核分裂は重い原子核をより小さな原子核に分ける反応です。核融合は軽い原子核どうしを結びつけて、より重い原子核を作る反応です。どちらもエネルギーを放出することがありますが、それは生成物のほうが出発時の原子核よりも強く結びついている場合に限られます。
重要なのは、「分ける」「結びつける」という言葉そのものより、このエネルギー条件です。最終的な静止質量が小さくなれば、その差が放出エネルギーとして現れます。
ただし、これはあらゆる分裂反応や結合反応がエネルギーを放出するという意味ではありません。ウランのような非常に重い原子核は分裂によってエネルギーを放出でき、水素同位体のような非常に軽い原子核は融合によってエネルギーを放出できます。実用的な目安として、反応によって原子核が鉄・ニッケル付近の領域へ近づくと、1核子あたりの結合エネルギーが比較的大きいため、エネルギーが放出されやすくなります。
核分裂：重い原子核が分かれる反応
核分裂では、重い原子核が2つのより小さな原子核に分かれ、通常は自由中性子とガンマ線も放出されます。原子炉での代表例は、中性子を吸収したウラン235の核分裂です。
実用上の重要な特徴の1つが連鎖反応です。放出された中性子がさらに別の核分裂を引き起こすと、反応は自ら持続できます。原子炉では、この連鎖反応を制御された状態に保つことが設計上の目標になります。
核融合：軽い原子核が結びつく反応
核融合では、2つの軽い原子核が結合して、より重い原子核になります。地上でよく知られている例は、重水素や三重水素のような水素同位体の融合です。
核融合は開始して持続させるのが難しい反応です。というのも、正に帯電した原子核どうしは電気的に反発するからです。強い核力が支配的になるほど十分近づけるには、非常に高い温度と十分な閉じ込めが必要です。そのため、恒星では核融合が自然に起こりますが、地球上での制御された核融合は技術的に難しいのです。
核分裂と核融合の比較
| 項目 | 核分裂 | 核融合 |
|---|---|---|
| 基本的な反応 | 重い原子核が分裂する | 軽い原子核どうしが結合する |
| 代表的な燃料 | ウラン235、プルトニウム239 | 重水素や三重水素などの水素同位体 |
| エネルギーを放出できる理由 | 生成物が、より強く結びついた中質量の原子核へ近づくため | 生成物が、より強く結びついた原子核へ近づくため |
| 実用上の主な課題 | 連鎖反応を制御し、放射性生成物を管理すること | 正味のエネルギー利得に必要な極限条件を実現し、閉じ込めること |
| 主な利用状況 | 確立された原子力発電 | 実験段階のエネルギーシステムと研究 |
例で見る：1つの考え方で両方を説明できる
この2つの反応を比べるときに役立つのは、ひとまず工学的な問題を脇に置いて、結合エネルギーに注目することです。
たとえば、ウラン235のような非常に重い原子核を考えてみましょう。これが中性子を吸収して2つの中質量の原子核に分裂すると、生成物はもとの重い原子核よりも、ふつう1核子あたりでより強く結びついています。そのため、分裂後の全静止質量はわずかに小さくなり、その差が放出エネルギーとして現れます。
次に、重水素と三重水素のような非常に軽い2つの原子核が融合して、ヘリウム4と中性子になる場合を考えてみましょう。ここでも同じ考え方が成り立ちます。最終状態のほうがより強く結びついていれば、最終的な静止質量は小さくなり、エネルギーが放出されます。
どちらの場合も、論理は同じです。
- 反応前と反応後の原子核の結びつき方を比べる
- 生成物のほうがより強く結びついていれば、反応はエネルギーを放出できる
- 放出されるエネルギーは、質量差を で表したものに対応する
計算の考え方自体は同じです。違うのは、結合エネルギー曲線のどちら側から出発するかと、反応を起こすために必要な条件です。
核分裂と核融合についてのよくある誤解
核融合のほうが自動的に優れていると思うこと
核融合はよりクリーンだと語られることが多いですが、それは簡単で、安価で、今すぐ大規模送電網で使えるという意味ではありません。依然として大きな工学的課題です。
どんな原子核でも分裂や融合でエネルギーを取り出せると思うこと
それは正しくありません。エネルギーが放出されるかどうかは、関わる原子核と最終生成物によって決まります。反応によって全質量がより小さくなる、言い換えれば、より強く結びついた配置へ移る必要があります。
放射線と放射能を混同すること
核分裂系でも核融合系でも、高エネルギーの放射線が関わることがあります。しかし、それはすべての生成物が同じ種類や同じ持続時間の放射能をもつことを意味しません。廃棄物の性質は、具体的な反応や炉材料に大きく左右されます。
恒星を巨大な核分裂炉だと考えること
恒星が輝く主な理由は核分裂ではなく核融合です。恒星の巨大な重力が、中心部で核融合に必要な圧力と温度を生み出す助けになっています。
それぞれの反応はどこで使われているか
核分裂は、すでに原子力発電所での発電や、一部の特殊な推進システムで利用されています。安全性、燃料サイクル、コスト、廃棄物管理には大きな課題が残るものの、技術としては成熟しています。
核融合は恒星の中で自然に起こっており、地球上では実験的なエネルギーシステムの目標になっています。目指しているのは、プラズマを安定に保ちつつ、装置を実用的に運転しながら、システムが消費するより多くの有効エネルギーを生み出すことです。
違いを覚えるためのシンプルな考え方
原子核が重いなら、「分ける」と考え、その核分裂によってより安定な中質量の生成物へ近づけるかを考えます。原子核が非常に軽いなら、「結びつける」と考え、その核融合によってより強く結びついた状態へ近づけるかを考えます。
この考え方は、片方が「壊す」、もう片方が「結びつける」と暗記するより役に立ちます。なぜなら、両方の場合でなぜエネルギーが現れるのかまで説明できるからです。
似た問題にも挑戦してみよう
自分なりに、核エネルギーと化学エネルギーを比べてみましょう。どちらもエネルギー保存則には従いますが、核反応では原子核内部の結合が変化するため、エネルギーの規模がはるかに大きくなることがあります。さらに一歩進みたいなら、核反応に関する似た問題を調べて、生成物がより強く結びついた状態になっているかを確認してみてください。