最終更新日: 2024 年 9 月 29 日

なぜ核融合にはこれほど多くのエネルギーを使う必要があるのでしょうか？

画像の説明: 核融合は、水素原子が融合してヘリウム原子を形成するなど、軽い原子核が結合してより重い原子核を形成するプロセスです。 2 つの重水素 (2H) 原子が 1 つのヘリウム原子に融合すると、約 24.7 MeV、または 3.952 × 10^-12 J、または約 1 ワットのエネルギーが 4 ピコ秒で放出されます。画像ソースGAO分析。

核融合

核融合は宇宙で最もエネルギーの高いプロセスの 1 つであり、星の中心部でエネルギーを生成する上で中心的な役割を果たしています。したがって、原子核の融合、つまり原子核が結合してより重い原子核を形成するには、微視的なスケールで作用する特定の基本的な力を克服するために膨大な量のエネルギーが必要です。原子核を融合させるために克服しなければならない力は何ですか?

強力な核力

強力な核力は、4 つの基本的な力の中で最も強力です。強い相互作用の範囲は約 10^-15 メートル、つまり核子の大きさ (約 1 フェムトメートル) です。この力は近距離では非常に強力であり、核内で核子を保持する役割を果たします。これは魅力的であり、陽子が互いに非常に接近している場合、陽子間の静電反発力を克服します。この力がなければ、陽子は正の電荷のために互いに反発し、原子核内で一緒にいることはできません。ただし、この力は実際には数フェムトメートルを超えると作用しません。

したがって、2 つの陽子をくっつけるには、陽子を互いに非常に近づける必要があります。陽子同士が十分に近づくと（約 1 フェムトメートルの距離）、強い核力が作用します。この力は引力であり、核内で核子 (陽子と中性子) を保持するように作用します。

注： :
強い相互作用は 1 に等しくなります (これが基準力です)。その結合定数は、電磁相互作用の約 100 倍、弱い相互作用の 100 万倍、重力の結合定数の 10^38 倍です。

クーロン力

クーロン力は、電荷 (電子、陽子、イオンなど) 間の相互作用を説明する自然界の基本的な力です。これは、正または負にかかわらず、電荷を帯びた物体にのみ適用されます。それは電磁気学の柱の 1 つを構成します。

陽子間には、陽子が正電荷を持っているため、反発静電力が遍在します。この力はより長い距離（強力な核力の数フェムトメートルをはるかに超えています）に作用し、いわゆる「核力」を生み出します。クーロン障壁。この障壁は、荷電原子核が低エネルギーで融合するのを妨げる主なエネルギー障害です。これは 10^−2 に相当します (強力な核力と比較して)。

したがって、2 つの原子核が互いに近づくと、それらの相互作用位置エネルギーはクーロン反発によって増加し、核融合を達成するために超える必要がある最大値を通過します。

要約すれば

正に帯電した陽子は、互いに向かって静電反発力を及ぼします。クーロン力。融合が起こるためには、この静電反発力に打ち勝つ必要があります。

そこには強力な核力非常に短い範囲、通常は 1 フェムトメートル程度で作用します。したがって、この力が作用するには原子核が非常に接近している必要があります。強力な核力が引き継いで核融合を可能にするのに十分なほど原子核を近づけるには、かなりのエネルギーが必要です。

これら 2 つの力に打ち勝つために、核融合は非常に高速で、必要な運動エネルギーを提供するために非常に高い温度を必要とします。このような状態は星の中心部で見られ、星の中心部では巨大な圧力がかかるため、温度は数千万度に達します。このような高温では、物質は次のような状態になります。プラズマ、電子が原子核から分離され、原子核自体への動きがより自由になります。

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