🔨粒子を選んでくっつけてみよう
陽子・中性子・電子の数を決めて「合体させる」を押すと、原子ができるときに出るエネルギーがわかります。
+
陽子 (proton)電荷 +1 / 938.272 MeV/c²
2
0
中性子 (neutron)電荷 0 / 939.565 MeV/c²
2
−
電子 (electron)電荷 −1 / 0.511 MeV/c²
2
ヘリウム4（アルファ粒子）：宇宙で2番目に多い原子。核融合発電の「灰」でもあります。
⚖️質量のつじつま合わせ
バラバラのときより、くっついた後のほうが「軽い」。その差がエネルギーになります。
🧲どの力が仕事をした？
エネルギーの内訳を、担当した力ごとに分解します。
質量が何 % 減ったか
0%
0.75 %
1%（＝⁴Heがほぼ最大）
ここがポイント：核子1個あたりの結合エネルギー B/A が大きいほど「よく縮んだ＝安定」。
軽い核どうしをくっつけて B/A を増やすのが核融合、重い核を割って増やすのが核分裂です。
📏けた（単位）の感覚をつかむ
同じ「くっつける」でも、電子と核子ではエネルギーのけたが100万倍ちがいます。
電磁気力／eV の世界
13.6 eV
陽子 + 電子 → 水素原子。
化学反応もこのけた（数 eV）。
強い力／MeV の世界
2.22 MeV
陽子 + 中性子 → 重水素核。
水素原子の 約16万倍。
核融合／MeV の世界
17.6 MeV
D + T → ⁴He + n。
化学反応1回の 約440万倍。
答え：核融合は「MeV 単位」です。 化学反応（燃焼・電池）は eV 単位、原子の中の電子も eV 単位。
原子核の中の話になった瞬間に、単位が eV → MeV へ 100万倍ジャンプします。これが核エネルギーの正体です。
☀️核融合反応を選んで走らせる
カードをクリック → 下のステージで衝突アニメーションが動きます。Q値（発生エネルギー）はすべて実測質量から計算しています。
⚛️自然界の4つの力
核融合には「強い力」と「弱い力」の両方が登場します。まず全体像から。
| 力 | 相対的な強さ | 届く距離 | 伝える粒子 | 核融合での役割 |
|---|
強い力
strong |
1 |
約 1〜3 fm
(10⁻¹⁵ m) |
グルーオン
核子間は π中間子の交換 |
陽子と中性子を縛りつける。MeV 級のエネルギーの出どころそのもの。 |
電磁気力
electromagnetic |
1/137 ≈ 10⁻² |
無限
1/r² で弱まる |
光子 (γ) |
邪魔役。陽子どうしが反発してクーロン障壁をつくる。原子の電子を縛るのもこの力（eV 級）。 |
弱い力
weak |
約 10⁻⁶ |
約 0.0025 fm
(10⁻¹⁸ m) |
W, Z ボソン
重い（80〜91 GeV） |
陽子を中性子に変える。太陽の p+p 反応の第一歩。極端に遅いので太陽は何十億年も燃え続けられる。 |
重力
gravity |
約 10⁻³⁹ |
無限 |
（重力子？未発見） |
粒子1個ずつでは無視できるが、星をつぶして高温高圧をつくるのは重力。 |
なぜ弱い力は「弱い」のか？ 力を伝えるW粒子がとても重い（陽子の約86倍）から。
重い粒子は不確定性原理により一瞬しか存在できず、届く距離は ħ/(mWc) ≈ 0.0025 fm ＝ 陽子の直径の 1/400 しかありません。
だから「めったに起こらない反応」になります。
💪強い力：なぜ核はバラバラにならないのか
陽子どうしは電気的に反発しているのに、原子核はまとまっています。
約 1 fm より近づくと、強い力（引力）が電気的反発を一気に上回ってドスンと落ちこみます。
この井戸の深さこそが結合エネルギー＝ MeV 級のエネルギー源。
ただし 3 fm より遠いと強い力はほぼゼロなので、まず近づけないと始まりません。
🔬クォークで見ると
陽子も中性子も、実はクォーク3個の集まりです。
強い力はクォークどうしをグルーオンで縛る力。核子（陽子・中性子）の間に働く「核力」は、
そのはみ出した残りかすです（分子間力が電磁気力の残りかすなのと同じ）。
🌀弱い力：太陽が急いで燃え尽きない理由
陽子2個をぶつけても、そのままではくっつけません。1個を中性子に「作り変える」必要があります。
陽子2個（ジプロトン ²He）は存在できない。
パウリの排他律のせいで、同じ陽子2個は最も安定な状態に入れず、強い力だけでは束縛できません。
組み立てラボで「陽子2個だけ」を試すと確認できます。
そこで弱い力の出番。 陽子の中の u クォーク1個が W⁺ ボソンを放出して d クォークに変わり、
陽子 → 中性子になります。すると陽子＋中性子＝重水素核として結合でき、
0.42 MeV が解放されます（陽電子 e⁺ とニュートリノ ν も飛び出す）。
この一歩がとてつもなく遅い。 太陽の中心にいる陽子1個が p+p 反応を起こすまで、平均でおよそ90億年かかります。
弱い力がボトルネックになっているおかげで、太陽は爆発せずゆっくり燃え続け、地球に生命が育つ時間が生まれました。
逆に地上の核融合炉が p+p ではなく D–T 反応（強い力だけで進む）を使うのは、弱い力を待っていられないからです。
🚧クーロン障壁とトンネル効果
プラス同士は反発する。それでも核融合が起きるのは、量子力学が「壁抜け」を許すからです。
プラズマ温度
13
keV
＝ 1.5 億 K
0.3
☀ 太陽 1.35
ITER 13
200 keV
※ 対数目盛（1 keV ≒ 1160万 K）
青い線が粒子の持つエネルギー。古典物理なら山のてっぺんを越えないと合体できませんが、
量子力学では波としてしみ出して壁をすり抜ける（トンネル効果）。
だから山の 1/40 の高さのエネルギーしかなくても核融合は起こります。
🏔️ガモフピーク：ちょうどいい速さの粒子だけが反応する
遅い粒子は数が多いけど壁を抜けられない。速い粒子は抜けられるけどほとんどいない。その掛け算のピークで反応が起きます。
青：マクスウェル分布
そのエネルギーを持つ粒子が何個いるか。速いほど急激に減る。
赤：トンネル確率
壁を抜けられる確率。速いほど急激に増える。
黄：実際の反応
2つの掛け算。あたりが「おいしいところ」。
📈核子1個あたりの結合エネルギー B/A
この曲線が、核融合と核分裂の両方を1枚で説明します。点にマウスを乗せてみてください。
⬆ 山を登るとエネルギーが出る
B/A が増える方向の変化は必ず発熱。左から登るのが核融合、右から登るのが核分裂。
⛰ 頂上は ⁵⁶Fe / ⁶²Ni
B/A ≈ 8.8 MeV。ここより先は融合してもエネルギーが出ない。星の中心に鉄が溜まると超新星爆発へ。
✨ ⁴He が異様に高い
軽い核なのに B/A = 7.07 MeV と飛び抜けて安定（魔法数 2+2）。だから核融合の生成物はたいてい ⁴He。
⚖️反応1回で出るエネルギー
対数目盛です。1目盛で10倍。
🔋燃料 1 g あたりのエネルギー
同じ重さで比べると、核融合の桁ちがいぶりが見えます（完全に反応したときの理想値）。
重水素と三重水素を合わせて たった 1 g で、ガソリン約 7.4 トン 分。
一般家庭の消費電力に直すと、1 g で 約 26年分 の電気に相当します。
🌍核融合が「次世代エネルギー」と言われる理由
燃料重水素（海水に無尽蔵）＋
三重水素（リチウムから炉内生成）
CO₂発生しない
暴走事故原理的に起きない
条件が崩れた瞬間に反応が止まる
高レベル放射性廃棄物出ない
炉材の放射化はある（数十〜100年）
難しさ①1億度以上を保つ
難しさ②ローソン条件
n·T·τ ≳ 3×10²¹ keV·s/m³
難しさ③14 MeV 中性子に耐える材料
現状2022年 NIF が点火達成
ITER が 2030年代に運転予定
ローソン条件とは「密度 × 温度 × 閉じ込め時間」が一定値を超えると、
生まれた ⁴He（アルファ粒子）が持つ 3.5 MeV でプラズマが自分を加熱し続けられるようになる、という自己点火の条件です。
D–T 反応の 17.6 MeV のうち、電気を持つ ⁴He の分だけが磁場に捕まってプラズマに残り、
電気を持たない中性子の 14.1 MeV は外へ飛び出して発電（と三重水素の生成）に使われます。