[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出，地球液态核与固态核边界处富含铀-钍的锕系元素壳层中，由缓慢移动的裂变波驱动的天然核反应堆，可能解释观测到的地球反中微子亏损。通过采用简化的U-Pu燃料循环模型，并对UO2/Fe介质中中子-裂变波进行数值模拟，作者估算出的地球反中微子谱与实验数据一致，表明一种自持、缓慢燃烧的核过程可能是地球内部热量的可能能量来源。

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.

研究动机与目标

• 通过在地核边界提出一种天然核反应堆机制，解决长期存在的地球反中微子亏损问题。
• 研究在模拟地球地核高温高压条件下，UO2/Fe介质中持续裂变波的可行性。
• 模拟固态与液态核相边界处锕系元素壳层的地球化学与核能动力学。
• 估算此类系统所发射的地球反中微子强度与能谱，并与实验观测进行比较。

提出的方法

• 采用O'Nions-Iversen-Hamilton的地幔分异与地壳生长模型，将地核边界处的锕系元素壳层作为核能来源引入。
• 基于Feoktistov的孤立裂变波理论，开发简化的U-Pu燃料循环动力学模型。
• 在固态核表面的两相UO2/Fe介质中，对中子-裂变波传播进行数值模拟。
• 利用Teller-Ishikawa-Wood与Feoktistov的核燃烧波模型，描述慢速、自持裂变传播的动力学行为。
• 基于模拟波过程中的裂变速率与能量释放，计算地球反中微子谱。
• 应用UO2与碳化物在Fe-Ni及SiO2-Al2O3熔体中于高压（5–10 GPa）、高温（1600–2200 °C）条件下的实验数据，验证地核边界环境的物理解释力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地核-地幔边界处，富含铀-钍的锕系元素壳层中，天然自持裂变波是否能解释观测到的地球反中微子亏损？
• RQ2 此类缓慢燃烧的核反应堆在地球地核中预计会释放怎样的地球反中微子谱？
• RQ3 地核边界处的高温高压条件如何影响UO2/Fe混合物中裂变波的稳定性和传播性？
• RQ4 O'Nions-Iversen-Hamilton的地幔分异模型在地核边界存在核能源的前提下，能在多大程度上与之相容？
• RQ5 UO2及碳化物在极端条件下与Fe-Ni及硅酸盐熔体的实验行为，是否与天然核反应堆的形成与运行一致？

主要发现

• 在固态核表面UO2/Fe介质中对中子-裂变波的数值模拟表明，波具有稳定、渐进传播的特性，与孤立波行为一致。
• 该模型预测的地球反中微子谱与实验观测结果一致，为地球反中微子亏损提供潜在解释。
• 结果表明，地核边界处的锕系元素壳层可在地质时间尺度内维持缓慢、持续的裂变过程。
• 所估算的该反应堆机制产生的地球反中微子发射强度与实测通量水平一致。
• UO2与碳化物在高压高温下与Fe-Ni及硅酸盐熔体相互作用的实验数据，支持该系统在地核边界环境中的物理解释力。
• 简化的U-Pu燃料循环模型成功再现了长期核燃烧的关键特征，支持天然反应堆的可行性。