核分裂と核融合：原子力の化学

1938年12月、二人のドイツ人化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンは、まったく筋の通らないことをやってのけた。彼らはウランに中性子を浴びせ続け、それをほんの少し重い元素へと押し上げようと期待していた。ところが、慎重な化学分析を重ねるうちに、繰り返し検出されたのはバリウム、ウランの質量の半分を少し上回る程度の元素だった。まるでボウリングの球を軽く叩いたら、それが二つのテニスボールに割れるのを目にしたようなものだった。ハーンは、当時すでにスウェーデンへ亡命していたかつての同僚リーゼ・マイトナーに手紙を書き、こんなことがどうしてあり得るのかと問いかけた。マイトナーは、甥のオットー・フリッシュとの冬の散歩の道すがらこの問題を考え抜くうちに、ウランの原子核が実際に二つに割れていたのだと気づいた。

フリッシュは、一つの細胞が二つに分かれる生物学の言葉を借りてきた。すなわち分裂（フィッション）である。このたった一つの観察によって、周期表の化学が原子核の物理学と衝突し、原子炉と原子爆弾の、そしてクリーンな核融合エネルギーという長年の夢の、現代の世界が動き出した。そのすべてを理解するために必要なのは、奇妙で美しい一つの考えだけだ。すなわち、原子の質量はその構成要素の合計とぴったり一致するわけではない、ということである。

消えてしまう質量

あらゆる原子核は、陽子と中性子の集まりであり、すべての正電荷を帯びた陽子どうしの激しい電気的反発に抗して、強い核力と呼ばれるものによって一つにまとめられている。それらを結びつけておくにはエネルギーがかかる、いやむしろ、それを放出する。ここが直感に反する部分だ。結合した原子核は、それを構成する陽子と中性子がばらばらに存在していた場合の重さよりも、わずかに軽くなる。その失われた質量こそ、有名な「質量欠損」である。

アルベルト・アインシュタインの方程式 E = mc の二乗は、それに何が起きたのかを教えてくれる。質量とエネルギーは同じものの二つの通貨であり、その為替レートである c の二乗は、光の速度がこれほど大きいために途方もない値になる。消え去ったごくわずかな質量が、莫大なエネルギーになるのだ。この取引で解き放たれるエネルギーが結合エネルギー、原子核を一つにまとめておく糊である。原子核を、ほんの少しでも余分に質量を捨てられるような形に組み替えると、その余剰エネルギーがあふれ出てくる。

これがあらゆる原子力の核心であり、また石炭を燃やすような化学反応に比べて、核反応が原子一個あたり数百万倍ものエネルギーを放出する理由でもある。化学反応は原子の外縁の郊外にある電子をやりくりするだけだが、核反応は中心にある密で高エネルギーの原子核そのものを組み替える。

すべてを説明する曲線

粒子一個あたりの結合エネルギーを原子核の大きさに対してグラフにすると、あらゆる科学の中でも最も重要なグラフの一つが得られる。それは最も軽い元素では急峻に立ち上がり、鉄とニッケル（おおよそ26番元素）のあたりで頂点に達し、その後ウランのような最も重い元素に向かってゆるやかに下っていく。

頂点こそが鍵である。鉄56は、あらゆる原子核が「転がり込みたい」と思うエネルギーの谷の底、最も安定した点の近くに位置している。このたった一本の曲線が、核エネルギーを取り出す二つの方法の両方を説明してくれる。

重い側から坂を下る場合： ウランのような非常に重い原子核を二つの中くらいの破片に割ると、その破片は鉄の頂点により近く、より強く結合し、合計として軽くなる。失われた質量がエネルギーになる。これが核分裂である。

軽い側から坂を下る場合： 水素のような非常に軽い二つの原子核を融合させて頂点により近い重い原子核にすると、やはり生成物はより強く結合し、やはり質量がエネルギーへと変わる。これが核融合である。

どちらの過程も、反対側の斜面から同じ頂上を目指して登っていく。鉄より先のものは、どちらの道によってもそれ以上のエネルギーを与えることができない。だからこそ鉄は、まさに本当の意味で、核の灰なのである。

核分裂：重量級を引き裂く

核分裂は実現しやすい技だ。だからこそ最初にやってきた。ある種の重い同位体、なかでもウラン235とプルトニウム239は「核分裂性」である。遅い中性子がウラン235の原子核に当たると、その原子核はつかの間不安定になり、引き伸ばされた水滴のように揺れ動き、二つの軽い原子核（バリウムとクリプトンなど）に割れ、加えてエネルギーの一撃と、決定的に重要なことだが、さらに二、三個の中性子を放出する。

その余分な中性子こそがすべてだ。一つひとつが別のウラン原子核に当たって、また別の分裂を引き起こし、それがさらに多くの中性子を放出し、というふうに続いていく。これが連鎖反応であり、それが穏やかに進むのか激しく進むのかが、発電所と爆弾を分けるすべての違いなのである。

天然のウランは99パーセント以上がウラン238で、これは連鎖反応をうまく持続させられず、核分裂性のウラン235は1パーセント未満しかない。これを利用するために、技術者はウランを「濃縮」し、ウラン235の割合を高める。原子炉の燃料は通常、ウラン235を3から5パーセント程度まで濃縮しており、これはゆっくりと制御された燃焼には十分な量だ。兵器に必要な核分裂性物質の含有率ははるかに高く、これが濃縮が国際的に非常に厳しく監視されている理由の一つである。

爆弾と発電所

核分裂爆弾と核分裂炉は同じ物理を共有しているが、目的は正反対だ。爆弾は連鎖反応をできるだけ速く暴走させたがるが、原子炉はそれを刃の上のように保ち、決して制御を失って加速することなく、安定した熱を放出させたがる。

爆弾： 兵器は、高濃縮されたウラン235かプルトニウム239の「臨界量」を、あまりに突然かつ密に組み上げるため、物質が自らを吹き飛ばしてしまう前に、ほんの一瞬のうちに連鎖反応が天文学的に増殖する。1945年8月に広島に投下された爆弾はウラン235を用い、その三日後に長崎に投下されたものはプルトニウム239を用いた。これらは戦争で実際に使用された唯一の二発の核兵器であり、それらが引き起こした人的惨禍の規模は、数万人が即座に命を奪われ、さらに多くの人々がその後に負傷と放射線によって亡くなったが、まさにそれゆえに、この技術はそれ以来きわめて重く受け止められてきたのである。

発電所： 原子炉は、爆弾のように爆発することが物理的にできない低濃縮の燃料を使う。二つの安全装置がそれを飼いならしている。ホウ素やカドミウムのような中性子を吸収する材料でできた制御棒が炉心に滑り込み、余分な中性子を吸い取って反応を遅らせる。減速材は、たいてい普通の水で、速い中性子をウラン235が最も容易に吸収するおだやかな速度まで減速させる。その熱が水を沸騰させて蒸気にし、蒸気がタービンを回し、タービンが発電機を駆動する。風変わりな炉心を取り去ってしまえば、原子力発電所はただ非常に洗練された方法で水を沸かしているだけなのである。

核分裂の大きな欠点はその廃棄物だ。割れた破片それ自体が放射性であり、その一部は何千年もの間、危険なほどにそうであり続ける。だからこそ長期的な保管は、いまだに真に、そしておおむね未解決の課題のままなのである。

核融合：星々の力

核融合は曲線を反対方向にたどる。そして自然は何十億年もの間、桁外れの規模でそれを行ってきた。太陽は核融合炉である。その中心では、水素の原子核が一段ずつヘリウムへと融合し、その過程で失われた質量が太陽を輝かせている。私たちの惑星の温かさ、天候、そしてそのほぼすべての生命は、究極的には1億5000万キロメートル彼方で起きている核融合によって支えられているのだ。

核融合の魅力は明らかだ。燃料である水素の同位体は水から取り出すことができ、事実上無尽蔵である。核分裂が出すような長寿命の放射性廃棄物を生み出さず、また条件がわずかでも崩れた瞬間に反応が止まるため、メルトダウンも暴走も起こり得ない。燃料の単位量あたりでは、核融合は核分裂よりもさらに多くのエネルギーを放出する。

ではなぜ私たちはすでにそれで動いていないのか。原子核を融合させるのが恐ろしく難しいからだ。あらゆる原子核は正電荷を帯びており、同じ電荷どうしは反発する。二つの水素の原子核を、強い核力がつかみ取れるほど近くまで無理やり寄せるには、この電気の壁を乗り越えなければならない。それはつまり、燃料をおよそ1億度まで、太陽の中心よりもはるかに高温に加熱するということだ。（太陽がそれより低温の中心で済んでいるのは、その押しつぶすような重力と途方もない大きさが差を埋めているからである。）その温度では物質はプラズマ、すなわちいかなる固体の容器も触れることのできない帯電した気体になる。科学者は、トカマクと呼ばれるドーナツ型の機械の中で、強力な磁場を使ってプラズマを一種の磁気の瓶の中に浮かべて保持している。

核融合という夢、そしてそれが遠ざかり続ける理由

核融合の決定的な課題は点火である。高温と閉じ込めを保つために注ぎ込む量よりも多くのエネルギーを反応から取り出すことだ。何十年もの間、これは手の届かないところにとどまり続け、実用的な核融合はいつも30年先だ、という古いジョークを生んだ。

ここ数年で、その状況は本当に変わってきた。2022年の終わり、カリフォルニアの国立点火施設の研究者たちは、磁石ではなく高出力レーザーの配列を用いて、燃料ペレットに届けられたレーザーのエネルギーよりも多くのエネルギーを放出した、初めての制御された核融合反応を報告した。それは画期的であり、本物だった。しかし、それが何を意味し、何を意味しないのかについては正直であることが大切だ。この節目が数えたのは燃料に届いたエネルギーだけで、レーザーが全体で消費したはるかに大きなエネルギーは含まれておらず、しかもそれは一瞬の短い閃光であって、電力網に供給する持続的で自律的に走り続ける反応ではなかった。

その一方で、フランス南部の国際的なITER計画、数十か国の連合によって建設されているトカマクは、持続的で大規模な磁気核融合の実証を目指している。それはこれまでに試みられた中でも最も野心的な工学的取り組みの一つであり、完成までにはまだ何年もかかる。これらのいずれかを、家庭に確実に電気を供給する原子炉に変えるには、さらに何十年もかかると広く見込まれている。物理はもはや疑いの余地がない。工学は依然として、本当に手強いままなのである。

まとめ

原子力は、その両方の形において、アインシュタインから借りてきた一つの優雅な考えに行き着く。原子核を組み替えてほんのひとかけらの質量を捨てさせれば、その質量が莫大なエネルギーの一撃として再び姿を現す、ということだ。鉄で頂点に達する結合エネルギー曲線は、その頂上へと至る二つの道を示している。核分裂は重い側から下っていき、私たちがすでに利用している連鎖反応の中でウランやプルトニウムを割る。それはただ水を沸かすだけの発電所では穏やかに、その使用が広島と長崎の上空で今なおこの技術の重みについての私たちの感覚を決定づけている兵器の中では破滅的に。核融合は軽い側から登っていき、まさに太陽を灯すその過程であり、ほぼ無尽蔵のクリーンな燃料を約束するが、あまりに極端な温度と閉じ込めを要求するため、私たちは実験室でようやくその正味のエネルギーの最初のかすかな揺らめきを引き出しつつあるところにすぎない。一方の過程は今日の働き手であり、もう一方は明日の夢のままだ。もはや不可能ではないが、それでも今のところは、まだ地平線のすぐ向こうにあるのである。