[논문 리뷰] 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. Pavlovich외 7명|ArXiv.org|2004. 02. 04.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지구의 액체 및 고체 내핵 경계에 위치한 우라늄-Thorium 풍부한 아크티노이드 껍질에서 느린 이동하는 분열파에 의해 구동되는 천연 원자로가 관측된 지구 반중성자비 결핍을 설명할 수 있다고 제안한다. 단순화된 U-Pu 연료 순환 모델과 UO2/Fe 매질에서 중성자-분열파의 수치 시뮬레이션을 통해 저자들은 실험 데이터와 일치하는 지구 반중성자 스펙트럼을 추정하였으며, 이는 지구 내부 열 에너지의 가능성을 시사하는 자가유지형, 느린 연소 원자로 과정임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지속적인 지구 반중성자비 결핍 문제를 지구 내핵 경계에 위치한 천연 원자로 메커니즘을 제안하여 해결하고자 한다.
• 지구 내핵의 조건을 모의하는 고압·고온 조건에서 UO2/Fe 매질에서 지속 가능한 분열파의 가능성 여부를 조사하고자 한다.
• 고체 및 액체 내핵 상변화 경계에 위치한 아크티노이드 껍질의 지구화학적 및 핵에너지 역학을 모델링하고자 한다.
• 이러한 시스템으로부터 방출되는 지구 반중성자비의 강도 및 스펙트럼을 추정하고 실험 관측치와 비교하고자 한다.

제안 방법

• 마그마권 분화 및 지각 성장의 O'Nions-Iversen-Hamilton 모델을 채택하였으며, 내핵 경계에 아크티노이드 껍질을 도입하여 핵에너지 공급원으로 삼았다.
• Feoktistov의 고립 분열파 이론에 기반한 단순화된 U-Pu 연료 순환 동역학 모델을 개발하였다.
• 고체 내핵 표면에서 이중상 UO2/Fe 매질에서 중성자-분열파 전파를 위한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• Teller-Ishikawa-Wood 및 Feoktistov의 핵연소파 모델을 활용하여 느리고 자가유지되는 분열 전파의 역학을 기술하였다.
• 시뮬레이션된 파동 과정에서의 분열률과 에너지 방출에 기반해 지구 반중성자비 스펙트럼을 계산하였다.
• 5–10 GPa, 1600–2200 °C 조건에서 UO2 및 UC가 Fe-Ni 및 SiO2-Al2O3 막대로와의 상호작용에 대한 고압·고온 실험 데이터를 활용하여 내핵 경계 환경의 물리적 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 내핵-마그마권 경계에 위치한 우라늄-Thorium 풍부한 아크티노이드 껍질에서 발생하는 자연적이고 자가유지되는 분열파가 관측된 지구 반중성자비 결핍을 설명할 수 있는가?
• RQ2 지구 내핵의 이러한 느린 연소 원자로에서 기대되는 지구 반중성자비 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ3 내핵 경계에서의 고압·고온 조건이 UO2/Fe 혼합물에서의 분열파의 안정성 및 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 O'Nions-Iversen-Hamilton의 마그마권 분화 모델은 내핵 경계에 핵에너지 공급원이 존재하는 상황과 어느 정도 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 극한 조건에서 UO2 및 탄화물이 Fe-Ni 및 규소산염 막대와 상호작용하는 관측된 실험적 거동은 자연적 원자로의 형성과 작동과 일치하는가?

주요 결과

• 고체 내핵 표면에서 UO2/Fe 매질에서 중성자-분열파의 수치 시뮬레이션은 고립파 행동과 일치하는 안정적이고 점진적인 전파를 보였다.
• 모델은 실험 관측치와 일치하는 지구 반중성자비 스펙트럼을 예측하여 지구 반중성자비 결핍에 대한 잠재적 설명을 제공한다.
• 내핵 경계에 위치한 아크티노이드 껍질이 지질학적 시간 척도 동안 느리고 지속적인 분열 과정을 유지할 수 있음을 입증하였다.
• 제안된 원자로 메커니즘으로부터 유도된 지구 반중성자비 방출 강도는 측정된 플럭스 수준과 일치한다.
• UO2 및 탄화물의 고압·고온 실험 데이터는 이러한 시스템이 내핵 경계 환경에서 물리적으로 타당함을 뒷받침한다.
• 단순화된 U-Pu 연료 순환 모델은 장기적 핵연소의 핵심 특징을 성공적으로 재현하여 자연적 원자로의 가능성성을 뒷받침한다.