[논문 리뷰] Background for Terrestrial Antineutrino Investigations: Radionuclide Distribution, Georeactor Fission Events, and Boundary Conditions on Fission Power Production

J. Marvin Herndon, D. Edgerley|ArXiv.org|2005. 01. 24.

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한 줄 요약

이 논문은 지구의 핵에서 우라늄과 토륨이 자가유지 핵분열 연쇄반응을 유지할 수 있는 지구핵반응로 모델을 제안하며, 최대 분열력은 30 테라와트로 추정한다. Abee 엔스타이트 흑색우주선과 유사한 조건을 바탕으로, 하부 맨틀에 K-40이, 핵에 U-235와 U-238가 주로 분포하고, 핵-맨틀 경계에서 핵 부유체에 토륨이 존재할 것으로 예측한다. 동시에 토륨이 지구핵반응로의 연료로 기능할 수 없다고 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구 내부의 방사성 뉴트리노 방출을 지구물리학적 및 핵물리학적으로 설명하기 위해 지구 내부의 방사성 뉴클리드 분포를 모델링한다.
• 지구 핵에서 자가유지 핵분열 연쇄반응이 가능할지 검토하고, 지구핵반응로 가설을 제안한다.
• 메테오라이트 조성의 유사성 분석을 통해 별도의 지구핵반응로에서 분열력의 경계 조건과 최대 허용 출력을 규명한다.
• K-40, U, Th가 지구핵반응로에서 수행하는 역할을 명확히 하며, 특히 그들의 공간 분포와 분열 가능성에 초점을 맞춘다.

제안 방법

• 지구의 내부(지구 질량의 82%)에 대한 조성 유사체로 Abee 엔스타이트 흑색우주선을 사용하며, 동일한 방사성 뉴클리드 분포를 가정한다.
• 핵지구핵반응로 수치 시뮬레이션을 적용하여 분열력 수준과 연료 소모 속도를 추정한다.
• 지질화학적 친화도를 바탕으로 실리케이트 맨틀, 핵 부유체(CaS, MgS), 핵 영역 간 K-40, U, Th의 분배를 분석한다.
• 질량 보존 및 상평형 원리를 적용하여 U-235와 U-238와 같은 분열 가능한 동위원소가 어디에 집중될 가능성이 높은지 추론한다.
• 토륨이 지구핵반응로에서 연료 또는 번식 물질으로서의 잠재력을 평가함으로써 그 역할을 평가한다.
• 여러 차례 수정된 표 값과 단위를 기반으로 시뮬레이션 결과를 보정하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 조성 유사체를 바탕으로 지구 내부의 K-40, 우라늄, 토륨이 예상되는 분포는 무엇인가?
• RQ2 지구 핵에서 자가유지 핵분열 연쇄반응이 발생할 수 있으며, 만약 가능하다면 지속 가능한 최대 분열력은 얼마인가?
• RQ3 현재 조건 하에서 지구핵반응로 분열력에 기여하는 U-235와 U-238의 상대 기여도는 얼마인가?
• RQ4 토륨은 지구핵반응로에서 연료 또는 번식 물질로 기능할 수 있는가, 아니면 이 맥락에서 관계없는가?
• RQ5 행성 규모의 지구핵반응로에서 분열력 생성을 제한하는 경계 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 지구핵반응로에서의 최대 일정 핵분열력은 약 30 테라와트로 추정된다.
• 현재 지구핵반응로 분열력의 76%는 U-235가 담당하며, 23%는 U-238가 담당한다.
• 모델의 가정 하에 토륨은 지구핵반응로의 연료로 사용되거나 연료로 전환될 수 없다.
• 대부분의 K-40은 실리케이트 하부 맨틀에 존재할 것으로 예측되며, 상부 맨틀로의 전이 영역 근처에 집중될 가능성이 있다.
• 우라늄은 지구 중심부에 집중되어 있을 가능성이 높으며, 여기서 자가유지 핵분열 연쇄반응이 발생할 수 있다.
• 토륨은 핵-맨틀 경계의 핵 부유체에 존재할 수 있지만, 중심부에 존재할 가능성은 배제할 수 없다.