[论文解读] 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 20

一句话总结

本文提出了一种地核反应堆模型，其中地球地核中的铀和钍可维持自持的核裂变链式反应，估算最大裂变功率为30太瓦。基于与Abee顽辉石球粒陨石的类比，该模型预测了放射性核素的分布情况——K-40位于下地幔，U-235和U-238主要集中在地核，Th则存在于核幔边界处的地核浮体中，同时表明钍无法为地核反应堆提供燃料。

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.

研究动机与目标

• 通过建模地球内部放射性核素的分布，为地球的反中微子辐射提供地球物理学与核物理基础。
• 研究地球地核中自持核裂变链式反应的可行性，提出地核反应堆假说。
• 利用陨石成分的类比，确定行星尺度地核反应堆中裂变的边界条件与功率上限。
• 阐明K-40、U和Th在地核反应堆中的作用，特别是其空间分布与裂变潜能。

提出的方法

• 将Abee顽辉石球粒陨石作为地球内核（占地球质量的82%）成分的类比，假设其具有相似的放射性核素分布。
• 应用核地核反应堆数值模拟，估算裂变功率水平与燃料消耗速率。
• 基于地球化学亲和性，分析K-40、U和Th在硅酸盐地幔、地核浮体（CaS、MgS）与地核区域之间的分配。
• 利用质量平衡与相平衡原理，推断易裂变核素如U-235和U-238可能集中的位置。
• 通过评估钍作为燃料或增殖材料的潜力，评估其在地核反应堆中的作用。
• 通过多次修订中对表格数值与单位的修正与验证，校正并验证模拟输出结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于球粒陨石成分类比，K-40、铀和钍在地球内部的可能分布是什么？
• RQ2 自持核裂变链式反应是否可能在地球地核中发生？若能，其最大可持续裂变功率是多少？
• RQ3 在当前条件下，U-235与U-238对地核反应堆裂变功率的相对贡献如何？
• RQ4 钍能否在地核反应堆中作为燃料或增殖材料发挥作用，或在此情境下为惰性物质？
• RQ5 制约行星尺度地核反应堆裂变功率生成的边界条件是什么？

主要发现

• 地核反应堆的最大恒定核裂变功率估计为30太瓦。
• 目前地核反应堆裂变中，U-235贡献76%，U-238贡献23%。
• 在该模型假设下，钍无法作为燃料或转化为燃料用于地核反应堆。
• 大部分K-40预计位于硅酸盐下地幔，可能集中在上地幔过渡带附近区域。
• 铀可能集中在地球中心，此处可能产生自持裂变链式反应。
• 钍可能存在于核幔边界处的地核浮体中，但其是否存在于地核中心尚不能排除。