核分裂は、非常に重い原子核がより小さな原子核に分かれる反応です。核融合は、軽い原子核どうしが結びついてより重い原子核になる反応です。どちらもエネルギーを放出しえますが、それは最終的な原子核のほうが出発時の原子核より強く結合している場合に限られます。
重要なのは「分裂する」「結びつく」という動詞そのものではありません。生成物の核子あたりの結合エネルギーが大きければ、全静止質量はわずかに減少し、その差が放出エネルギーとして現れます。
1つだけ覚えるなら、これです。反応は、原子核を核子あたりの結合エネルギーが比較的大きい鉄・ニッケル付近へ近づけるとき、エネルギーを放出しやすくなります。
核分裂とは何か
核分裂では、非常に重い原子核が2つのより小さな原子核に分かれ、しばしば自由中性子やガンマ線も放出されます。典型例は、ウラン原子核が中性子を吸収し、その結果として不安定になって分裂する場合です。
核分裂が起こりやすいのは、非常に重い原子核です。そうした原子核は、中くらいの質量数をもつ原子核へ変わることで、核子あたりでより強く結合した状態になり、系のエネルギーを下げられます。
物質によっては、放出された中性子がさらに別の核分裂を引き起こします。そのため 連鎖反応 が可能になりますが、それは中性子の収支と物理的な配置が適切な場合に限られます。
核融合とは何か
核融合では、2つの軽い原子核が結びついて、より重い原子核になります。恒星では、融合が主なエネルギー源です。地上での核融合研究では、軽い原子核どうしが十分近づき、強い核力が電気的反発を上回れる条件を作ることが目標になります。
核融合が起こりやすいのは、非常に軽い原子核です。そうした原子核が少し重い原子核へ結びつくと、生成物の核子あたりの結合エネルギーが大きくなり、反応によってエネルギーが放出されることがあります。
ただし、核融合は簡単に始まるわけではありません。正に帯電した原子核どうしは反発するため、核融合には通常、非常に高い温度と、有効な衝突が起こるだけの十分な閉じ込めが必要です。
なぜ両方でエネルギーが放出されるのか
結合エネルギーとは、原子核をひとつに保つことに関係するエネルギーです。核子あたりの結合エネルギーが大きいほど、一般にその原子核はより安定です。
核子あたりの結合エネルギーを質量数に対して描くと、軽い原子核では曲線は上昇し、鉄・ニッケル付近で広い極大をとり、その後、非常に重い原子核に向かってゆっくり下がっていきます。
この1本の曲線だけで、両方の過程を説明できます。
- 軽い原子核は、極大へ向かって 融合 することでエネルギーを放出できます。
- 非常に重い原子核は、極大へ向かって 分裂 することでエネルギーを放出できます。
極大付近の原子核は、分裂しても結びついてもあまり得をしません。だからこそ、すべての核反応がエネルギーを放出するわけではないのです。
例題：結合エネルギー曲線を使う
多くの特別な場合を暗記せずに、ある核反応がエネルギーを放出しそうか予測したいとします。使う問いは1つです。反応後の原子核は、核子あたりの結合エネルギー曲線の極大により近づいているでしょうか。
まず、ウランのような重い原子核を考えます。それが中くらいの質量数の原子核に分裂すると、生成物は元の原子核より鉄・ニッケル付近に近づきます。これは、最終的な原子核のほうが通常より強く結合していることを意味するので、全静止質量はわずかに小さくなり、エネルギーが放出されます。
次に、水素同位体のような非常に軽い2つの原子核と比べてみましょう。それらが融合して同じ極大により近い重い原子核になるなら、最終状態はやはりより強く結合しています。反応の見た目は違っても、論理は同じです。
したがって、エネルギーを判定する基準は両方で同じです。
これは、別々の規則に迷わずに核分裂と核融合を比較する最もすっきりした方法です。
実際の核分裂と核融合
核分裂は通常、非常に重い原子核から始まり、余分な中性子を生み出すことがあり、条件が整えば連鎖反応を維持できます。
核融合は通常、非常に軽い原子核から始まり、同じ意味で中性子駆動の連鎖反応に依存するわけではなく、静電気的反発を乗り越えるための極限的な条件を必要とします。
どちらも、典型的な化学反応と比べると、1回の反応あたり非常に大きなエネルギーを放出しえます。これは、核の結合エネルギーが化学で関わる結合エネルギーよりはるかに大きいからです。
核分裂と核融合についてのよくある誤解
分裂すれば必ずエネルギーが出ると思う
そうではありません。核分裂がエネルギー的に有利なのは、主に十分に重い原子核に対してです。すでに鉄・ニッケル付近にある原子核を分裂させても、一般には同じようにはエネルギーを放出しません。
結びつけば必ずエネルギーが出ると思う
そうではありません。核融合がエネルギーを放出するのは、主に軽い原子核が結合エネルギーの極大へ向かう場合です。その領域を大きく超えた原子核を融合させようとしても、無限にエネルギーが出続けるわけではありません。
質量が「消滅する」と言う
変化しているのは、系の中でのエネルギーの形です。生成物の静止質量が小さければ、その差は運動エネルギーや放射などの別のエネルギーとして現れます。全エネルギーは依然として保存されます。
核反応と化学反応を混同する
化学反応は電子配置や化学結合に関わります。核反応は原子核そのものに関わるので、エネルギーのスケールははるかに大きくなります。
核融合は自動的によりクリーンで簡単だと思う
核融合は核分裂炉のような核分裂生成物を同じ形では生みませんが、実際の核融合システムには依然として深刻な工学的課題があります。たとえば、中性子による損傷、燃料の取り扱い、閉じ込めなどです。
この考え方が使われる場面
核分裂は原子力発電炉で利用され、炉の設計、燃料サイクル、中性子制御の議論の中心になります。
核融合は恒星がエネルギーを生み出す仕組みを説明し、磁場閉じ込め方式や慣性閉じ込め方式を含む現代の核融合研究の基礎になっています。
この結合エネルギーの考え方は、核天体物理、質量欠損の計算、そしてなぜある原子核は安定で別の原子核は崩壊したり反応したりするのかという問いにも現れます。
似た問題に挑戦してみよう
まず1つの問いから、自分でも考えてみましょう。その反応は、核子あたりの結合エネルギー曲線上で原子核を鉄・ニッケル付近へ近づけるでしょうか、それとも遠ざけるでしょうか。この確認だけで、数値計算を始める前にエネルギー放出がありそうかどうかをたいてい判断できます。別の例も試したいなら、GPAI Solver を使って質量欠損や結合エネルギーの問題を段階的に解いていけます。