太陽は燃えているか?


ここのところ、難しい話しが続いて疲れたので、ちょっと今回は簡単な話し(でもないか)をしてみよう。今回のインタラクティブ・サイエンス・コラムのテーマは「燃えるとは何か?」について。燃えるって何だろうか?

今回のタイトルは どこかで聞いたような感じではある。まあ、それはおいておいて、我々の周囲に燃えるものは多い。というより、燃えないものの方が少ないだろう。燃える、というのは酸化反応の一種に過ぎないから、燃えないものの方が少ないのは当然だ。だが、普通、我々が「燃える」と表現しているのは炎をあげて燃える場合である。ロウソク、焚火、紙、タバコ(ちょっと違うか)、全て炎をあげて燃えるものである。こういうものが普通我々が「燃えている」と表現するものだ。
だが、我々が「燃える」と表現するものの中には実際には燃焼とは関係ないものも多い。例えば、今話題の原子炉。「炉」という字を使っていることより解るように、専門家はいざしらず、我々門外漢にはやっぱり原子炉は「燃えている」ものなのだ。原子炉の「燃えた」あとの残りを「灰」というし、核兵器が爆発した後、空から降ってくるものは「死の灰」と呼ばれている。だが、実際には、何かが燃えているわけではない。
大体、原子炉の元になっている核反応をめぐる用語には誤解を招く物が多い。人間の体は強い放射能を浴びると細胞が崩れてしまう。その有り様が火傷に似ているので実際に放射能障害によって起きたその手の傷を火傷、と呼んでいる。原子炉が「燃焼」で、燃えカスが「灰」で、そばにいくと「火傷」をするとなると、これはもう原子炉の中でガンガン火が燃えていると言うイメージがあるかも知れないが、実のところ、全然、そうなってはいない。だから、まあ、「原子炉は本当は燃えているわけではない」と言われても納得できる。
だが、太陽になると、かなり話しは微妙になる。まず、宇宙空間で真空なのだから、酸素が燃えているわけは絶対無い。実際、太陽の中で起きているのは核融合反応だ。だから、「太陽が燃えている」というのは全然お話にならない大間違い、ということになる。しかし、実際に天体望遠鏡で太陽を眺めれば(まあ、僕も見たことはない。写真とかテレビで見ただけだが、まあ、構わないだろう。)「炎が上がっている」としか思えない。実際に、英語ではこれをflare(炎)と呼んでいる。
こう考えてくると、どうも、我々は「酸化反応かどうか」ということで「燃える」かどうかを判断しているのではなく、「炎があがっているかどうか」で燃える、燃えない、を区別しているような気がする。ところが、困ったことに「炎」ということに関しては科学は甚だ遅れている。太陽の炎も含めるように「炎」の定義を一般化するのは難しいことではないが、そういう一般化された「炎」の挙動は謎だらけで今一つよく解っていない。
古来、人間は炎とともに生きてきた。かつて、人類は炎を手にすることで、他の動物から峻別された。それは単に火を手にすることで、暖をとったり、他の動物を追い払うことができるようになったと言うのには留まらない。肉を調理することでより長生きでき、夜を無くして活動時間を長くし、更に、焼き畑で原野を耕地に変え、更に陶器や鉄器という道具の作成を通じて更に大きな飛躍をし、近くは産業革命で蒸気機関として人類に強大な力を与えた。昔、各界著明人に「人類最大の発明は何か」と聞く番組があった。文字、言葉、変わったところでは、車輪、というのがあったが「火」と答えた人はいただろうか。失念してしまった。が、「火」こそ人類最大の発明としてあげられてしかるべきだった。
その一方で、火は温暖化を通じて、放射性廃棄物やオゾン層の破壊以上の損害を地球環境に与えつつもある。かつて、人類に火を与えたプロメテウスは神によって罰せられたと言う。人類が生み出した最古にして最長の寿命を持つハイテク、火。来る新世紀に人類は火とどうやってつきあっていくんだろうか。それとも、「新エネルギー」の開発で「火」の使用を完全に停止することができるだろうか。


どこかで聞いたような感じ
言わずと知れた(?)名作(?)映画、「パリは燃えているか?」のパクリである。と言っても内容は全く覚えていない。連合軍に反撃されてフランス撤退を余儀なくされたドイツ軍はパリ引き上げ時にパリ全市を焦土と化す計画を立てた。それを阻止するレジスタンスか何かの映画だったと思う。「パリは燃えているか?」というセリフはドイツ軍のパリ撤退の報告を受けたヒトラーが吐いたセリフ、という設定だった。無論、本当のことは解らない。
原子炉は本当は燃えているわけではない・ 燃料棒は水に浸かっているわけではなくて
もし、原子炉の中を覗くことが出来たとして(まあ、そういうことは
不可能だが)見えるものは水の中に金属の棒が突っ込まれている状態、ただそれだけだろう。もっとも金属の棒は高温になり、熱せられて水は沸騰しているだろうけれども。この金属棒は「燃料棒」と呼ばれ、中にウランが含まれていて盛んに核分裂をして、熱を出しているが、別に「燃えている」という様子は全くない。 とは言っても、燃えていないからと言って温度が低いわけでは決してない。実際、暴走した原子炉はとてつもなく高温になり燃料棒を融かし更には原子炉自体を融かしてしまう。いわゆるメルトダウンである。
原子炉ほど過激な物ではないが、人類が原子力を作り出す前から自然界に「原子力」は存在し、メルトダウンを引き起こしつづけていた。地球の中心が融けているわけはこの「原子力」のおかげである。地中の岩石にはわずかだが自然に核分裂する元素が含まれている。この元素が核分裂する熱がわずかずつだが蓄積して徐々に高温になり、ついには岩石を融かした。つまり、メルトダウンである。地球の真ん中にはメルトダウンした岩石が詰まっているのだ。
不可能
原子炉の中で飛び交っている放射線の中でも一番、数が多いのは中性子である。クリーンと言われる核融合でも、人間が実現できそうな核融合では中性子がバンバン飛び出してくる。核融合、というのは文字通り「核」が融合するのだが、核は陽子と中性子でできている。核が合体したり分裂したりすると「余り」が出てしまうことがあり、この余りが中性子として飛び出してくるわけだ。
この中性子、遮るのが大変に難しい。何故か?中性子の中性は別に「中性洗剤」の中性を意味しているのではなくて、「電荷が中性」つまり、電気を帯びていない、という意味である。「だから何だって言うんだ?壁をおけばいいじゃないか」と思うかも知れないが、壁ってなんだろうか?壁だって原子でできているわけだ、細かく見れば。壁が物質を遮るのは壁を構成している原子と物質を構成している原子が反発し合うからだ。電荷を帯びていない中性子ではこの「反発力」がぐっと弱くなってしまい、壁を通り抜けるのが容易になってしまう。
その昔、「中性子爆弾」という爆弾が話題になったことがあるが、これは、核爆発のエネルギーは低く押えて、その代わり、中性子をたくさん作り出そうと言う爆弾だった。十分、勢いのある中性子なら戦車の厚い装甲もつらぬいて内部の人間を殺すことができる。この様な兵器は中性子の「遮りにくい」という性質を利用してこそ可能なのである。こんな何でも通り抜けてしまう中性子がバンバン飛び交っている中には人間はどうやっても入っていけない。厚い防護服(?)みたいな物を着ていけば大丈夫かも知れないが、中性子が通らないほど完全な防護服に外を覗く穴が空けられるかどうかちょっと疑問である。
人間の体は強い放射能を浴びると細胞が崩れてしまう
放射能を浴びる、と俗に言うが、本当は「放射能」というのは放射線を出す能力のことで、人体が浴びるのは放射能ではなくて「放射線」である。放射線は要するに非常にエネルギーの高いビームである。エネルギーの高いビームが物質にぶつかれば、原子レベルでの結合が壊れてしまう。「原子レベルの結合が壊れる」というのは要するに物質が変質することである。例えば、人間の体を構成している蛋白質とかが変質する。火傷、というのは高温によって人間の体を構成する蛋白質が変質してしまったことをいうのであり、変質するという点では放射線にやられるのも、熱にやられるのも似たようなものなので、同じ「火傷」という名前で呼ばれるようになってしまったのではなかろうか。そういえば、放射能の他にも強い酸などで皮膚が侵された場合も「火傷」といっているようだ。これも、薬品と皮膚が化学反応してタンパク質が変質したことによる傷害なので見ためが「火傷」に近くなるのだろう。いっそのこと、「火傷」という言葉はやめてしまって、「急性タンパク質変質傷」とでも名前を変えた方がいいかもしれない。 実際、放射線による生物への影響は結構無視できなくて、宇宙から飛んでくる放射線程度でも結構、アブナイ。我々が生きていけるのは、地球が宇宙からの放射線を遮る能力をもっているからで、そうでなければ生きていけない。そういう意味では、宇宙空間は真空だという問題が解決できても、地球上の生物がやすやすと生きていけるようなところではない。地球上で生物が発生したのも、地球がこのような「放射線」を遮る能力を獲得してからのことと思われている。(詳しくは1995年7月号のインタラクティブ・サイエンス・コラム「人類に未来はあるか?」を参照。)
酸化反応の一種
「酸化」なんていうと食品の真空パックに入っている「酸化防止剤」とかを思い浮かべるかもしれないが、「燃焼」というのは要するに、この世の物質が酸素と結び付くことである。水素と酸素が結び付くと水になり、炭素と酸素が結び付くと二酸化炭素になる。生物の体というのは、ほとんど、炭素と水素、つまり炭水化物から出来ているので大概の物は燃えるわけだ。この様な酸化反応のうちのある特定の部分を燃焼と呼んでいるわけだ。
酸化反応としては他に金属が錆びて行くのも酸化反応である。鉄の赤錆、黒錆、銅の緑青、なども全部酸化反応であり、広い意味では燃焼である。実際、細い鉄線などは、火をつけると燃えるので、昔の人は普通の燃焼と区別出来無かった様だ。
他に、人間も米やパン(=炭水化物)を摂取して、酸素を吸い込み、二酸化炭素を吐き出しているからこれも広い意味では燃焼である。
また、先頃、原子炉から漏れだして問題になったナトリウムは水と反応して「燃える」。これは酸化反応ではないが、空気中の水分と反応して高熱を発するので見た目は燃えたように見える。
ナトリウム
どうも、今回の事故の報道では、「ビデオを隠した」とか「『事故』を『事象』と言った」とかいうことばかり注目を浴びているようだが、もう少し、「ナトリウムが洩れたと言うことがどのくらい重大な事故であり、また、それがもとでどのくらいひどい事故へと発展するのか」という冷静な情報も伝達して欲しいものだ。同じ、ナトリウム洩れでも原子炉の中を直接流れているナトリウムなのか、原子炉の外を流れているナトリウムなのかで事故の重大さは全然違う。原子炉の外の方を流れているナトリウムが洩れてもすぐには原子炉の温度は上昇しないはずなので原子炉を停止する時間は十分あるはずだ。また、原子炉の中を流れていないから放射能の量もぐっと少ない。一方、原子炉の中を流れているナトリウムが洩れたのなら、これは原子炉の解体につながりかねない大事故だ。どうも、そういう報道はないから原子炉の外を流れているナトリウムが洩れたのではないかと言う気がする。動燃の体制を批判するのも大事だが、もう少し「カガク」てきな報道も増やして欲しいものだ。
プロメテウス
プロメテウスは巨人で、オリュンポスから火を盗み出し、人類に与えたとされているが、これが原因でゼウスにひどく罰っせられた。イァペトゥスの息子で、アトラスとエピメテウスの兄弟である。ギリシャ語で「プロメテウス」とは「先見の明」(洞察)を意味する。現在は、「プロメテウス」と言う名は土星の第三衛星(といってもわずか直径91キロメートルの氷の固まり)につけられている。また、先頃押井守によって映画化された「攻殻機動隊」の原作者、士郎正宗が1980年代に描いていた(とても解りにくいが乗りのいい)コミック「アップルシード」の各巻は全て「プロメテウスの○○」と付けられていたが、あれは何を暗示していたのだろうか?
原子炉
原子炉、は核兵器の原動力となっている原子力の平和利用、ということになっている。だから、イメージ的には「まず、核兵器があって、次にこれを平和利用した原子炉ができた」という感じがする。実際、僕もずっとそう思っていたが、実際にはそうではない。アメリカが核兵器を作り出すために「マンハッタン計画」を立ちあげて、全米の科学者を動員してまさに国家プロジェクトとして核兵器を作り出したのはよく知られた話しだが、この計画に先立ち、核分裂の連鎖反応が可能であることを実証するため簡単な原子炉がまず作られた。だから、「原子炉」の方が「核兵器」より先にあったわけだ。
また、そういう事実を知らなくても「核兵器の前に原子炉があった」のは知識がある人には自明のことだった。ヒロシマ、ナガサキに投下された核兵器は型が違っていて各々、リトルボーイ、ファットマンと呼ばれていた。このうち、リトルボーイと呼ばれた方は天然ウランを濃縮して作った原爆だが、ファットマンの方はプルトニウムという現実には存在しない元素を使って作られていた。この現実には存在しない元素、プルトニウムを作るのにはどうしても原子炉が必要である。だから、核兵器の前に原子炉があったに決まっているのだ。

プルトニウムを作るのにはどうしても原子炉
で、このプルトニムを作り出すのが目的なのが、事故を起こして話題を呼んだ、高速増殖炉、というものである。ただ、この高速増殖炉は、単にプルトニウムを作り出すのが目的ではなくて、発電もしながらプルトニムを作ろうと言うわけだから、結構むずかしい話しだ。例えば、高速増殖炉の中では、燃料棒は水に浸かっているわけではなくて液体ナトリウムという普通は使われない特殊な物質に浸かっている。当然、水よりも扱いは難しい。
核融合反応
インタラクティブ・サイエンス・コラムでいちいち説明するまでもないかもしれないが、普通の原子力では「核分裂」のエネルギーを使っている。これに対して、太陽を明るく高温に輝かせているのは「核融合」の力である。まあ、平たくいえば、核を「分裂」させてエネルギーを取り出すのが核分裂、核を「融合」させてエネルギーを取り出すのが核融合、というわけだ。(全然、説明になっていないか....)「核」とつくとそれだけで「アブナイ」という感じがするが、太陽の中で行なわれている「理想的な」核融合は非常に安全で
クリーンである。「核分裂」を使った原子炉では必ず、自ら放射線を出し、人体に害を及ぼす放射性物質を作り出してしまうが、「核融合」を使う太陽では最終生成物質がヘリウムなので人体に害を及ぼす放射線を出さないのである。
いわゆる「水爆」というものはこの核融合を使った「核融合爆弾」である。「でも、水爆だって放射能汚染とか問題になってるじゃないか」と思うかも知れないが、実は現実の水爆は純粋な「核融合爆弾」になりきれていないのだ。水爆の父、と呼ばれるテラーも何かの機会に「最初、研究を始めた時はクリーンな核兵器が作れると思っていた」と述懐している。
テラー
ハンガリー出身のアメリカ人物理学者。核分裂を用いた「原爆」を目的としたマンハッタン計画参加時から「水爆」を目指して研究していた先駆者。
「核融合爆弾」になりきれていない
核融合も核分裂も、爆弾として使うために一気に大量のエネルギーを放出させるには一気に高温高圧にもっていかなくてはならない。核分裂爆弾である「原爆」では、この高温高圧を実現するのに通常の爆薬(といってもTNTの様な高性能爆薬ですが)で足りた。これに対し、核融合を起こさせるにはもっと高温高圧が必要なために、通常爆弾では足りなくて、核分裂爆弾をつかわざる終えなかった。つまり、いわゆる、「水爆」は

真管 → 通常爆薬の発火 → 核分裂爆弾(原爆)の「発火」 → 核融合爆弾(水爆)の発火

という何重もの過程を経て爆弾として機能している。最新型の水爆では更にこのあとにもう一回「核分裂爆弾」の爆発を加えて、更に破壊力を増す工夫がなされているようだ。技術が進歩したら、「きれいな水爆」ができるのかも知れない。まあ、でも、威力がすご過ぎて、工事用のダイナマイトの代わりとかには使えないんだろうな、きっと。


最終生成物質がヘリウム
ヘリウムっていうのは、あの、飛行船とか気球に使われている「軽い」気体だ。あるいは、「吸い込んで喋ると声がトッポジージョになる」というので一時ブームになったスプレーの中身も酸素を添加したヘリウムである(酸素を添加しないと吸い込んだ時酸素不足で失神する)。
核融合、というからには反応の前と後では、反応のあとの方が重くなりそうなものだが、実際、その通りで、核融合してヘリウムになるのはヘリウムよりも軽い気体である。「気球に使われるような軽い気体より軽い気体なんてあるのか?」と思うかも知れないが、それは、だから、水素なわけである。水素もヘリウムも軽い気体だがどっちかというと水素の方が軽い。だから、昔の気球や飛行船にはヘリウムではなく水素を使っていた。ただ、水素は爆発したりして危ないので現在では反応性が全くなくて安全なヘリウムを水素の代わりに使っているわけだ。
ただ、このヘリウムも原子力のレベルから考えると安定ではなくて更に核融合して別の物質に変化していく。ウランやプルトニウムは「分裂」し、水素が「融合」するとなると他の元素はどうなるか?という疑問が当然生まれてくるが、最終的には鉄になってしまう。つまり、鉄より重い元素は分裂して軽くなって鉄になり、鉄より軽い元素は融合して鉄になる。原子力、という観点から見て、一番安定でもはやエネルギーを絶対取り出せない究極の「もえかす」、それが鉄なのである、
クリーン
クリーン、と言っても、最終生成物が放射能を持っていない、というだけで、反応の途中では結構放射線がバンバン出てくる。実際、人類に有害な宇宙放射線はほとんど太陽からやってくるのである。結局のところ、地球上に降り注いでいる有害な放射線は「太陽」という巨大な原子炉から放出される放射線がはるばる地球まで飛んできたものに他ならないのだ。地球上の生命はすべて(元をたどれば)太陽エネルギーから来ているのだから、太陽系とは巨大な原子炉、といってもおかしくはないわけだ。
「炎」の挙動は謎だらけ
炎、というのは見なれているから簡単そうに思えるが、結構、難しい問題である。まず、炎、というのは基本的に「炎で熱せられ空気が軽くなって上昇する」という働きなしでは維持できない現象である。なぜか。炎は酸素が無ければ消えてしまう。しかし、炎は激しく燃えているから、回りの酸素をあっと言う間に使い尽くしてしまう。にもかかわらず、消えないのはなぜか?というと、暖められた空気が軽くなって上昇することにより、酸素を奪われてしまった空気が追い出され、代わりに酸素を含んだフレッシュな空気が供給されるからである。嘘だと思うなら、大きな縦長のコップに火をつけたマッチを落してみよう。マッチが燃え切らない内に火が消えてしまう。これは回りをコップの壁に囲まれているために、新しい空気が入ってこれなくて酸素がなくなってしまうからだ。
当然の帰結として、重力が感じられないスペースシャトルの中では、ロウソクは燃えることが出来ない。炎で熱せられて空気が軽くなっても重さが感じられないのだから、軽くなったことには何の意味もなく、従って、上昇せず、よって、新しい空気が供給されないので火は消えてしまう。スペースシャトルの中でロウソクに火をつけたら、丸い「炎」がボワッと現れてそのあとすぐ消えてしまうだろう。火をともし続けるには、風を強制的に送ってやらなくてはならない。その代わり、うまく風を送れば「ま横に流れる炎」とかも作れると思う。横から空気を供給するように送風してやればいいわけだから。
現代の物理学ではこの「暖められて上昇する空気の運動」というのからして良く解っていない。炎になるとこれに更に「酸化反応」という化学反応が加わるので、話しはもっと難しくなる。だから、研究がなかなか進まない。
太陽の内部では酸素が燃えているわけではない。しかし、「燃焼」の様子は実はロウソクに良く似ていると考えられている。太陽の表面温度は6000度くらいと思われている。勿論、人間の基準からすればすごい高温であるが、原子力のレベルからすると温度が低過ぎて核融合はとても起きることができない。太陽の中の核融合は太陽の奥深く、中心で行なわれていると信じられている。中心は温度がもっとずっと高いわけだ。すると、中心近くの温度が高いところにあるガスは熱せられて軽くなって上昇し、表面に上がっていく。表面の温度の低い(相対的に!)ガスは重いので中心に向かって沈んでいく。この動きによって太陽の内部のガスは常にかき混ぜられて「フレッシュ」なガスが常に「炉心」である太陽の中心に運ばれる。ロウソクの時は「フレッシュ」な空気とは酸素を多く含んだ空気のことだったが、核融合では「燃える」のは酸素でなくて水素であるので、供給されるガスは水素を含んだガスである。太陽の中心では酸素が消費されて二酸化炭素ができる代わりに水素が消費されてヘリウムができている。そういう意味では、太陽というのは水素を燃やしている巨大なロウソク、と思うこともできるわけだ。実際には全然燃えていない「人工の」原子炉に比べて、「天然の」原子炉である、太陽は激しく燃えている。「太陽が燃えている」と思った昔の人々の考え方は必ずしも間違っていなかったわけだ。
「新エネルギー」
一部で熱狂的に受けている「ジャイアント・ロボ 〜ザ アニメーション〜」というオリジナル・ビデオ・アニメ(テレビ放映などされず、ビデオでのみ発表される)がある。その中の世界では「シズマドライブ」という究極の無公害エネルギーが開発されたと言う設定である。このシズマドライブ、アニメの中では透明なガラス管に液体が詰まったような電池のような形をしていて、これで全てのエネルギーを賄っていることになっている。それは構わないのだが、このアニメの中で「ライター」までシズマドライブ稼働に設定されているのには笑ってしまった。電池みたいなものならちゃんと「炎」が出てくるのだ。あれって、どういう設定になっているのだろうか。一度、聞いてみたいものだ。