面白いトリビア

核融合と核分裂の違いが簡単に説明できるようになる?

違うのは分かるけど、よく分かっていない言葉ってあると思います。

特に核分裂と核融合なんてよく分かっていないけど怖い印象がありますね。

 

でも、きちんと意味を理解すると変な迷信とか不安に騙されたりしなくなると思います。

なので今回は核分裂と核融合の違いについて書いていきます。

 

 

 

ちなみに原子力発電で行われているのが核分裂反応

 

太陽で行われているのが核融合反応になります。

 

 

 

 

 

 

恒星は核融合で輝いている。

宇宙には何兆何億の銀河があり、そのそれぞれに何千億もの太陽のように輝く恒星がある。

それだけの恒星が宇宙に存在している。

この恒星は核融合という反応によって輝いています。

 

 

 

太陽のような恒星が輝き続けられているのは核融合反応という反応が星の中心で起こっているから

宇宙を語る上で核融合反応というのは避けて通れないテーマになる。

 

 

 

原子について

核融合反応をより分かりやすくするために原子について解説していきます。

今、私達がいる世界をドンドン小さく拡大していくと最後に原子という物が見えてきます。

原子は世界構成する最小の物質です。

 

 

更に原子は、陽子と中性子という物で構成されていてその周りに電子がある。

陽子と中性子はペアになっており、これを原子核と言います。

 

 

原子は陽子の数によってその性質が大きく異なってくる。

陽子の数の違いによって別の名前がついている。

 

そして周期表の原子番号は陽子の数によって決まります。

 

現在のところ、原子番号1の水素から原子番号118のオガネソンまでの118種類が見つかっています。

 

原子と物質の関係について理解できたところで原子の安定について解説していきます。

 

核融合反応というのは水素のような軽い原子核でしか起きない

それは原子核が安定した状態を保とうとする性質があるためです。

 

 

では、安定とはどういう意味なのでしょうか?

 

ここではイメージしやすいようにたとえ話をします。

 

ダンボール箱にテニスボールを入れたものがあります。

 

それを両手で持ち上げて頭の上で保持していると考えてください。

ダンボールに山積み、箱からはみ出るくらいテニスボールを入れた場合はテニスボールがこぼれてしまい安定しづらい

逆にダンボールの中でテニスボールが転がるくらい少ないと安定しづらい

 

 

テニスボールが丁度いい感じで収まった方が安定する。

周期表だと鉄なんかは超安定している。

 

鉄が世の中の物質で一番、安定した物質になります。

 

元素周期表を見ると想像しやすいのですが

鉄よりも軽い元素番号の物質は安定した鉄を目指して核融合反応が起きる。

 

 

鉄よりも重い元素は核分裂反応を起こして安定した鉄を目指す

 

 

核力、クーロン力

核融合反応を起こすには原子内部の力っていうのが関わってくる。

核融合を起こすのに一番、有名な物質は水素です。

 

地球でも水など、水素が含まれた物質で溢れている。

ここで疑問なのは水素が含まれている物質が多いのに核融合が自然に起きないのか?

 

 

私達の暮らしている世界では原子の組み合わせが変化する化学反応しか起きない。

例えば塩酸と水酸化ナトリウムが反応して塩と水ができる反応も

原子の組み合わせが変わっただけで原子の種類や個数が変わったわけじゃない。

 

 

化学反応というのは例えるならパズルのピースを組み替えるような行為であり

元々の形が変わったりしないけど組み合わせによっていろいろな形になるみたいな感じです。

 

 

核融合反応というのはパズルのピースの形自体を変えてしまうようなものです。

凸の形を凹むに変えてしまうみたいなイメージですね。

 

 

日常ではこの核融合反応は絶対に起きない。

特別な条件が必要になる。

 

 

 

原子の構造に話を戻します。

原子の内部では様々な力が働いており、その中でも核融合反応に関係する力に原子核同士を引き合わせる【核力】

逆に引き離す【クーロン力(斥力)】がある。

 

 

核力とクーロン力を分かりやすく例えるなら棒磁石

 

棒磁石はS極とN極がありS極とS極を近づけても反発しあいます。

これを原子核内部でいうとクーロン力になります。

 

 

しかし、S極とS極の先端に接着剤がついています。

これを核力とします。

 

 

原子核というのはプラス(陽極)の電荷を帯びています。

原子核は陽子と中性子で構成されているのでプラスの電気を帯びています。

 

 

原子核同士は反発します。

しかし、ある一定の距離に近づくと核力が働いて原子核同士が融合します。

核融合反応を起こすにはクーロン力を突破して核力の領域までたどり着かないといけない

 

 

原子核は先程の棒磁石みたいに物理的にくっつける事は不可能。

原子核同士が融合する条件はどんなものになるのか?

 

 

 

臨界プラズマ

化学の授業でならったと思いますが物体の状態変化が鍵になります。

例えば水は温度が低くなると氷(個体)になり

100℃以上の熱を加えると水蒸気になります。

 

 

つまり、熱を加える事で物体はバラバラになりやすくなる。

 

気体よりも更に上の状態がある事を皆さんご存知でしょうか?

水蒸気を更に熱し続けるとプラズマと呼ばれる状態になります。

 

 

プラズマというのは分子同士の結合が切れる解離が起こり原子核と電子までがバラバラになる

電離が起こった状態の事です。

 

この状態になると原子核の周りにいた電子が離れるので核融合反応の邪魔にならなくなる。

プラズマ化させるには数千度の温度があればできますが

核融合反応させるには更に高い温度が必要になります。

 

 

温度が高くなるという事は原子核の動きも早くなる。

 

 

 

 

核融合が継続する条件

核融合反応が起きる条件と継続する条件について解説します。

継続させるには温度と密度と時間が必要になる。

 

 

温度を上げるだけではプラズマは拡散してしまいます。

激しく原子核が動いた結果がプラズマなので拡散してしまうと原子核同士がぶつからないため

プラズマを閉じ込める必要がある。

 

 

閉じ込めると密度があがり、原子核同士がぶつかりやすくなって核融合反応が起きやすくなる。

その状態をある程度、長い時間継続させる事によって核融合反応が起きる。

 

 

温度、密度、継続時間を高水準で与える事で、核融合で得られたエネルギーで、これまでに至った条件を補える連鎖的な反応が起こせるようになる。

核融合反応を継続させる事で核融合反応によって核融合反応が起きるみたいな連鎖的反応になる。

 

 

連鎖的に反応を起こせる条件を【臨界プラズマ条件】または提唱者の名前をとって【ローソン条件】と言います。

 

 

太陽が核融合反応している理由

恒星の中心核ではその質量により高温、高圧の過酷な環境が出来上がる事によって数百億年、数兆年も核融合反応が起こせる

太陽の中心角は1500万℃、2000億気圧という環境になっており

地球で日常生活を送る上では絶対に起こり得ない現象と言えますね。

 

 

核分裂反応とは

核分裂反応を簡単に説明すると、ある原子核があり、そこに中性子をぶつける。

そうすると原子核が分裂する。

 

元々の原子核を母核といい、分裂した中性子を娘核と言います。

母核から分裂した中性子も他の原子核にぶつかり分裂させます。

 

 

母核から娘核に分裂する時にエネルギーが放出される。

中性子がぶつかり分裂しまた分裂した中性子が別の原子核に連鎖的にぶつかる現象を臨界と言います。

 

 

不安定な物質である原子番号92番ウランに中性子をぶつける事で核分裂が起きて

クリプトンとバリウムと中性子3つに核分裂します。

核分裂した時に大きなエネルギーが起きる

 

 

まとめ

核分裂も核融合もより安定した鉄に近い物質になるための動きになる。

 

核融合は鉄よりも軽い原子核が鉄に近づく反応

核分裂は鉄よりも重い原子核が鉄に近づく反応。

 

 

核融合は超高温、超高圧の状態を継続させプラズマ状態を作り原子核同士がくっついていく反応

核分裂は不安定な物質に中性子をぶつける事で原子核が分裂し、その分裂する事によってエネルギーを取り出す

 

 

原子力発電では核分裂を起こして発電していて、核融合による発電は2021年の段階では研究中だそうです。

トリチウム(重水素)と海水を使った核融合発電の研究をしているっていうニュースを聞いたので核融合と核分裂について調べてみました。

 

地球の環境では臨海プラズマを発生させてそれを保って安定させる技術はまだないそうです。

 

 

ではでは(^ω^)ノシ

 

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