35億度でも、誰も気にしない……
37億度でも、誰も気にしない
2006年7月2日
去る6月19日、ある読者がAgoravoxフォーラムに次のような記事を投稿した。
20億度。人類は絶対的な火を発見したが、誰も気にしない！
この記事は300件以上の反応を呼んだ。ある読者からこのフォーラムの存在を教えてもらったため、私も参加した。そこで交わされた議論に興味のある読者は、アーカイブを参照されたい。
http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680
私は白紙のページの前で、何を書き、どのようなトーンを取り、どのレベルで論じるべきかを探っている。確かに、このような状況に直面すると、出来事――いや、むしろこの場合の「非出来事」――に圧倒されてしまう。
この話題に戻る前に、私のサイトで「Zマシン」とその発見について述べてきた内容を見てきた方々にお伝えしたい。6月25日頃、あるジャーナリストが訪ねてきた。彼は編集長に記事を提出すると述べて帰った。反応は即座かつシンプルだった。
「AFPやタス通信、あるいは他のどの通信社でも見ていない」
確かにそうだ。しかし、このニュースが流れてから3ヶ月が経過したが、世界中のメディアや通信社は反応を示していない。これは……驚くべきことであり、同時に……恐ろしいことでもある。
そこで、新規読者のために、この物語を最初から振り返ってみよう。
すべては2006年3月9日、Futura-Scienceサイトに掲載されたニュースから始まった。
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
この記事は実際、米国ニューメキシコ州にあるサンディア国立研究所の公式サイトから発表された非常に公式な告知に基づいていた。ご存じない方のために説明すると、サンディアは主に各種兵器プロジェクトに取り組む広大な研究所複合体である。理解を深めるために、米国では数十年にわたり、核兵器（およびその他）の開発において常に競わされている2つの研究所があることを挙げておこう。
- サンディア
- ロスアラモス（最初の原子爆弾は「メサ」で設計された）
米国ニューメキシコ州ロスアラモス研究所のサイト。最初の原子爆弾が設計された場所
物語の流れをたどり、時を遡ると、2006年3月8日付のサンディア研究所のこの告知に行き着く。
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html
該当する告知はこれだ：
英語の「Two billions degrees Kelvin」は「絶対温度20億度」を意味する
実際、この告知は、国際的に著名なプラズマ物理学者マルコム・ヘインズ（ロンドン・インペリアル・カレッジ）、サンディアのZマシン実験責任者ディーニー、および他の4人の研究者による衝撃的な論文の発表に続き、間もなく行われたもので、この論文は2006年2月24日付の権威ある学術誌『Physical Review Letters』に掲載された。上記の2つのリンクはメディア向けの告知を参照しているに過ぎない。鍵となる文書は引用された論文である。その重要性を考慮し、購入後、私のサイトでダウンロード可能にした。
その1ページ目はこれだ：
「Over 2 x 109 Kelvin」は「ケルビン温度20億度超」を意味する
論文の初回提出日が2005年5月13日であることに注目されたい。したがって、この論文はこの日付より前の実験結果を参照している。
これが実際に関心のある文書であり、私はこれを精査した。この分析は科学者（および科学ジャーナリスト）向けに行い、その前に一般向け要約を付けた。科学者や「科学志向」の読者はこの分析を参照されたい。しかし、本ページ、本特集は最も幅広い読者層を対象としている。科学者や「科学志向」でない方は、このリンクを飛ばしてほしい。
ヘインズとディーニーの論文に関する私の分析、2006年2月24日
本特集の主題である中性子を生成する核融合や「中性子なし」核融合、トカマク型装置（ITERなど）での核融合や「慣性閉じ込め」による核融合など、一般的な話題に戻る前に、言及された論文の本質的部分について少し触れておきたい。
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1998年以来、サンディア（およびロシア、中国、英国、フランスなど他の核保有国でも行われたが、これほど大規模な設備ではなかった）でプラズマ圧縮実験が行われてきた。目的は、電磁気力によって物質を圧縮し（後で詳しく説明する）、加熱してX線を放射させることであった。Zマシンおよび同種の装置は当初、核融合を目標として設計されたわけではなかった。それらは純粋に強力なX線源であり、100％軍用目的で、宇宙空間で爆発する原子爆弾から生じる強力なX線流に対する弾頭の耐性をテストすることが目的であった。原子爆弾は、この強力な放射線によってミサイルの精密な誘導システムや起爆装置を破壊する対ミサイル兵器の鍵となる要素である。1998年以来、サンディアで実施された実験では、イオンの温度が異常に高いはずだと示唆されていた。しかし、その温度は測定されていなかった。測定されていたのは、X線放射から推定される電子温度であった。イオン温度は推定されていた。その方法は後で見る。奇妙なことに、これらの実験では、電子温度よりもはるかに高い（100倍！）イオン温度が得られていた。「二温度」システムは……あなたのキッチンにもある。それは……ネオン管だ。ネオンイオン（電子を失ったネオン原子）は常温で冷たい。管に触れても火傷はしない。一方、電子は数千度ある（後で詳しく説明する）。サンディアの実験では、「イオンガス」が電子ガスよりもはるかに高温でなければ説明がつかない状況であった。
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2005年、Zマシンで働く研究者たちは、ヘインズ、ディーニーらによる論文に記載されているように、このイオン温度の直接測定を行うことができた。測定結果は、以前計算されていた値を確認した。タイトルが示す通り、この温度は「ケルビン温度20億度超」である。しかし、論文（および私が2つのレベルで行った分析）に深く入り込むと、測定中にこの温度は上昇し、実際には26.6億度から37.7億度に達していることがわかる。これらの測定は100％信頼できる（ドップラー効果によるスペクトル線の広がりを用いた温度測定は、物理学、特に天体物理学の古典的手法であり、アーティファクトは除外される）。
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副次的に、ヘインズとその同僚（彼は理論物理学者である）は、このようなイオン加熱を保証するメカニズムについて疑問を呈している。彼はMHD不安定性を挙げている。これらすべてについても後で詳しく取り上げる。
議論の内容は、大多数の読者や参加者にとって、核融合は水素の2つの同位体の混合、すなわち
重水素 + 三重水素 → ヘリウム + 中性子（エネルギー14 MeV：メガ電子ボルト）
に過ぎないことを示した。
例えばWikipediaの特集を参照されたい：
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
そこには核融合の模式図が1つしか見当たらない：
水素の2つの同位体、重水素と三重水素の1億度での核融合模式図
中性子が最も多くのエネルギーを運び去ることがわかる。生成されたヘリウム原子核の4倍だ。
読者はこれから、他の核融合の模式図を頭に刻み込む必要がある。
5億度以上で、リチウムと水素（軽水素）の核融合：
「中性子なし」リチウム - 水素核融合
10億度以上で、ホウ素と水素（軽水素）の核融合：
「中性子なし」ホウ素 - 水素核融合
「中性子なし」というのは、中性子がないからである。相対論的速度で放出されるこれらの中性子により、トカマク（ITERはトカマクである）での核融合は、周囲の構造を「活性化」して放射性物質を生成する。さらに、これらの中性子は「磁気閉じ込め」では止められない。物理的な障害物以外には何も止められない。ジョルジュ・ド・ジュンヌノーベル賞受賞者が指摘したように、これらの中性子は、閉じ込めを担う超伝導磁石の構造に対して極めて攻撃的であり、その磁石は莫大な費用がかかり、定期的に交換することはできない。
エネルギーは単純にヘリウム原子核、つまり普通のヘリウムによって運ばれる。放射性物質はどこにあるのか？ ない。「核廃棄物」はどこにあるのか？ 答え：ヘリウムだ。あなたは「中性子なし」核融合発電所の隣に住むことができる。もしヘリウムを煙突から排出すれば、このガスは上昇する。ヘリウムは軽いからだ。あるいは、風船を膨らませるために回収することもできる。安価だ。現在、ヘリウムは非常に高価だ。将来的には、ヘリウムで膨らませた風船型の車両を太陽エネルギーで推進することを想像できるかもしれない。あるいは、これらの航空機や車両が、小型化された「中性子なし」核融合発電機で動くことも考えられる。
読者が当然抱く疑問に答える必要がある。温度とは何か？
気体の絶対温度Tを定義しよう。これはその定義であることを明確にしておく。気体とは、質量mを持つ粒子の集合体である。これらの粒子はあらゆる方向に激しく運動している。この運動を熱運動と呼ぶ。あなたが呼吸している空気は、平均して秒速400メートルで動き回る分子から構成されている。これは平均値であり、より速い分子もあれば遅い分子もあるが、すべてが同じ速度で動いていると想像しても大きな誤差にはならない。なぜこれらの空気分子があなたの肺胞を引き裂かないのか？ それらは非常に質量が小さい物体だからだ。全速力で飛ぶ空気分子でも、ハエに害を与えることはないだろう。これでイメージできたか？
トカマク内での絶対温度は1億度である。水素原子核はほぼ秒速1000キロメートルで移動する。これは彼らの熱運動速度である。物理初学者向けに、右側の枠内を参照されたい：
すべての物理学者へ
気体における絶対温度の定義：
kはボルツマン定数と呼ばれる定数で、その値は
k = 1,38 × 10⁻²³
高度な物理学をやろう。水素原子、すなわち陽子の質量は：
m = 1,67 × 10⁻²⁷
キログラム
トカマクの中に入ろう。温度（機能している間は）：絶対温度1億度。内容物：
- 重水素。原子核の質量：3,34 × 10⁻²⁷ キログラム
- 三重水素。原子核の質量：5 × 10⁻²⁷ キログラム
半々。原子核の平均質量は4,17 × 10⁻²⁷ キログラム。
絶対温度1億ケルビンにおいて、これらの原子核の平均熱運動速度は：
分数、10の累乗、平方根。あなたはすでに物理の半分以上を自分の神経で理解できる範囲に持っている。現在、トカマクの中身は正の電荷を持つ原子核と負の電荷を持つ電子の混合物である。この媒質は衝突的である。つまり、イオンと電子は互いに多くのエネルギーを交換している。トカマクの中身は2つのガスの混合物と言える：
- イオンのガス。平均質量4,17 × 10⁻²⁷ キログラムの重水素原子核
- 「電子ガス」。質量0,9 × 10⁻³⁰ キログラムの粒子から構成される
衝突は熱力学的平衡状態を確立しようとする。つまり、媒質が異なる種の混合物である場合、すべてが同じ温度にある。同じ絶対温度、ここでは1億度である。しかし、電子温度、すなわち「電子ガス」の温度とは何か？ 同じように定義される。
ボルツマン定数は変わらない。「共存」する2つのガスが「熱力学的平衡」状態にある場合、温度は等しい。これは平均運動エネルギー（熱運動による）が等しいことを意味する。
電子はより軽いためより速いが、まだ相対論的領域には程遠い。
すべての物理学者へ
：
気体における絶対温度の定義：
kはボルツマン定数と呼ばれる定数で、その値は
k = 1,38 × 10⁻²³
高度な物理学をやろう。水素原子、すなわち陽子の質量は：
m = 1,67 × 10⁻²⁷
キログラム
トカマクの中に入ろう。温度（機能している間は）：絶対温度1億度。内容物：
- 重水素。原子核の質量：3,34 × 10⁻²⁷ キログラム
- 三重水素。原子核の質量：5 × 10⁻²⁷ キログラム
半々。原子核の平均質量は4,17 × 10⁻²⁷ キログラム。
絶対温度1億ケルビンにおいて、これらの原子核の平均熱運動速度は：
分数、10の累乗、平方根。あなたはすでに物理の半分以上を自分の神経で理解できる範囲に持っている。現在、トカマクの中身は正の電荷を持つ原子核と負の電荷を持つ電子の混合物である。この媒質は衝突的である。つまり、イオンと電子は互いに多くのエネルギーを交換している。トカマクの中身は2つのガスの混合物と言える：
- イオンのガス。平均質量4,17 × 10⁻²⁷ キログラムの重水素原子核
- 「電子ガス」。質量0,9 × 10⁻³⁰ キログラムの粒子から構成される
衝突は熱力学的平衡状態を確立しようとする。つまり、媒質が異なる種の混合物である場合、すべてが同じ温度にある。同じ絶対温度、ここでは1億度である。しかし、電子温度、すなわち「電子ガス」の温度とは何か？ 同じように定義される。
ボルツマン定数は変わらない。「共存」する2つのガスが「熱力学的平衡」状態にある場合、温度は等しい。これは平均運動エネルギー（熱運動による）が等しいことを意味する。
電子はより軽いためより速いが、まだ相対論的領域には程遠い。
気体媒質を高温にすることは、イオンの熱運動速度を高めることである。50万ケルビンのリチウムプラズマでは、リチウム原子核の熱運動速度は秒速1,330キロメートルである。10億度のホウ素プラズマでは、秒速1,516キロメートルである。
計算の詳細は枠内を参照：
50万ケルビンのリチウム
気体における絶対温度：
kはボルツマン定数と呼ばれる定数で、その値は
k = 1,38 × 10⁻²³
絶対温度Tにおける気体の熱運動速度：
- リチウム原子核の質量：核子（陽子と中性子）の質量の7倍、すなわち：
1,67 × 10⁻²⁷ キログラム = 1,17 × 10⁻²⁶ キログラム
これにより、熱運動速度は：
秒速1,330キロメートル
10億ケルビンのホウ素
絶対温度Tにおける気体の熱運動速度：
- リチウム原子核の質量：核子（陽子と中性子）の質量の11倍、すなわち：
1,67 × 10⁻²⁷ キログラム = 1,83 × 10⁻²⁶ キログラム
これにより、熱運動速度は：
秒速1,516キロメートル
もう少しはっきり見えませんか？
50万ケルビンのリチウム
：
気体における絶対温度：
kはボルツマン定数と呼ばれる定数で、その値は
k = 1,38 × 10⁻²³
絶対温度Tにおける気体の熱運動速度：
- リチウム原子核の質量：核子（陽子と中性子）の質量の7倍、すなわち：
7 × 1,67 × 10⁻²⁷ キログラム = 1,17 × 10⁻²⁶ キログラム
これにより、熱運動速度は：
秒速1,330キロメートル
10億ケルビンのホウ素
：
絶対温度Tにおける気体の熱運動速度：
- リチウム原子核の質量：核子（陽子と中性子）の質量の11倍、すなわち：
11 × 1,67 × 10⁻²⁷ キログラム = 1,83 × 10⁻²⁶ キログラム
これにより、熱運動速度は：
秒速1,516キロメートル
もう少しはっきり見えませんか？
しかし、これらの熱運動速度をどのように生み出すのか？ もし私がプラズマを内破させ、その内破速度がこれらの値に達すれば、この運動エネルギーは熱運動速度に変換される。単純な話だ。エネルギーは保存されなければならない。プロセス中に放射損失が多すぎなければ、これが実現する。
原子は互いに衝突する。衝突はこの運動エネルギーをあらゆる方向に再分配する。いずれにせよ、内破プロセスは媒質を加熱する。しかし、この温度は核融合が起こるのに十分な長さ維持されるのか？
「十分な長さ」とはどういう意味か？
良い質問だ。そしてこれは、核融合反応を生み出す条件について考えることにつながる。そこでローソン基準について話そう。これは、結局のところ非常にシンプルで直感的なことを指すには大げさな言葉だ。「卵を割らずにオムレツは作れない」と言うだろう。質量mの卵（卵の重さはわからないが、重要ではない）を割りたいと想像してほしい。卵が転がり、互いに衝突する容器があると想像しよう。2つの卵の衝突が破裂を引き起こすためには：
- これらの卵が実際に衝突すること
- 相対速度が殻を破るのに十分であること
卵の質量をMとしよう。誰かが（興味深い）実験を行い、オムレツの始まりを得るために衝突する2つの卵の速度がどの程度でなければならないかを決定するかもしれない。この速度をVと呼ぼう。この速度が卵の熱運動速度であれば、熱運動速度とみなすことができる。速度が不十分であれば、正面衝突でも殻は耐える。しかし、熱運動速度といえば温度だ。卵を原子核に、殻の破裂を核融合反応に置き換えよう。媒質の温度がある閾値を超えれば、核融合が起こる。重水素 - 三重水素混合物の場合、この最低温度は1億度である。実際、重水素と三重水素が核融合するためには、これらの原子核が「核融合反応」が起こるほど十分に接近する必要がある。接近を妨げているのは、両方とも正の電荷を持つため、静電気力によって反発し合うことである。
上記で見たように、水素原子核の温度1億度に対応するこの熱運動速度、すなわち衝突速度は、ほぼ秒速1000キロメートルであった。リチウムと水素を核融合させるためには、正の電荷を持つ陽子と3つの正の電荷を持つリチウム原子核を接近させる必要がある。なされる仕事はより大きい。したがって、核融合温度はより高くなる：5億度。そして、ホウ素原子核（5つの単位電荷）と陽子（通常の軽水素の原子核）の場合はなおさらだ。この温度は10億度である。
これらの核融合温度：1億度、5億度、10億度は非現実的に思えるかもしれないが、熱運動速度で考えると、より具体的になる：
秒速1000キロメートル、秒速1300キロメートル、秒速1500キロメートル
構成要素がこれらの熱運動速度に達することは必要条件だが、十分条件ではない。
熱運動速度は