核融合ってなに?(中学校授業書き起こし)

What is Fusion? (Talk in junior high school)


みなさん、こんちには。(こんにちは)

私は、国際核融合エネルギー研究センターというところで核融合の研究をしています。来週、みなさんが見学学習に来るということで、先生にお願いをして、その前に核融合ってなに?というお話をすることになりました。

核融合なんて、難しい話をするんだろうなあと思っていると思いますが、そうです、難しい話をします。あと、私たちの研究所は100%、日本とヨーロッパの国々からの予算でやっています。すべて政府からのお金で開発している最先端技術の国家機密です から、ノートをとらないように。また、配った資料は後で回収します。(どきっ)
・・というのは冗談です。(ほっ、笑)

日本政府やヨーロッパの国々からの予算でやっているのは本当ですが、そのお金はみなさんのお父さんやお母さんの払っている税金ですから、みなさんには、どんな研究をやっているのか知る権利があります。ですから、どんどんノートを取って、配った資料も持って帰ってください。

じゃ、はじめます。まず、核融合って聞いたことありますか(し〜ん)。核融合っていうのは、簡単にいうと、太陽や星でおこっている反応です。太陽や星は、ほとんど水素からできています。水素って習いましたよね(はい)。そうです、一番軽くて、火をつけるとぽんって燃える気体ですね。じゃ、太陽はその水素が燃えているのかというと、違います。もし、水素に火がついて燃えているとしたら、太陽は 1000 年もたたないうちに燃え尽きてしまうはずです。でも、太陽はこれまで50 億年輝いてきていますし、これからもあと50 億年くらい輝きつづけるはずです。どうして100 億年も輝き続けていられるのか。それは、核融合反応が起こって、莫大なエネルギーを出しているからなんです。

太陽で起こっている主な反応は、水素の原子核4個が融合して、ヘリウムの原子核になる反応です。さあ〜、難しくなりましたね。水素もヘリウムもわかりますね。でも、原子核ってはじめてですね。原子核ってなんでしょう?そのあたりから話を始めていきましょう。

みなさん、理科の第一分野で「物質のなりたち」を習いましたね。習ったばかり?(はい)その時に、物質の三態ってやりましたね。覚えてる?(はい)。そう、物質には、固体、液体、気体があります。氷が溶けて水になって、温度を上げると、蒸発がはじまって水蒸気という気体になります。

さあ、ここで問題です。じゃあ、気体の温度をもっと、もっと上げたらどうなるんでしょ。1万度、いや、もっともっと。たとえば、太陽の中心温度は1500 万度です。あとでお話しますが、私たちのやっている実験では5億度の温度になっています。そんな温度でも気体のままなのかな?(う〜ん・・プラズマという声あり)


それを理解するには、原子の構造を理解する必要があります。みなさんは、原子というのは物質の最小単位で、それ以上、分割できないと習ったと思います。でも、原子にも構造があります。それは、この図のように、中心に原子核というプラスの電気を もった核があって、その周りをマイナスの電気をもつ電子の雲が取り巻いているのです。

どんどん温度をあげていくと、この原子核と周りをまわっていた電子が、原子核と離れて、バラバラになって、てんでに飛び回るようになります。この状態をプラズマといいます。プラズマって聞いたことありますよね。プラズマディスプレイーとか、(プラズマクラスターの声)、そう、空気清浄機にプラズマクラスターってありますね。同じ意味です。


身の回りのプラズマってどんなものがあるのか見てみましょう。これは何かな?(蛍光灯!)そうですね。蛍光灯の中は実はプラズマ状態になっています。じゃ、これは?(オーロラ!)そう、オーロラは太陽からの粒子が地球の磁場につかまって、光る現象ですが、プラズマ状態になっているから光るんですね。じゃ、これは?(し〜ん)知ってる人いるかな(宇宙?)。これはね、オリオン座の馬頭星雲です(笑、わかんないよ〜)。

冬の南の空にでる、とても綺麗な星雲ですが、宇宙の星や星雲もプラズマ状態なんですね。

実は、宇宙の物質の99.9%以上は、プラズマ状態です。宇宙全体からみると、私たちの周りにある、固体とか、液体とか、 気体とかいうのは、とても特殊な状態なのです(ほ〜)

これで、最初の図が少し理解できるようになったと思います。太陽の中心温度は1500万度ですから、プラズマ状態になっています。水素の原子核と電子がばらばらになって飛び回っている状態です。原子の時には、電子の雲がじゃまになって原子核どおしは出会わないので核融合なんて起こりませんが、プラズマ状態であれば、原子核どおしが直接に猛スピードでぶつかることがあります。そうすると、核融合がおこって、より重い原子核であるヘリウムの原子核になるのです。その時にすごく大きなエネルギーが出るので、太陽は、あのように輝きつづけているんです。ですから、核融合をもっときちんと科学的に言うと、『軽い原子核が融合して、より重い原子核になる反応』と言うことができます。ここまでいいですか?(はい)


太陽では水素がヘリウムになる反応が主ですが、ヘリウムが核融合してもっと重い元素、炭素とか窒素とかになる反応も起こっています。太陽よりももっと重い星では、その炭素や窒素、酸素が核融合して、マグネシウムとかアルミニウムに、さらに核合して、鉄までの元素ができます。鉄は安定な原子核なので、それ以上は普通の状態ではできないのですが、重い星では、それらの重い原子核のために中心部の温度と圧力があがって、急激に核融合がすすみ、最後には、ぼっか〜んと大爆発をします。新星になるんですね。それが星の最後です。

その時のエネルギーで鉄よりも重い元素ができて、宇宙全体にばらまかれます。

実は、宇宙が約137 億年前に誕生したとき(ほ〜)、そう、宇宙の年齢ってだいたい分かっています。137 億年プラスマイナス1億年と考えられています。だいたい140 億年と覚えているといいです。宇宙ができた時、宇宙には水素とほんの少しのヘリウムしかありませんでした。宇宙ができて、星が輝きはじめて、その星の中の核融合反応でどんどん重い元素ができて、そしてその星が死ぬ時に、宇宙全体に元素をばらまいたのです。だから宇宙の元素は、すべて核融合でできたと言えます。私たちの体を作っている、炭素、窒素、酸素、みんな星の中の核融合でできたんですね。

よく、「お父ちゃんは死んでお星さまになっちゃんたんだよ」っていいますが、科学的には間違いで、「星が死んでお父ちゃんになった」というのが正しいのです(笑)。


さて、ここから急に難しくなりますよ。核融合ではものすごいエネルギーが発生します。どうしてか。それは、質量がエネルギーに変わるからです。核融合反応では、反応前よりも反応後の質量の方が、ほんの少し軽くなっています。アインシュタインの 相対性原理によれば、質量とエネルギーというのは等価で、ここに書いた式で表されます。

ほら、難しいでしょ。(笑)

みなさんは、化学反応で「質量保存の法則」というのを習ったと思います。反応前と反応後の質量は変わらないってやつです。実は、化学反応というのは、さきほどの原子の構造図でいうと、一番外側の電子をやりとりしているに過ぎないのです。さっきは、原子の構造をさらっと説明しましたが、例としてあげた図2この原子は何でしょう。

それは、電子の数を数えるとわかります。一番内側の軌道に2個、その外側の軌道に8個電子があって、そして一番外側の軌道に1個だけ電子がありますね。 全部で電子は11個。つまり、原子番号11の元素なのです。周期律表を思い出すと、11番目の元素が何かわかりますね。聞いてみましょう。11番目だから、出席番号11番の人(ざわざわ)。あっ、君ですね。わかりますか? (ナトリウム)そう、ナトリウムです。ナトリウムは実は、一番外側に1個だけ電子があるんです。ナトリウムはその1個の電子を離したくてしょうがない。だから、ナトリウムは化学的に活性なんです。このように一番外側に1個だけ電子がある元素はアルカリ金属っていって、すごく反応しやすい元素です。

逆に、その1個がない、原子番号10番目の元素、何でしょう?心配しないで、出席番号10番目の人に聞いたりしません(笑)。何かな?(ネオン)そう、ネオンです。ネオンは電子がちょうど8個で安定しているので、電子のやりとりをしない、だから化学的に活性でない、不活性ガスなんです。みなさんは、周期律表を習ったと思いますが、どうして順番に同じ性質がでてくるのか、不思議に思いませんでしたか。それは、電子の数が2個とか、8個ごとに安定になって、一番外側の電子軌道に電子が何個あるか、それが余っているか、足らないかということによるのです。

このように、化学反応は、単に一番外側の電子をやりとりしているに過ぎなくて、原子核とか他の電子は同じままです。だから、質量は保存されるのです。だけど、核融合は、原子核どうしがぶつかって融合して、他の原子核になる。その時に、質量が変わって、その質量が軽くなった分がエネルギーとして放出されるのです。

この核融合を地上で起こそう、地上にミニ太陽を作ろうというのが、私たちの研究です。核融合にはいろいろありますが、地上で核融合を起こす場合には、もっとも起こりやすい反応である、重水素と三重水素が融合してヘリウムになる反応を使います。重水素も三重水素も水素の仲間で、水素の原子核に余計に中性子がくっついたやつです。


核融合ではとても大きなエネルギーがでます。どのくらいのエネルギーがでるのかというと、1gの重水素と三重水素の燃料があれば、石油8トン分のエネルギーが出せます。

たとえば、ここに500cc のペットボトルがありますが、これは水ですからH2O ですね。水素が含まれています。この水素で太陽と同じように水素がヘリウムになる核融合を起こしたら、このペットボトル1本で、石油数千トン。つまり、石油タンク1杯分のエネルギーを出すことができるのです。(ほ〜)

これは、100 万kW 級の発電所を動かすのに、1年間、どのくらいの燃料がいるかという図です。石油や石炭だと、130 万トン。タンカーで何度も運ばないといけないし、廃棄物も百万トン以上出ます。でも、核融合だと、わずか160kg。私の体重より、少し重いくらいです(ざわざわ、笑)、いや、私もそんなに重くはないのですが、ちょっとだけ人より重いかな(笑)。


次の図、これはパス。次、いきます(あっ、ガンダムだ!どうして?)

あはは、鋭いですね。戻りましょう。実は、ガンダムは核融合で動いているということになっています。ガンダムって、全高17 メートル(18 メートルでは?)、あっ、18 メートルだったかな、ありがとう。

重さは40 トン、装備をつけて60 トンですよね。(うん)その巨体を動かし、何万kW とかの波動砲とか粒子ビーム砲を備えているのですから、もし、ガソリンで動いていたら、すぐに止まってしまいます。核融合だったら、160kg の燃料があれば、いつまででも動いていることができます。だから、核融合という設定なんですね。


ここで、核融合エネルギーの特長をまとめておきましょう。まず、安全性に優れているということがいえます。いまの原子力発電では、ウランの核分裂により、セシウムとか沃素とかストロンチウムといった放射能の強い核分裂生成物ができますが、核融合では、できるのは安全なヘリウムです。また、燃料供給を止めれば、というか、温度を上げて、やっとのことで核融合を起こしているので、何かあればすぐに止まります。

次に、環境に優しいといえます。発電する時に二酸化炭素などの温暖化ガスを出さない。あと、「場所を取らない」と書いていますが、これは、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーとの比較です。自然エネルギーもいいのですが、どうしても場所を取る。六ヶ所村のあたりでは風車を何百本と建てていますが、全部の発電量をあわせても、原子力発電所1基分の10%にも満たないのです。じゃあ、何千本も風車を建てるかというと、それは環境破壊になると思うのです。

そして、何と言っても、燃料が無尽蔵にあります。海水があれば、ほぼ無尽蔵の燃料を取れます。もし、核融合エネルギーが実現すれば、未来永劫、人類のエネルギーは大丈夫です。昔から、人類は資源やエネルギーを巡って戦争を繰り返してきました。世界中どこでも、海水からエネルギーを取り出すことができれば、戦争の大きな原因もなくなるのかなあと期待します。

水に覆われたこの地球で、人類は国際協力によって、この核融合エネルギーを実現しようと頑張っています。そのお話をこの授業の後半でしますが、その前に、どうやって核融合を起こそうとしているのか、ということを、ミニ実験で説明します。話を聞いているのも飽きてきたでしょ(笑)。机の上に実験装置をセットしますから、暗幕を閉じて教室を暗くしてください。(ざわざわ)

はい、セットできました。このガラス管、この中にプラズマを作ってみます。まず、ガラス管を真空に引きます。ポンプのスイッチオン。実際の核融合の実験装置も、真空容器というのがあって、その中を真空にします。そして、ごく少量の水素ガスを入れてプラズマを作るのです。

さあ、真空になりました。それでは、プラズマを作ってみます。どうするかというと放電によって作るのです。はい、放電のスイッチオン。プラズマがつきました。(わあ〜)

このプラズマは、プラスの原子核とマイナスの電子からできています。ですから、磁場をかけると、その磁力線に巻き付いて運動します。試しに、やってみましょう。ここに永久磁石があります。この磁石を近づけると、ほら、プラズマの形が変わりますね(ほお〜)。

ここには、コイルがあります。このコイルに電流を流して、磁場を作ってみましょう。ほら、プラズマの形が変わるのがわかりますね。この磁力線に巻き付くという性質を利用して、プラズマを閉じ込めるます。このミニ実験装置では、コイルは一部だけですが、このコイルをずっと並べて、それだけだと、端っこから逃げてしますので、ドーナツ状にしています。真空容器の真空を引いて、放電でプラズマをつけて、それをドーナツ状の磁場で閉じ込めて、そして、それを1億度以上に加熱しているんです。はい、明るくしてください。


実際の核融合装置を見てみましょう。これがそのモデル図です。ドーナツ状の真空容器があって、その周りにドーナツ状の磁場コイルが並んでいます。これが実際の核融合装置です。大きさがわかりますか?ここに人が立っています。(わあ〜)大きいで

これは、茨城県那珂市にある、JT−60という装置です。私はこの装置のプラズマの温度を上げる加熱装置を開発したのですが、この装置では、5.2 億度という温度を達成しています。この5.2 億度という温度は、ギネスブックに「人類が達 成した最高温度」として載っていますから、興味があったら見て下さい。日本の装置が世界最高です。(ほお〜)


さて、現在、核融合の研究は、国際協力のもとで行っています。その発端は、1985年の米ソ首脳会談です。みなさんは、冷戦って聞いたことありますか?(し〜ん)。

皆さんの生まれる前の歴史ですね。むかし、アメリカとソ連を中心に世界が二つにわかれて、実際に戦争はしないけど対立していた時代がありました。それを冷戦といいました。その冷戦が1980 年代後半に終了したのですが、その際に、この写真のアメリカのレーガン大統領とソ連のゴルバチョフ書記長が、人類のために共同で核融合実験炉、イーターと呼びますが、その開発をしようと話し合ったのです。

その後、設計や開発を行って、2006 年11 月には、日本、欧州、ロシア、アメリカ、中国、韓国、印度の7つの国と地域があつまって、イーターをつくる協定を結びました。イーターはフランスに作ることになったので、パリのエリゼ宮というところでこの調印式を開きました。この真ん中にいるのが当時のシラク大統領です。実は、私も、このあたりにいます。(わあ〜)

この調印式の後の立食パーティで食べたマカロンが美味しかった(笑)。私は青森県に来る前は、このイーターの政府間 協議という交渉をやっていたのです。本当は、日本の青森県にイーターを作りたくて、頑張って交渉していたのですが、結 局、シラク大統領の熱意が強くて、フランスになってしまったのです。

でも、日本では、やはり国際協力のもとで、イーターの次に実際に核融合で発電を行う、原型炉という装置の実現を目指して、そのための研究開発を行うことになりました。それが、こちら、2007 年2 月に東京で行われた調印式です。この署名を行っているのは、麻生元首相ですね。


この日本で行う研究開発の拠点として、青森県六ヶ所村に国際核融合エネルギー研究センターが作られたのが、5年前です。まず、整地をして、建物をたてて、そして3年前くらいからは、研究グループの研究者もやってきて、研究が始まっています。

これがみなさんが来週、見学学習に来る、国際核融合エネルギー研究センターの写真です。まず、この管理研究棟という建物に入ってから、隣の計算機棟を見学します。ここでは、スーパーコンピューターが動いています。日本第二位、世界でも有数の強力なスパコンです。そして、こちらの原型炉R&D棟という所で、原型炉をめざして行っているさまざまな研究を実際に体験してもらいます。


いろいろな装置があります。たとえば、この写真の装置は、透過型電子顕微鏡といって、倍率が1000 万倍くらいで、原子1個1個が見える顕微鏡です。あと、こちらの3台は表面電子顕微鏡です。100万倍くらいですが、ミクロの加工をしたり、分析をすることができます。

たとえば、この写真は、ホッチキスの針の上に、青森県の地図を書いてみた写真です。(わあ〜)

縮尺は、10 億分の1。たぶん、世界で一番小さな青森県の地図です。(笑)

ここに、そのホッチキスの針がありますが、目に見えない。本当はもっと小さな地図も書けるのですが、どこに書いたがわかるギリギリの大きさにしたつもりなのですが、見えない。老眼のせいかもしれないので(笑)、目のいい君たちに探してもらいましょう。どう、見えるかな。

来週、研究センターに来た時には、表面電子顕微鏡を使って、何か見て貰おうとおもっています。何か、見たいものありま すか?と、急に言われても分からないですよね。考えておいてください。

この写真は、いま、研究センターにいる私の仲間です。フランス、イタリア、ドイツ、スペイン、あとインドや韓国の人も います。全部で180 人くらいが働いていますが、いずれは、六ヶ所村に、核融合で発電を行う原型炉を作りたいと頑張っているところです。


さて、あと8分ほどありますね。じゃ、おさらいということで、配った資料の最後のページの問いに答えてください。各自、今日、聞いたことを思い出しながら、自分の言葉で書いてみてください。

最後の問い、いつ核融合って実現するの?というのは話していませんでしたね。だから、それは書かなくていいです。最後に説明します。

そろそろ、書けたかな。じゃ、答え合わせをします。第一問、第二問、第三問の答えはこれです。いいですか。

最後の問い、いつ核融合は実現するの?という答えは、「21世紀中頃。みなさんの子供達が大人になる頃」です。(え〜)そうです、すごく時間がかかります。核融合って、難しいし、お金もかかるし、時間もかかるのです。私の世代だけでできるかなと思っていたのですが、とてもできない。世界で協力して、世代を引き継いでいかないと実現しないくらい難しい。

でも、じゃあ、やる価値がないかというとそうではありません。もし、実現すれば、人類は究極のエネルギー源を手にすることになります。難しく、時間がかかるけれども、世代を引き継いでやる価値のある研究だと思います。

みなさんの中から、この研究を引き継いでくれる人が出るなら、すごく嬉しいですし、また、ここ青森県に世界で最初に核融合エネルギーを実用化する原型炉ができること、それを皆さんの子供達が目にすることができればいいなあと思っています。今日は、熱心に聴いてくれてありがとう。私の話はこれで終わりです。