常温核融合

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常温核融合(じょうおんかくゆうごう、Cold Fusion)とは、室温で、水素原子の核融合反応が起きるとされる現象。もしくは、1989年にこれを観測したとする発表にまつわる社会現象。常温での水素原子の核融合反応は、きわめて低い頻度ながら、トンネル効果宇宙線に含まれるミューオンによって実際に起き、観測もできる科学的に証明された物理現象である。本項目では、そのような規模ではなく、常温で目視でき、実用的なエネルギー源として活用できうる規模で起きたと主張されていた核融合反応を扱っている。2011年現在、安価で高いエネルギーを発生し工業的に利用できるような常温核融合は成功していない。

概要

実験時の電解セルの概略図

1989年イギリスサウサンプトン大学マーティン・フライシュマン教授とアメリカユタ大学スタンレー・ポンズ教授が、この現象を発見したとマスコミに発表した[1]。この発表においてマーティン・フライシュマン教授とスタンレー・ポンズ教授は、重水を満たした試験管(ガラス容器)に、パラジウムプラチナの電極を入れ暫らく放置、電流を流したところ、電解熱以上の発熱(電極の金属が一部溶解したとも伝えられた)が得られ、核融合の際に生じたと思われるトリチウム中性子ガンマ線を検出したとしている。

しかし、1989年の発表直後より数多くの追試が試みられたものの、多くは過剰熱の確認ができず、過剰熱の観測に成功した実験でも再現性は低かった。核反応を示唆する若干のデータも得られたが、全体的に評価されるには至らなかった。そのため、多くの学会の権威者より全面的に否定されることとなった。

その後、注目度の低下に伴い研究は下火になるものの、国際常温核融合学会などを中心に約300人程度の研究者が世界中で研究を続けた。そうした研究者たちの地道な努力の継続により説得力のあるデータの蓄積も進み、主要な論文の一部は「Fusion Technology」、「JJAP」、「Physics Letter」、「J Electro-Anal. Chem」に査読論文として掲載されることとなった。しかし、一方で「Nature」、「Science」などでは、常温核融合関連の論文掲載を拒否している[2]

世界の常温核融合研究グループは、あくまでも学術的な究明を目的としている。しかし、そうした研究者たちの実状とは別に、研究者外の人々の間で、派手な動きや無理な反応モデルが発現したとする宣伝も、主にインターネット媒体によるやり取りを通じて広まっている。これらの中にはデータのつじつまが合わない不正確な情報も多い[3]

経緯

背景

現代の物理学理論では水素原子核融合反応を起こすには、極度の高温と高圧が必要であり、室温程度の温度で目視できるほどの核融合反応が起きるとは考えられていなかった。しかし前年に、絶対零度に近い低温でしか起きないとされていた超伝導が、それまでの理論の予言からは説明のつかない高温で起こるという高温超伝導現象が発見されて世界的なブームが起きていたことや、フライシュマンがイギリスの電気化学の大家であったことから、従来の物理理論以外での新しい現象が発見されたのではないかとみなされた。この現象はマスメディア主導で広がったため、簡易かつ安価な実用エネルギー源への期待が民間で高まった。しかし、発表者は学術専門誌に論文を書かなかった。

同時期に、同じユタ州のブリガムヤング大学のジョーンズ(S.Jones)が「Nature」誌に発表した中性子検出の報告も、多くの研究機関で再現実験が試みられたが、再現性はほとんどなかった[4]

追試結果と結末

このため多くの科学者が追試を行ない、様々な仮説も立てられ、これがマスメディア上にまで流布される騒ぎとなった。追試を行ったグループの一部はフライシュマンらと同等あるいはそれ以上の結果を得たと報告したことも、騒ぎに拍車をかけることになった。しかしながら、実施された追試の圧倒的多数では核融合反応や入力以上のエネルギー発生が観測できなかった事、追試に成功したと報告された条件でも現象が再現しない事、理論的にはありえない現象であることなどから、電気分解反応で生じた発熱量の測定を誤ったのではないかと考えられた[5]アメリカエネルギー省は同年秋に、「現象がおきたという根拠はない」とする常温核融合調査報告書を発表した[6]。また、当時の東京大学学長で原子核物理学者である有馬朗人が「もし常温核融合が真の科学的現象ならば坊主になる」と発言したとされた。

事件の背後には、別の観点からミューオン触媒核融合を研究していたブリガムヤング大学のジョーンズ教授との研究の先取権争いや、研究資金の獲得競争、化学者と物理学者の対立、マスコミの暴走、ユタ州とユタ大学の財政難を解消するための大学当局の政治的策謀など、様々な要因が挙げられている。発表当初は過剰熱を主張するフライシュマンらより中性子のデータを示したジョーンズの報告[7]を信頼する科学者が多かった。しかしジョーンズが後に自ら神岡鉱山内の背景中性子がほとんどない環境で実験したところ、中性子はほとんど観測されなかった[8]

マスメディアの報道が沈静化した1994年になって日本では通商産業省資源エネルギー庁が新水素エネルギー実証試験プロジェクト(NHE)をスタートさせた。これは常温核融合であるかどうかは別として、過剰熱があるならそれを利用しようという意図のもとに行われたプロジェクトである。約30億円が投入され1998年に終了したが、その最終報告は「過剰熱現象は確認出来なかった」「ヘテロ構造のPdからは統計上有意と考えられる中性子ならびに重陽子照射によるDD反応の異常増加が認められた。」というものであった[9]

2004年にアメリカエネルギー省による常温核融合の再評価が行われた[10]。その評価は1989年のものと基本的に変わっておらず「現象がおきたという根拠はない」というものであった。"supportive of the claim that excess energy is generated in the deuterium/palladium system" という過剰熱を支持する記述も見られる[11]

研究

概要

殆どの科学者は常温核融合を否定的に評価しているが、ごく一部の研究者により「固体内核反応」あるいは「凝集系核科学」として基礎研究が続けられている。しかしながら、「常温核融合が存在する」という論議とそれが「エネルギー源として活用できる」という論議とは別物である。前者は研究員によって、後者は主としてマスコミやインターネットを通じた個人によって語られている。上記の研究者は常温核融合が存在すると主張しその詳細の解明を目指しているが、一部のインターネットで流布されているような、すぐに実用化可能なほどの大きな過剰熱反応は、2012年時点での研究では確認されていない。これまでに実験的には以下のようなことが報告されている[12]

  • 検出される中性子量は一般の核融合で予想される量より7桁以上少ない。
  • γ線はほとんど検出されない。
  • 面心立方型および六方稠密型金属では起きるが体心立方型では起きない。
  • 反応生成物は主にHe(4)で、またPbまでのほとんどすべての元素が生成される(核変換)。生成された元素の同位体比率は天然のものとは異なっている。
  • 軽水でもNiなどとの組み合わせで現象が発生する。
  • 過剰熱現象の再現性は最大60%程度の実験系が、核変換では再現性100%の実験系が報告されている。
  • 過剰熱の発生量としては電極1平方センチあたり0.1 - 1W程度がもっとも多いが、まれに10Wや1,000W/ccといった報告もある。
  • 過剰熱の発生頻度と過剰熱の大きさをプロットすると両対数グラフ上でほぼ直線になって勾配は-1から-2の間となる。

これらの報告について常温核融合研究者間では非常に小規模な物理反応としての定性的再現性はあると主張されている。他方、多くの研究で現象は電極表面付近で起こっていることが示されており、現象の発生には試料表面付近のナノ構造が関与しているものとみられている。これらの結果は現代の物理学では説明のつかないものであり、実験と並行してこれらの結果を説明するための理論面の研究も続けられている。ただし、様々な理論が提案されているものの、現時点ではすべての現象を説明可能な理論は未だ確立されていない。

主な研究事例

北海道大学水野忠彦、大森唯義は、1996年に、常温核融合の正体は原子核が他の原子核に変化する「核変換」現象だったという、当初考えられていた常温核融合に対する解釈とはまったく異なる内容の論文を発表している [13]。 これは反応により電極の表面にB,Si,K,Ca,Ti,Cr,Zn,Br,Pbなどの多くの元素が生成され、その同位体比率が天然のものと異なるというものである。これをフランスの研究者が再現テストを行い、その結果をインターネットで公開している [14]。 同様な核変換事例はアメリカイリノイ大学のジョージ・マイリー[15] など多くから報告されている。

三菱重工岩村康弘は、2001年にパラジウム、酸化カルシウムの多層基板上にセシウムをつけて重水素ガスを透過させセシウムからプラセオジムへの核変換が生じたと発表した [16]。 同様にストロンチウムからモリブデンへの核変換も報告した。この実験系の再現性は100%と言われ多くの追試がなされており、大阪大学 [17]静岡大学、イタリアINFN(核物理研) [18] で再現実験に成功したと報告されている。

荒田吉明大阪大学名誉教授)[19]は、特殊加工されたパラジウムの格子状超微細金属粒子内に、重水素ガスを取り込ませることで凝集し、これにレーザーを照射することで、通常の空気中の10万倍のヘリウムの発生を観測した[20]。この現象の発見は、2002年12月7日の毎日新聞毎日新聞電子版、大阪読売新聞などで報じられた。この方式は荒田方式と呼ばれ、多くの追試がなされており、2007年の第13回国際常温核融合会議においてフランス・マルセイユ大学、イタリア・フラスカチ大学、ロシア・ノボシビルスク大学トムスク大学から荒田方式による過剰熱発生の報告があった。

イスラエルのエナジェティクステクノロジー、アメリカスタンフォード大学・リサーチ・インスティテュート(SRIインターナショナル)、イタリアENEAの合同チームは表面処理をしたパラジウム電極を用いた重水電気分解でスーパーウエーブと呼ばれる波形の電圧入力や超音波照射などを組み合わせることにより入力の10倍以上の過剰熱を2007年時点で再現性60%で発生させたと発表している。最大の例では平均0.74ワットの入力時に平均20ワットの熱出力が17時間継続したと報告している[21][22]

2007年にマサチューセッツ工科大学(MIT)で行われた常温核融合国際会議で発表された試算では、世界中で3,000件の論文で追試されているといわれる[23]。多くの研究で再現されてはいるものの、結果にばらつきがあることが問題視されている[24]

2008年5月22日、上述の荒田吉明大阪大学名誉教授により大阪大学で公開実験が行われ、5月23日の日経産業新聞および日刊工業新聞で報道された。新聞報道によれば、レーザー、電気、熱等を使わずに、酸化ジルコニウムパラジウム合金の格子状超微細金属粒子内に重水素ガスを吹き込むことだけで、大気中の10万倍のヘリウムと30kJの熱が検出されたものである(日経産業新聞)。生成されたヘリウムは一度金属内に取り込まれると数百度の熱を加えないと放出されないためサンプル再生が課題となるとしている(日刊工業新聞)。同内容の論文は高温学会誌Vol34「固体核融合実用炉の達成」で発表されている。しかし、論文のタイトルにあるような原子炉が工業的使用に耐える有用なエネルギー源として稼動したという意味ではない。

2008年6月11日には、北海道大学大学院で水野忠彦が水素と炭素を加熱することで、自然界には1%程度しか存在しない炭素13が大量に発生し、窒素と過剰熱を検出したと北海道新聞に報道された[25]。大阪大学の時と違って、パラジウムや重水素が関わってこない。その代わり、フェナントレンを使用している。30回の実験すべてで過剰熱を確認していることから、再現性が非常に高いことが分かると主張している。

アメリカでは、DARPA国防高等研究計画局)が、「Fundamentals of Nanoscale and Emergent Effects and Engineered Devices」[26]という名称で、常温核融合関係の研究に3年間で338万9500ドル(2011年度:167万4500ドル、2012年度:116万5000ドル、2013年度:55万ドル)の予算を計上している。

中国でも、「充氘(氢)凝聚相异常现象的实验和理论探索,国家自然科学基金委“委主任基金”-重大非共识项目,主持,2011.12-2014.11 」[27][28]の名称で研究プロジェクトが行われている。

主な理論検討

  • 高橋亮人 正四面体凝縮(TSC)理論[29]
  • 小島英夫 TNCF(Trapped Neutron Catalyzed Fusion 捕獲中性子触媒機構)モデル[30]
  • 松本高明 ナットーモデル[31]

研究の評価

常温核融合研究者は上記のうち主な報告については少なくとも微小物理現象としての定性的な再現性はあると考えている。他方、批判的な意見として次のようなものがある。

  • このような実験結果は現代物理学の常識的な理論とあまりにもかけ離れている。新しい理論も構築されていない。
  • 中性子やγ線が予想よりも少ない、もしくは検出されないことは核反応がないことの有力な証拠である。
  • 過剰熱や生成物の実験結果が材料の汚染、測定の間違い、あるいは結果の解釈の間違いであった事例が多く存在する。
  • 特許取得等の動機から結果の検証に必要なデータを充分に公開しない、あるいは秘匿する事例が多く存在する。
  • 常温核融合研究者による論文は対照実験が充分でない、機器の較正が正しくされていない等これらの現象が起きたと証明するには不十分なものが多い。
  • 信頼できる大きな研究機関ほど現象の発生を報告する事例が少ない。
  • 信頼できる査読付の論文誌に載る事例が少ない。

現代においては最終項が重要であり、科学的に証明された論議、事項として取り扱われるためには、信頼できる査読つき論文誌、たとえばWeb of ScienceやScopusに登録された著名な国際的科学専門論文誌の審査に合格し、掲載出版されることが必須条件である。その論文出版によって研究の成果が裁定され、研究予算の分配が行われている。テレビインタビュー、新聞記事、一般雑誌記事、インターネット上での配信、あるいは未発表研究のみでは信頼できる科学成果としては認定されない。日本でもNEDOのNHE(新水素エネルギー)プロジェクトの挫折的な終了により、その後続く少数研究者軍の努力は、資金不足の下での悪戦苦闘となった。

しかし、2009年8月には神戸大学教授北村晃、大阪大学名誉教授高橋亮人らのグループによる荒田方式の追試実験が国際的な物理学の査読付き学術雑誌である「Physics Letters A[32]に掲載されるなど、少しずつではあるが著名学会誌に掲載されるケースも増えてきた。企業による研究は、1990年代に多くの日本企業が撤退したものの、その後も研究を継続した三菱重工の岩村康弘グループや、アイシン精機株式会社の子会社である株式会社テクノバの高橋亮人(大阪大学名誉教授)と北村晃(神戸大学教授)のグループ、水素技術応用開発株式会社の水野忠彦(北海道大学)のグループ、2000年代に入ってから新たに参入した豊田中央研究所のグループなど、一部の企業では現在も研究を継続している。

脚注

  1. ^ www.lenr-canr.org/acrobat/Fleischmanelectroche.pdf M. Fleischmann, et. al., J. Electroanal. Chem., 261, p. 301(1989)
  2. ^ 高橋亮人、「常温核融合2006 凝集系核科学への展開」、2006年、工学社
  3. ^ 高橋亮人、「常温核融合フロンティア2011」http://lenr-canr.org/acrobat/TakahashiAjyouonkakua.pdf
  4. ^ 高橋亮人、「常温核融合2006 凝集系核科学への展開」、2006年、工学社
  5. ^ M. Gai, et. al., Nature, 340, 29(1989)
  6. ^ “A Report of the Energy ResearchAdvisory Boad to the USDOE”, Washington, DC 20585, DOE/S-0073(1989)
  7. ^ S.E.Jones, et. al., Nature, 338, 737(1989)
  8. ^ 神岡常温核融合奮戦記 日本物理學會誌Vol.47, No.4(19920405) pp. 320-323
  9. ^ 新水素エネルギー実証技術開発
  10. ^ Report of the Review of Low Energy Nuclear Reactions (PDF)
  11. ^ 2004 U.S. Department of Energy Cold Fusion Review Reviewer Comments (PDF)
  12. ^ 常温核融合研究の現状
  13. ^ 水野忠彦、大森唯義他 電気化学及び工業物理化学, Vol.64, No.11, (1996) 1160-1165
  14. ^ JLN Labs -by Jean-Louis Naudin
  15. ^ Nuclear transmutations in thin-film nickel coatings undergoing electrolysis. (PDF) J. New Energy, 1996. 1(3): p. 5.
  16. ^ Iwamura, Y. et.al., Jpn. J. Appl. Phys. 41(2002)p.4642 (PDF)
  17. ^ Replication Of MHI Transmutation Experiment By D2 Gas Permeation Through Pd Complex (PDF)
  18. ^ Thermal and Isotopic Anomalies when Pd Cathodes are Electrolyzed in Electrolytes Containing Th-Hg Salts Dissolved at Micromolar Concentration in C2H5OD/D2O Mixtures. (PDF)
  19. ^ 日本学士院会員
  20. ^ Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) pp. 4198-4202
  21. ^ 高橋亮人、「常温核融合2008 凝集核融合のメカニズム」、2008年、工学社
  22. ^ Joint Scientific Advances in Condensed Matter Nuclear Science (PDF)
  23. ^ 「常温核融合」会議、MITで開催(1)(WIRED VISION、2007年8月27日)
  24. ^ 「常温核融合」会議、MITで開催(2)(WIRED VISION、2007年8月28日)
  25. ^ 簡易炉で「常温核融合」か『北海道新聞』2008年6月12日
  26. ^ http://www.darpa.mil/WorkArea/DownloadAsset.aspx?id=2147484865&ei=ggz-T9OQHoLjrAG8vIGMCQ&usg=AFQjCNF5FYEcO9HPUxK1Hsr1vV-q1KmmPQ
  27. ^ http://chem.xmu.edu.cn/shownews.asp?id=915
  28. ^ http://www.2011-ichem.com/people_ry.asp?id1=tianzhongqun
  29. ^ 高橋亮人「常温核融合2008 凝集核融合のメカニズム」
  30. ^ 小島英夫常温核融合研究の現状
  31. ^ 松本高明常温核融合、ナットーモデルと実験事実
  32. ^ http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960109007877

参考文献

  • J.R.ホイジンガ著、青木薫訳『常温核融合の真実 今世紀最大の科学スキャンダル』化学同人、1995年1月、ISBN 4-7598-0273-8
  • ガリー・A. トーブス著、渡辺正訳『常温核融合スキャンダル―迷走科学の顛末』朝日新聞、1993年12月、ISBN 4-02-256707-4
  • 水野忠彦『核変換—常温核融合の真実』、1997年、工学社 ISBN 978-4875932147
  • Mallove, Eugene. Fire from Ice: Searching for the Truth Behind the Cold Fusion Furor. Concord, N.H.: Infinite Energy Press, 1991. ISBN 1-892925-02-8
  • Beaudette, Charles. Excess Heat: Why Cold Fusion Research Prevailed, 2nd. Ed. South Bristol, ME, Oak Grove Press, 2002. ISBN 0-9678548-3-0
  • Kozima, Hideo. The Science of the Cold Fusion phenomenon, Elsevier Science, 2006. ISBN 0-08-045110-1.
  • Storms, E., The Science Of Low Energy Nuclear Reaction. 2007: World Scientific Publishing Company. ISBN 9789812706201
  • チャールズ・プラット、夏目大訳『すべての家庭に核融合炉を』、Make:、Vol.1、pp. 30-39、オライリージャパン、オーム社、2006年8月、ISBN 4-87311-298-2
  • 『日経産業新聞』2008年5月23日
  • 『日刊工業新聞』2008年5月23日
  • 小島英夫『「常温核融合」を科学する―現象の実像と機構の解明』、2005年、工学社 ISBN 4-7775-1153-7
  • 『固体内核反応研究 No.1』、1999年、工学社 ISBN 4-87593-229-4
  • 高橋亮人『常温核融合2006―凝集系科学への展開』、2006年、工学社 ISBN 978-4-7775-1208-9
  • 高橋亮人『常温核融合2008 凝集核融合のメカニズム』、2008年、工学社 ISBN 978-4-7775-1361-1
  • 山口栄一『試験管の中の太陽』、1993年、講談社 ISBN 4-06-206331-X
  • 水野忠彦『常温核融合-研究者たちの苦悩と成果』、2005年、工学社 ISBN 978-4-7775-1129-7
  • 渡辺正「常温核融合騒ぎの顛末」『化学と教育』49巻11号、日本化学会、2001年
  • Michael Brooks著、楡井浩一訳『まだ科学で解けない13の謎』-「第4章 常温核融合」、2010年5月、草思社 ISBN 978-4-7942-1757-8

関連項目

外部リンク