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核融合反応

核融合反応とは、軽い原子核どうしが結合してより重い原子核を作り、その過程でエネルギーを放出する核反応です。太陽をはじめとする恒星のエネルギー源です。

水素のような軽い原子核 2 つがくっついてヘリウムのような重い原子核になると、反応の前後でほんのわずかに質量が減ります。この減った質量がアインシュタインの式 E=mc2E = mc^2 に従って莫大なエネルギーに変わります。これが核融合です。ウランのような重い原子核が割れてエネルギーを出す核分裂とは、ちょうど逆向きの反応です。

主要な核融合反応(学部レベル以上)

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地上の核融合で最も実現しやすいのは重水素(D)と三重水素(T、トリチウム)の反応です。

D+T4He (3.5 MeV)+n (14.1 MeV)\text{D} + \text{T} \rightarrow {}^4\text{He} \ (3.5 \text{ MeV}) + n \ (14.1 \text{ MeV})

エネルギーの 8 割を中性子が持ち去り、2 割をヘリウム原子核(アルファ粒子)が持ちます。ほかに次のような反応も研究されています。

D+D3He+n+3.27 MeV\text{D} + \text{D} \rightarrow {}^3\text{He} + n + 3.27 \text{ MeV} D+DT+p+4.03 MeV\text{D} + \text{D} \rightarrow \text{T} + p + 4.03 \text{ MeV} D+3He4He+p+18.3 MeV\text{D} + {}^3\text{He} \rightarrow {}^4\text{He} + p + 18.3 \text{ MeV}

D-T 反応が選ばれるのは、他の反応より 1 桁以上大きな反応率を、より低い温度で得られるからです。

原子核はどちらも正の電荷を持ち反発し合うため、反応させるには 1 億度以上の高温と、十分なプラズマ密度、十分なエネルギー閉じ込め時間が必要です。この条件は ローソン条件 としてまとめられています。