1 グラムのウランの核分裂に相当するエネルギーを生成するために、どれくらいの量の石炭が燃やされるでしょうか?なぜこんなにも大きなエネルギーを持っているのでしょうか？

ウランの核分裂は物理反応であり、核分裂の質量損失をエネルギーに変換するプロセスであり、アインシュタインの質量エネルギー方程式の記述に厳密に準拠しています。石炭の燃焼は化学反応であり、物質が高温で酸素と結合して光と熱を放出する激しい酸化反応です。

したがって、これら 2 つのエネルギーは同じものではなく、大きさも同じではありません。

質量とエネルギーの方程式はアインシュタインの偉大な発見の一つです。簡単な式は E=MC^2 です。ここで、E は J (ジュール) 単位のエネルギー、M は kg (キログラム) 単位の質量、C は m (メートル) 単位の光速を表し、値は 300,000,000 m/s (秒) です。

ウラン 235 の核分裂プロセスでは、質量損失は約 0.09% です。つまり、1 グラムあたり約 0.9 mg の質量がエネルギーに変換されます。これはどれくらいのエネルギーですか?質量エネルギー方程式に従って計算されます：0.001*0.0009*300000000^2=81000000000J。つまり、この1グラムのウラン235がすべて核分裂を起こすと、発生するエネルギーは約810億ジュールになります。

石炭は主に炭素、水素、酸素、窒素、硫黄、リンなどの元素から構成される鉱物です。炭素、水素、酸素の合計は有機物の95%以上を占めます。場所によって石炭の純度が異なり、発生する熱も異なります。国は消費状況を統一的に算出・検討するため、各種石炭の発熱量を標準石炭統計に換算し、標準石炭1kgの発熱量を7000kcalと規定している。

1 kcal は約 4185.85 J なので、1 kg の石炭は約 29300950 J のエネルギーを生成でき、標準的な石炭 1 トンは燃焼後に 29300950000 J の熱を生成できます。このようにして、1 グラムのウラン 235 の完全な核分裂によって生成されるエネルギーは、2.76 トンの標準的な石炭の燃焼によって生成されるエネルギーとほぼ同等であると結論付けることができます。

ウラン 235 の核分裂質量損失はどのようにして得られるのでしょうか?

ウラン 235 の核分裂の反応式は、235U+1n=137Ba+97Kr+2n です。

この式は、ウラン 235 原子が低エネルギー中性子を吸収すると核分裂が起こり、バリウム 137 とクリプトン 97 の 2 つの原子が生成され、2 つの中性子が放出されることを示しています。これらの 2 つの中性子はそれぞれ 2 つのウラン 235 原子に吸収され、核分裂が起こり、各原子から 2 つの中性子が放出され、4 つのウラン 235 原子に吸収されます。この急速な連鎖反応は継続し、核分裂は指数関数的に増幅されるため、「連鎖反応」と呼ばれます。

この核分裂反応の両側で得られる陽子と中性子の総数は等しいのに、なぜ質量損失が起こり、莫大なエネルギーが発生するのでしょうか?この疑問に対する答えは、すでに 1925 年に与えられていました。イギリスの科学者アストンは、磁場偏向実験中にこの質量損失現象を発見しました。彼は質量分析計を使ってヘリウム原子核の質量を正確に測定し、原子核の全質量が原子核を構成する陽子と中性子の質量の合計に等しくないことを発見しました。質量損失は5.66*10^-26グラムでした。

さらに研究を進めると、これらの質量損失は、陽子と中性子を結合する物質である原子核内の結合エネルギーによるものであることが判明しました。それは「結合エネルギー」と呼ばれ、この結合エネルギーは一定の質量割合を占めます。原子核が破壊されると、この結合エネルギーは質量損失として放出されます。

1938年、科学者たちはウランの原子核に中性子を照射すると核分裂を起こすことを実験的に発見した。しかし、2つの破片の質量を合計すると、質量損失は核分裂前のウラン原子核の質量と「砲弾」として作用する中性子の質量の合計よりも小さくなりました。核分裂後のウラン235原子核の質量損失は3.57*10^-25グラムに達した。これは、核分裂の過程で結合エネルギーが質量の形で失われたためです。

1モル中の原子の数はおよそ6.02*10^23です。異なる原子のモル質量は異なります。ウラン 235 のモル質量は 235 グラムなので、ウラン 235 1 グラムあたり 2.56*10^21 個の原子が存在します。このようにして、ウラン 235 原子 1 個の重さは約 3.9*10-^22 グラムであり、各原子の質量損失は約 3.57*10^-25 グラムであると結論付けることができます。単純計算すると、質量損失率は約 0.00091538、つまり約 0.09% であることがわかります。

ウラン 235 原子 1 グラムあたり約 0.0009 グラム、つまり 0.9 ミリグラムが失われます。

核分裂と核融合では、質量とエネルギーの完全な変換は達成できません。

アインシュタインは、質量とエネルギーが等価であり、相互に変換できるという偉大な質量エネルギー方程式を発見しました。質量を完全にエネルギーに変換できるのであれば、非常に小さな質量でも膨大なエネルギーを放出することができます。この理論は自然のより深い法則を明らかにします。複雑な自然界に含まれる法則は実に単純なものであることがわかります。

この法則は人類にとってエネルギーの宝庫への扉を開く鍵となります。質量エネルギー変換率をさらに向上させることができれば、より多くのエネルギーを得ることができます。核分裂の過程で変換される質量は1000分の1以下ですが、それでも非常に驚くべきことです。 1グラムのウラン235が完全に核分裂すると、発生するエネルギーはTNT火薬19.36トンにほぼ相当します。そこで、人々はこの原理を利用して原子爆弾と原子力発電を発明したのです。

しかし、核爆発も民生用原子炉も、実際には 100% の核分裂質量エネルギー変換を達成することはできません。これはウラン235の純度が100%に達することができないためです。一般兵器に使用されるウラン235の純度は90％以上が求められるが、民生用原子力発電に使用されるウラン235の純度は5％に達しればよい。

核分裂の過程では、すべてのウラン原子の完全な核分裂を達成することも難しいため、上記のウラン235 1グラムから得られる核分裂エネルギーは理論値にすぎません。広島の原子爆弾「リトルボーイ」には、純度90%のウラン235が約45kg充填されていました。爆発の威力はTNT火薬換算で約13,000トンに相当した。簡単な計算で、これはウラン 235 約 0.7 kg の完全核分裂の質量エネルギー変換エネルギーにしか相当しないことがわかります。

それでも、核分裂の威力はすでに十分に大きいのです。核融合の質量エネルギー変換率は0.7％に達し、これは核分裂の6～7倍に相当します。これはさらに強力であり、人類がこれまでに習得した最大の質量エネルギー変換方法です。しかし、核融合と核分裂はどちらも質量のごく一部しかエネルギーに変換できません。将来、質量エネルギー変換のより効率的な方法が登場するでしょうか?

質量エネルギー変換によるエネルギー開発にはまだまだ長い道のりがある

理論的には、反物質の消滅によってのみ完全な質量変換のエネルギーを得ることができます。つまり、反物質の一部と物質の一部が衝突すると、それらは瞬時に消滅し、2 つのエネルギー部分に爆発します。このエネルギーはどれくらい大きいのでしょうか? 1グラムの反物質がどれだけのエネルギーを得られるかを簡単に計算してみましょう。

0.001*2*300000000^2=1.8*10^14J、つまり180兆ジュールとなり、核分裂の2,200倍以上、核融合の300倍以上、石炭燃焼の60億倍以上のエネルギーとなります。

これは質量エネルギー変換によって得られる最大の究極エネルギーとなります。しかし、反物質は極めて希少であり、保存が非常に難しいため、反物質エネルギーを得ることは非常に困難であり、現在のすべての試みは努力に見合うものではありません。

つまり、核融合における現在の最大エネルギー変換率 0.7% と反物質消滅における質量エネルギー変換率 100% の間には、まだ 99.3% という巨大な空白が残っていることになります。より大きな質量エネルギー変換エネルギーを得るために、他にどのような方法がありますか?より高い質量エネルギー変換率を持つ新しいエネルギー源を発見する次の人になってくれることを願っています。楽しみにしています。

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