[論文レビュー] Background for Terrestrial Antineutrino Investigations: Radionuclide Distribution, Georeactor Fission Events, and Boundary Conditions on Fission Power Production

J. Marvin Herndon, D. Edgerley|ArXiv.org|Jan 24, 2005

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、地球の核に存在するウランとトリウウムが自己持続的核分裂連鎖反応を維持する地核反応炉モデルを提案し、最大核分裂出力として30テラワットを推定している。Abeeのエンスタイトインチャンドライトに類似したモデルを用い、下部マントルにカリウム40、核にウラン235およびウラン238が主に存在し、核マントル境界付近の核浮遊物（コアフローター）にトリウウムが存在すると予測しているが、トリウウムは地核反応炉の燃料として機能できないと示している。

ABSTRACT

Estimated masses of fissioning and non-fissioning radioactive elements and their respective distributions within the Earth are presented, based upon the fundamental identity of the components of the interior 82% of the Earth, the endo-Earth, with corresponding components of the Abee enstatite chondrite meteorite. Within limits of existing data, the following generalizations concerning the endo-Earth radionuclides can be made: (1) Most of the K-40 may be expected to exist in combination with oxygen in the silicates of the lower mantle, perhaps being confined to the upper region of the lower mantle where it transitions to the upper mantle; (2) Uranium may be expected to exist at the center of the Earth where it may undergo self-sustaining nuclear fission chain reactions, but there is a possibility that some non-fissioning uranium may be found scattered diffusely within the core floaters which are composed of CaS and MgS; and, (3) Thorium may be expected to occur within the core floaters at the core-mantle boundary, although its presence as well at the center of the Earth cannot be ruled out. Results of nuclear georeactor numerical simulations show: (1) The maximum constant nuclear fission power level is 30 terawatts; (2) U-235 comprises 76 percent of present-day georeactor fission, U-238 comprises 23 percent; and, (3) Thorium can neither be fuel nor converted into fuel for the georeactor.

研究の動機と目的

• 地球内部のアンチニュートリノ放射を説明する地球物理学的・核的根拠を確立するため、地球内部におけるラジオアイソトープの分布をモデル化すること。
• 地球の核における自己持続的核分裂連鎖反応の可能性を検討し、地核反応炉仮説を提唱すること。
• 隕石組成の類似物を用いて、惑星規模の地核反応炉における核分裂の境界条件および出力限界を同定すること。
• カリウム40、ウラン、トリウウムが地核反応炉において果たす役割を明確にすること、特にその空間的分布と核分裂可能性。

提案手法

• 地球の内部（地球質量の82％を占める）の組成的類似物としてAbeeのエンスタイトインチャンドライトを用い、同様のラジオアイソトープ分布を仮定する。
• 核的地核反応炉の数値シミュレーションを適用し、核分裂出力レベルおよび燃料消費速度を推定する。
• ケイ酸塩マントル、コアフローター（CaS、MgS）、およびコア領域間におけるカリウム40、ウラン、トリウウムの分配を、地球化学的親和性に基づいて分析する。
• 質量バランスおよび相平衡の原則を用いて、ウラン235やウラン238のような核分裂性核種がどこに集中している可能性があるかを推論する。
• トリウウムが地核反応炉において燃料または増殖物質として果たす役割を評価する。
• 複数回の改訂を通じて、表値および単位の修正を加え、シミュレーション出力の補正と検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケイ酸塩隕石組成の類似物に基づくと、地球内部におけるカリウム40、ウラン、トリウウムの分布はどのようになると考えられるか？
• RQ2 地球の核において自己持続的核分裂連鎖反応が発生可能であり、もしそうなら、持続可能な最大核分裂出力はどの程度か？
• RQ3 現在の状況下で、ウラン235とウラン238が地核反応炉の核分裂出力に果たす相対的寄与はどの程度か？
• RQ4 トリウウムは地核反応炉において燃料または増殖物質として機能可能か、あるいはこの文脈では不活性であるか？
• RQ5 惑星規模の地核反応炉における核分裂出力生成を制限する境界条件は何か？

主な発見

• 地核反応炉における最大定常核分裂出力は30テラワットと推定される。
• 現在の地核反応炉核分裂においてウラン235が76％を占め、ウラン238が23％を占める。
• 本モデルの仮定下では、トリウウムは燃料としても、燃料に変換されることもできない。
• 大部分のカリウム40はケイ酸塩下部マントルに存在すると予測され、上部マントルへの移行領域付近に集中している可能性がある。
• ウランは地球の中心部に集中していると予測され、そこでは自己持続的核分裂連鎖反応が発生する可能性がある。
• トリウウムは核マントル境界付近のコアフローターに存在する可能性があるが、中心部への存在は否定できない。