核融合炉の実験

必要な知識

原爆の原理

原子爆弾には核分裂を起こしやすい重く不安定な原子であるウラン235やプルトニウム239が用いられる。

砲身型原爆(ガンバレル型)

       (WIKIPEDIAより転載)

通常の爆発物でウランを爆縮させ超臨界状態にし超短時間連鎖核分裂を起こさせる原子爆弾である。広島型原爆ではウラン60[kg]の内の1[kg]が核分裂を起こしたと考えられている。原理は簡単であるが能率が非常に悪いのが欠点である。

爆縮型原爆(インプロージョン)

       (WIKIPEDIAより転載)

ウランかプルトニウムを真ん中に配置し、その周りに通常爆発物を配置する。周りの爆発物を極めて正確に同時に爆発させウラン(プルトニウム)を超臨界状態にさせ超短時間連鎖核分裂を起こさせる原子爆弾である。製造が難しいが核分裂能率が良いのが特徴である。

原子核物理の概要

原子は原子番号と同じ数の陽子から構成される。原子核は水素を除き陽子とほぼ同数の中性子で構成される。

水素と重水素とヘリウム

水素は一つの陽子と一つの電子から構成される。重水素は水素のである陽子に一つ中性子結合している。ヘリウムは陽子2個、中性子2個、電子2個で構成される。

つまり、重水素2個が結合すれば一つのヘリウムができる。また、水素とヘリウムの核子1個当たりのエネルギーはウランと金属の差と比較して10倍くらいであり、ウランの核分裂より重水素の核融合の方が桁違いのエネルギーが放出されることが理解できる。

原子核の安定条件

陽子のみ、または中性子のみでは一瞬でも安定して核のような集合構造物として存在できない。

核として安定するには陽子と中性子が交互に結合する構造で、概要として陽子と中性子は1:1くらいが安定する。正確には陽子の数に対して最も安定する中性子数が存在する。

水爆の原理

水素化リチウムと重水素化リチウム

組成式LiHで表されるリチウムと水素から成る無機化合物の固体である。

アルカリ金属の水素化物中で最も安定で、乾燥空気中では常温で分解しないが、光に当たると分解して黒くなる。空気中の水分とも反応する。融点は680℃である。

重水素化リチウムは水素を重水素に置き換えたものである。

水爆の構造

        「アメリカの水爆 Mark15 Mod3 の構造」の図

中性子が存在する重水素を使用しなければ、核融合は絶対に起こらない。

重水素の気体では密度が低すぎて核融合反応は起こらない。

液体重水素の水爆実験も成功例があるようだが極めて難しく、この方法は使用されない。

重水素化リチウムは半分はリチウムだが固体なので密度が高く、容易に核融合が起こる。この方法のみが現在は使用されている。

水爆の爆発原理

原爆による超高エネルギーの衝撃波により重水素化リチウムを八方より同時に爆縮し重水素に核融合反応を起こさせる。

この際、重水素とリチウム、リチウムとリチウムも核融合反応を起こす。その部分は重水素同士よりエネルギーは低いがそれでも固体の重水素を使用できる利点は大きい。

Mark15 Mod3 の構造図では原爆の隣に重水素化リチウムを配置しているだけだが、実際には重水素化リチウムが出来るだけ良く爆縮する為には金属壁の厚みや配置には高度な実験または計算による経験と知識が必要であろう。

電磁石

電磁石が作る磁場

ローレンツ力

磁場中の電荷に働く力
磁場と物質の運動方向に垂直に力が働く。

トカマク型核融合炉

Wikipedia トカマク型を見ても説明は物理学的にデタラメで理解ができないもので解説は不可能である。。

JT-60 核融合実験装置

JT-60SA 核融合実験装置 (建設中)