防爆の基礎知識

爆発の物理

爆発とは何か、水素の爆発にはどのような種類があるのか、そして爆発限界とは何を示すのかを、物理と化学の視点からわかりやすく整理します。

爆発とは

爆発とは、急激なエネルギー放出によって周囲の気体が急速に膨張し、強い衝撃波が生じる現象です。短時間で一気に進むため、破壊的な影響を引き起こします。

似た現象に燃焼がありますが、爆発は燃焼に比べて圧倒的に速く進みます。化学反応が連鎖的に、つまり指数関数的に進むことが特徴です。

核爆発でよく聞く「連鎖反応」と同じように、爆発では反応が次々と広がっていきます。反応の素過程が化学反応であれば化学爆発、核反応であれば核爆発です。

核爆発には、核分裂によってエネルギーが放出されるものと、核融合によってエネルギーが放出されるものがあります。

水素の爆発には、大きく分けて「化学爆発」と「核爆発」の2つがあります。どちらも水素に関係しますが、起こる仕組みと放出されるエネルギーの大きさはまったく異なります。

化学爆発

水素と酸素が反応して水を生成する際にエネルギーが放出されます。この反応が急速に進むと爆発を引き起こします。

素過程で放出されるエネルギーは、およそ 1 eV のオーダーです。

核爆発

重水素の原子核と三重水素の原子核が核融合し、ヘリウム原子核になる際に大量のエネルギーが放出されます。

素過程で放出されるエネルギーは、およそ 10⁶ eV のオーダーです。

太陽の中心では、水素やヘリウムなどの軽い原子核同士の衝突による核融合反応が起こっています。これは、水素の核爆発と同じように核エネルギーが放出される現象です。

地球と太陽は約1億5,000万kmも離れていますが、それでも夏の暑さを感じるほどのエネルギーが地球に届いています。核エネルギーの放出は、化学エネルギーと比べて文字どおり桁違いに大きい現象です。

私たちの身の回りで起こり得る爆発現象は、基本的には化学爆発です。

原子力発電と聞くと最新テクノロジーの印象がありますが、発電の基本は「お湯を沸かして発電する」ことです。

原子力で水を加熱し、発生した蒸気でタービンを回して電力に変換します。この点では、火力発電と同じ原理です。

空気中に含まれる水素が化学反応によって爆発を起こす濃度範囲は、4.0〜75 vol% です。これは、他の可燃性ガスに比べて非常に広い範囲です。

水素とプロパンの爆発範囲
水素の爆発範囲	4.0〜75 vol%
プロパンの爆発範囲	2.1〜9.5 vol%

ガスや蒸気の性質については、ISO/IEC 80079-20-1:2017「ガスと蒸気の分類のための材料特性評価試験方法およびデータ」などが参考になります。

関連する物理の学習資料として、以下のページも参考になります。

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