複数集まって原子核を構成しています。 核融合とは、この原子核同士がくっついて、より大きな原子核に変わる反応のことを指します。私たちの暮らす地球から遠く離れた太陽。この太陽が莫大なエネルギーを出し続けられるのも、実はこの核融合のおかげなのです。太陽の中心部では、膨大な圧力と熱によって水素の原子核同士が激しく衝突し、くっつき合ってヘリウムの原子核へと変化しています。この時、くっついた原子核の重さよりも、反応後の原子核の重さのほうがほんの少しだけ軽くなります。 実は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ことで、太陽は明るく輝き、熱を放ち続けているのです。核融合は、太陽のような恒星だけでなく、未来のエネルギー源としても期待されています。地上で核融合を実現するため、水素よりもさらに軽い原子である重水素や三重水素を用いた研究開発が進められています。核融合反応は、ウランを使う原子力発電とは異なり、高レベル放射性廃棄物がほとんど発生しないという大きな利点があります。また、資源である重水素は海水からほぼ無尽蔵に得ることができ、安全性も高いことから、核融合は人類のエネルギー問題を解決する切り札として期待されています。

- 核分裂反応とは核分裂反応とは、ウランやプルトニウムなど、特定の種類の重い原子核が分裂し、より軽い原子核に分かれる現象です。この現象は、原子核に中性子と呼ばれる粒子が衝突することで引き起こされます。原子核は、物質を構成する原子の中心に位置し、陽子と中性子で構成されています。ウランやプルトニウムのような重い原子核は、不安定な状態にあります。そこに中性子が衝突すると、原子核は不安定な状態になり、振動し始めます。そして最終的に、二つ以上の軽い原子核に分裂します。このとき、分裂した原子核は、莫大なエネルギーを放出します。これは、アインシュタインの有名な式「E=mc²」で表されるように、物質がエネルギーに変換されるためです。核分裂反応で放出されるエネルギーは、火力発電などで使われる燃料の燃焼反応と比べて桁違いに大きく、このことから原子力発電など様々な分野で応用されています。さらに、核分裂反応では分裂した際に新たな中性子が放出されます。この中性子が他の原子核に衝突することで連鎖的に核分裂反応が起きることを連鎖反応と呼びます。原子力発電ではこの連鎖反応を制御しながらエネルギーを取り出しています。

原子力発電は、物質の根源的なレベルにおける反応である核分裂を利用して、膨大なエネルギーを生み出します。原子の中心には、陽子と中性子からなる原子核が存在します。通常、原子核は安定していますが、ウランやプルトニウムのような特定の重い原子核は、外部から中性子を取り込むと不安定な状態になります。 この不安定な状態は長くは続かず、原子核は二つ以上の軽い原子核に分裂します。これが核分裂と呼ばれる現象です。この分裂の過程で、元々原子核の中に閉じ込められていた莫大なエネルギーが、熱と光として放出されます。これは、例えるなら、ぎゅっと押し込められていたバネが、一気に解放されてエネルギーを放出するようなものです。 原子力発電所では、この核分裂の際に生じる熱エネルギーを使って水を沸騰させ、蒸気を発生させます。そして、その蒸気の力でタービンを回し、発電機を駆動させて電気を作り出します。このように、原子力発電は、原子核の分裂というミクロの世界の現象を、私たちが日常で使う電気というマクロの世界のエネルギーに変換する技術なのです。

原子核の分離核分裂とは 物質を構成する最小単位である原子の中心部には、原子核が存在します。この原子核は、陽子と中性子という小さな粒子で構成されています。通常、原子核は非常に安定していますが、ウランやプルトニウムのように、質量の大きい原子核の場合は、外部からの影響によって二つ以上の軽い原子核に分裂することがあります。この現象を「核分裂」と呼びます。 核分裂を引き起こすには、原子核に中性子などの粒子を衝突させる方法があります。外部から侵入してきた中性子が原子核に吸収されると、原子核は不安定な状態になり、最終的に分裂してしまいます。また、自然発生的に核分裂が起こる場合もあります。これは、不安定な状態の原子核が、自発的に分裂する現象です。いずれの場合も、分裂の結果として元の原子核よりも軽い原子核、すなわち「核分裂片」が生成されます。 核分裂の際に特筆すべき点は、膨大なエネルギーが放出されることです。これは、分裂前の原子核と分裂後の原子核の質量を比較すると、わずかに質量が減少していることに起因します。この質量の減少は、アインシュタインの有名な式「E=mc²」に従って、エネルギーに変換されます。このエネルギーは、熱や光として放出され、原子力発電など様々な分野で利用されています。

物質は温度が上がると、固体、液体、気体と姿を変えていきます。水を火にかけると100℃で沸騰が始まりますが、実は沸騰にも色々なタイプがあるのです。その中でも「核沸騰」は、原子力発電で重要な役割を担っています。 核沸騰とは、加熱面に小さな凹凸や傷があると、そこを起点として気泡が発生する現象のことです。この小さな起点を「発泡点」と呼びます。なぜ発泡点で気泡が発生するのかというと、水は平らな面よりも、凹凸がある面の方が、より低い温度で沸騰する性質があるからです。 発泡点から発生した気泡は、周りの水よりも温度が高くなっています。この熱い気泡が水面に上昇し、水蒸気へと変わることで、周りの水に熱を効率よく伝えていきます。原子力発電では、この核沸騰を利用して、核燃料から発生する熱を効率的に取り出し、水蒸気を発生させているのです。水蒸気の力でタービンを回し、電気を生み出すことができるのです。

原子力発電の心臓部である原子炉では、ウランなどの核燃料に中性子を衝突させて核分裂反応を起こし、莫大なエネルギーを取り出しています。この核分裂反応を引き起こす確率を表すのが、まさに「核反応断面積」と呼ばれるものです。 原子核は非常に小さく、その大きさは直径で10兆分の1センチメートル程度しかありません。一方、中性子もまた、原子核と同じくらい微小な粒子です。原子炉の中を飛び交う中性子は、まるで広大な宇宙空間を漂う小さな探 probes のようなものです。 この目に見えない極微の世界で、中性子が原子核に衝突する確率は、想像以上に低いものです。そこで、原子核と中性子の衝突のしやすさを表すために導入されたのが、「核反応断面積」という概念です。 核反応断面積は、原子核を平面的に捉えたときの面積で表され、単位は「バーン」を用います。1バーンは100億分の1平方センチメートルという非常に小さな面積ですが、原子核の世界では、この程度の面積でも衝突が起こる可能性を示す指標となります。 核反応断面積の値は、中性子のエネルギーや原子核の種類によって大きく変化します。そのため、原子炉の設計や運転においては、様々な条件下での核反応断面積を正確に把握することが重要となります。

物質は原子からできており、その中心には原子核が存在します。この原子核は陽子と中性子で構成されており、非常に小さな領域に膨大なエネルギーを秘めています。核反応とは、この原子核に中性子などの粒子を衝突させることで、原子核が分裂したり他の原子核と融合したりする現象を指します。 核反応には、主に核分裂反応と核融合反応の二つがあります。核分裂反応は、ウランやプルトニウムのような重い原子核に中性子を衝突させることで起こります。原子核に中性子が吸収されると、不安定な状態になり、二つ以上の軽い原子核に分裂します。このとき、莫大なエネルギーと共に新たな中性子が放出されます。この放出された中性子がさらに他の原子核に衝突することで連鎖的に核分裂反応が起き、膨大なエネルギーが連続的に発生します。これが原子力発電の原理です。 一方、核融合反応は、太陽のように非常に高温高圧な環境下で、軽い原子核同士が融合してより重い原子核になる反応です。例えば、水素原子核同士が融合してヘリウム原子核になる反応では、核分裂反応をはるかに上回る莫大なエネルギーが放出されます。核融合反応は、将来のエネルギー源として期待されています。