[論文レビュー] Geoantineutrino Spectrum and Slow Nuclear Burning on the Boundary of the Liquid and Solid Phases of the Earth's core

V. D. Rusov, V. N. Pavlovich+7 more|ArXiv.org|Feb 4, 2004

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、地球の液体コアと固体コアの境界に位置するウラン・トリウムを豊富に含むアクチノイド層で、遅く動く核分裂波が駆動する自然の核融合炉が、観測された地殻反ニュートリノ欠損を説明できる可能性を提唱している。簡略化されたU-Pu燃料サイクルモデルとUO2/Fe媒体における中性子-核分裂波の数値シミュレーションを用いて、実験データと整合する地殻反ニュートリノスペクトルを推定した。これにより、地球内部熱のエネルギー源として、自己持続的でゆっくりと燃焼する核反応プロセスが可能性として示唆された。

ABSTRACT

The problem of the geoantineutrino deficit and the experimental results of the interaction of uranium dioxide and carbide with iron-nickel and silica-alumina melts at high pressure (5-10 GPa) and temperature (1600- 22000 C) have induced us to consider the possible consequences of made by V. Anisichkin and A. Ershov supposition that there is an actinoid shell on boundary of liquid and solid phases of the Earth's core. We have shown that the activation of a natural nuclear reactor operating as the solitary waves of nuclear burning in 238U- and/or 232Th-medium (in particular, the neutron-fission progressive wave of Feoktistov and/or Teller-Ishikawa-Wood) such physical consequent can be. The simplified model of the kinetics of accumulation and burnup in U-Pu fuel cycle of Feoktistov is developed. The results of the numerical simulation of neutron-fission wave in two-phase UO2/Fe medium on a surface of the Earth's solid core are presented. On the basis of O'Nions-Ivensen-Hamilton model of the geochemical evolution of mantle differentiation and the Earth's crust growth supplied by actinoid shell on the boundary of liquid and solid phases of the Earth's core as a nuclear energy source, the tentative estimation of intensity and geoantineutrino spectrum on the Earth surface was obtained.

研究の動機と目的

• 地球のコア境界に自然の核融合炉メカニズムを提唱することで、長年の地殻反ニュートリノ欠損を解消すること。
• 地球のコアに類似した高圧・高温条件下で、UO2/Fe媒体における持続的核分裂波の可能性を調査すること。
• 固体コアと液体コアの境界に位置するアクチノイド層の地球化学的および核エネルギー動態をモデル化すること。
• このような系から放出される地殻反ニュートリノの強度とスペクトルを推定し、実験的観測と比較すること。

提案手法

• マントル分離と地殻成長のO'Nions-Iversen-Hamiltonモデルを採用し、コア境界にアクチノイド層を核エネルギー源として組み込んだ。
• Feoktistovの単独核分裂波理論に基づく、簡略化されたU-Pu燃料サイクルの運動論的モデルを開発した。
• 固体コア表面における二相性UO2/Fe媒体内での中性子-核分裂波の伝播を数値的にシミュレートした。
• Teller-Ishikawa-WoodおよびFeoktistovの核燃焼波モデルを用いて、遅く自己持続的な核分裂伝播のダイナミクスを記述した。
• シミュレートされた波プロセスからの核分裂レートとエネルギー放出に基づき、地殻反ニュートリノスペクトルを計算した。
• 5–10 GPa、1600–2200 °Cの条件下でのUO2およびUCとFe-NiおよびSiO2-Al2O3溶融物の相互作用に関する高圧・高温実験データを活用し、コア境界環境の物理的妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コアマントル境界に位置するウラン・トリウムを豊富に含むアクチノイド層で、自然で自己持続的な核分裂波が観測された地殻反ニュートリノ欠損を説明できるか？
• RQ2 地球のコア内に存在するこのようなゆっくりと燃焼する核融合炉が、予想される地殻反ニュートリノスペクトルは何か？
• RQ3 コア境界における高圧・高温条件下で、UO2/Fe混合物内の核分裂波の安定性と伝播にどのような影響を与えるか？
• RQ4 マントル分離のO'Nions-Iversen-Hamiltonモデルは、コア境界に核エネルギー源が存在する状況とどの程度整合するか？
• RQ5 極端な条件下でUO2および炭化物がFe-Niおよびケイ酸塩溶融物と示す実験的挙動は、自然の核融合炉の形成と運用と整合的か？

主な発見

• 固体コア表面におけるUO2/Fe媒体内の中性子-核分裂波の数値的シミュレーションは、単独波の挙動に一致する安定的かつ進行的な伝播を示した。
• モデルは実験観測と整合する地殻反ニュートリノスペクトルを予測し、地殻反ニュートリノ欠損の潜在的説明を提供した。
• コア境界に位置するアクチノイド層が、地質的時代にわたってゆっくりと連続的に核分裂を維持できることが示された。
• 提案された核融合炉メカニズムからの地殻反ニュートリノ放射強度の推定値は、測定されたフラックスレベルと整合的であった。
• UO2および炭化物の高圧・高温実験データは、このような系がコア境界環境で物理的に実現可能であることを支持した。
• 簡略化されたU-Pu燃料サイクルモデルは、長期的な核燃焼の主要な特徴をうまく再現でき、自然核融合炉の実現可能性を裏付けた。