第21章核化学
Nuclear Fusion and Fusion Reactors核融合と核融合炉
The process of converting very light nuclei into heavier nuclei is also accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy, a process called fusion. The principal source of energy in the sun is a net fusion reaction in which four hydrogen nuclei fuse and produce one helium nucleus and two positrons. This is a net reaction of a more complicated series of events:
英語のヒント
非常に軽い原子核を、より重い原子核へ変える過程でも、質量が大量のエネルギーへ変わる。これを核融合という。太陽の主なエネルギー源は、水素原子核4個が融合し、ヘリウム原子核1個と陽電子2個を生じる正味の核融合反応である。次の式は、さらに複雑な一連の過程の正味の反応を表す。
A helium nucleus has a mass that is 0.7% less than that of four hydrogen nuclei; this lost mass is converted into energy during the fusion. This reaction produces about 3.6 1011 kJ of energy per mole of produced. This is somewhat larger than the energy produced by the nuclear fission of one mole of U-235 (1.8 1010 kJ), and over 3 million times larger than the energy produced by the (chemical) combustion of one mole of octane (5471 kJ).
ヘリウム原子核の質量は、水素原子核4個より0.7%小さい。この失われた質量が、核融合中にエネルギーへ変わる。この反応は、生成する 1 molあたり約3.6 1011 kJのエネルギーを生む。これはU-235 1 molの核分裂によるエネルギー(1.8 1010 kJ)よりやや大きく、オクタン1 molの化学的な燃焼によるエネルギー(5471 kJ)の300万倍以上である。
It has been determined that the nuclei of the heavy isotopes of hydrogen, a deuteron, and a triton, undergo fusion at extremely high temperatures (thermonuclear fusion). They form a helium nucleus and a neutron:
英語のヒント
水素の重い同位体の原子核、すなわち重陽子と三重陽子は、極めて高い温度で核融合することが分かっている(熱核融合)。次のように、ヘリウム原子核と中性子を生じる。
This change proceeds with a mass loss of 0.0188 amu, corresponding to the release of 1.69 109 kilojoules per mole of formed. The very high temperature is necessary to give the nuclei enough kinetic energy to overcome the very strong repulsive forces resulting from the positive charges on their nuclei so they can collide.
英語のヒント
この変化では0.0188 amuの質量が失われ、生成する 1 molあたり1.69 109 kJの放出に相当する。極めて高い温度が必要なのは、原子核の正電荷による非常に強い反発力を克服し、原子核どうしが衝突できるだけの運動エネルギーを与えるためである。
Useful fusion reactions require very high temperatures for their initiation—about 15,000,000 K or more. At these temperatures, all molecules dissociate into atoms, and the atoms ionize, forming plasma. These conditions occur in an extremely large number of locations throughout the universe—stars are powered by fusion. Humans have already figured out how to create temperatures high enough to achieve fusion on a large scale in thermonuclear weapons. A thermonuclear weapon such as a hydrogen bomb contains a nuclear fission bomb that, when exploded, gives off enough energy to produce the extremely high temperatures necessary for fusion to occur.
英語のヒント
有用な核融合反応を開始するには、約1500万K以上という非常に高い温度が必要である。この温度では、すべての分子が原子へ解離し、原子が電離してプラズマになる。このような条件は宇宙の非常に多くの場所にあり、恒星は核融合をエネルギー源としている。人間はすでに、熱核兵器で大規模な核融合を起こせるほど高い温度を作る方法を見いだした。水素爆弾などの熱核兵器は核分裂爆弾を含み、その爆発によるエネルギーで、核融合に必要な極めて高い温度を作る。
Another much more beneficial way to create fusion reactions is in a fusion reactor, a nuclear reactor in which fusion reactions of light nuclei are controlled. Because no solid materials are stable at such high temperatures, mechanical devices cannot contain the plasma in which fusion reactions occur. Two techniques to contain plasma at the density and temperature necessary for a fusion reaction are currently the focus of intensive research efforts: containment by a magnetic field and by the use of focused laser beams (Figure 21.23). A number of large projects are working to attain one of the biggest goals in science: getting hydrogen fuel to ignite and produce more energy than the amount supplied to achieve the extremely high temperatures and pressures that are required for fusion. At the time of this writing, there are no self-sustaining fusion reactors operating in the world, although small-scale controlled fusion reactions have been run for very brief periods.
英語のヒント
核融合反応を起こす、はるかに有益な別の方法は核融合炉である。これは軽い原子核の核融合反応を制御する原子炉である。そのような高温で安定な固体材料はないので、反応が起こるプラズマを機械的な装置で閉じ込めることはできない。核融合に必要な密度と温度でプラズマを閉じ込める方法として、磁場による閉じ込めと、集束したレーザー光による閉じ込めの2つが、現在盛んに研究されている(図21.23)。いくつもの大規模プロジェクトが、科学の最大級の目標の1つに取り組んでいる。水素燃料を点火し、核融合に必要な極めて高い温度・圧力を作るために供給した量を上回るエネルギーを生み出すことである。本書執筆時点では、世界に自ら持続して運転する核融合炉はないが、小規模で制御された核融合反応は、ごく短時間実施されている。
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Figure 21.23図 21.23
(a) This model is of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) reactor. Currently under construction in the south of France with an expected completion date of 2027, the ITER will be the world’s largest experimental Tokamak nuclear fusion reactor with a goal of achieving large-scale sustained energy production. (b) In 2012, the National Ignition Facility at Lawrence Livermore National Laboratory briefly produced over 500,000,000,000 watts (500 terawatts, or 500 TW) of peak power and delivered 1,850,000 joules (1.85 MJ) of energy, the largest laser energy ever produced and 1000 times the power usage of the entire United States in any given moment. Although lasting only a few billionths of a second, the 192 lasers attained the conditions needed for nuclear fusion ignition. This image shows the target prior to the laser shot. (credit a: modification of work by Stephan Mosel)
(a) 国際熱核融合実験炉(ITER)の模型。現在フランス南部で建設中で、2027年完成予定のITERは、大規模で持続的なエネルギー生産を目指す、世界最大の実験用トカマク型核融合炉となる。(b) 2012年、ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設は、一瞬ながら5000億ワット(500テラワット、500 TW)を超えるピーク出力を発生させ、185万ジュール(1.85 MJ)のエネルギーを供給した。これは過去最大のレーザーエネルギーで、出力は米国全体が任意の瞬間に使う電力の1000倍だった。持続時間は数十億分の1秒にすぎなかったが、192本のレーザーが、核融合点火に必要な条件を実現した。写真はレーザー照射前の標的である。(出典:aはStephan Moselの作品を改変)
Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ
It is possible to produce new atoms by bombarding other atoms with nuclei or high-speed particles. The products of these transmutation reactions can be stable or radioactive. A number of artificial elements, including technetium, astatine, and the transuranium elements, have been produced in this way.
原子に原子核や高速粒子を衝突させると、新しい原子を作ることができる。この核変換反応の生成物は、安定な場合も放射性の場合もある。テクネチウム、アスタチン、超ウラン元素など、多くの人工元素がこの方法で作られている。
Nuclear power as well as nuclear weapon detonations can be generated through fission (reactions in which a heavy nucleus is split into two or more lighter nuclei and several neutrons). Because the neutrons may induce additional fission reactions when they combine with other heavy nuclei, a chain reaction can result. Useful power is obtained if the fission process is carried out in a nuclear reactor. The conversion of light nuclei into heavier nuclei (fusion) also produces energy. At present, this energy has not been contained adequately and is too expensive to be feasible for commercial energy production.
英語のヒント
核分裂、すなわち重い原子核が2個以上の軽い原子核と数個の中性子へ分かれる反応は、原子力の利用にも核兵器の爆発にも使われる。中性子がほかの重い原子核と結び付いて、さらに核分裂を誘起するため、連鎖反応が起こりうる。原子炉内で核分裂を行えば、有用な動力が得られる。軽い原子核を、より重い原子核へ変える核融合も、エネルギーを生む。現在のところ、このエネルギーを十分に閉じ込められておらず、費用も高すぎるため、商業的なエネルギー生産は実現できていない。