核分裂と核融合

概要

核分裂（nuclear fission）と核融合（nuclear fusion）は、原子核の変換を通じて膨大なエネルギーを取り出す二種類の核反応である。いずれもアインシュタインの質量エネルギー等価式 E = mc² が示す通り、わずかな質量の損失が莫大なエネルギーに転換される。

核分裂は1938年、オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンがウラン235の中性子照射によって核分裂を発見し、リーゼ・マイトナーが理論的に解釈したことで確立された。核融合の機構は1930年代にハンス・ベーテが太陽内部の反応として理論化した。

二つの反応は対称的だ。核分裂は重元素が割れる反応であり、核融合は軽元素が合わさる反応である。どちらも核力——電磁気力より強大な短距離力——の解放によってエネルギーが生まれる。

ウラン235やプルトニウム239などの重い原子核に中性子を一個衝突させると、核が不安定になり二つの原子核に分裂する。この際、複数の中性子（平均2〜3個）が放出される。

この放出された中性子が次の核分裂を引き起こす——これが連鎖反応（chain reaction）である。一定量の核燃料（臨界質量）を超えると反応は自己持続し、制御なしでは爆発的に増大する。1945年の広島・長崎への原爆投下はこの連鎖反応の軍事応用であった。

原子力発電所では制御棒によって中性子の数を調整し、反応速度を人工的に抑制する。発生した熱で蒸気を生み、タービンを回す——本質的には「核の火で湯を沸かす」装置である。

核分裂の課題は使用済み燃料の処理にある。ウラン分裂後に生成される放射性廃棄物の中には、数万年にわたって放射線を出し続けるものが含まれる。

核融合は水素の同位体——重水素（デューテリウム）と三重水素（トリチウム）——を極めて高温・高圧の状態に置き、原子核同士を融合させる反応である。太陽中心部では約1500万度、地球上の実験装置では1億度以上の温度が必要とされる。

融合によって生成されるヘリウム核の質量は、反応前の核の合計質量より約0.7%小さい。この質量差がエネルギーとして放出される。同量の燃料から得られるエネルギーは核分裂の3〜4倍に達し、かつ二酸化炭素を排出しない。

実用化の壁は「プラズマの閉じ込め」にある。1億度を超えるプラズマは通常の容器には触れられないため、強力な磁場で包む必要がある。トカマク型装置（フランスのITERプロジェクト等）やレーザー慣性閉じ込め方式がその手法として研究されている。

2022年12月、米国国立点火施設（NIF）が核融合反応で投入エネルギーを上回る出力（点火：ignition）を初めて達成した。商業炉の実現には工学的課題が残るが、概念実証は完了した段階にある。