4. Ядерно-фізичні дослідження Землі та атмосфери

Проект 1158

Про зміст робіт, досліджень і про деякі результати за проектом 1158 "Моніторинг сейсмоакустичного, геополяритонного, геомагнітного полів, еманації радону для прогнозування землетрусів і дослідження природи енергетичних процесів у ядрі, мантії та корі Землі"

 Група ядерно-фізичних досліджень Землі та атмосфери в Антарктиді під час Х УАЕ.

З ліва на право: стоїть - Юрій Богданов, Харків; сидять проф. Радомир Ілліч, Ядерний центр Словенії, Любляна; Володимир Ващенко - НАНЦ; Віталій Русов - Одеський національний політехнічний Університет; Юрій Бондарчук - фізик зимівник; Марко Гіякомелі - Ядерний центр Словенії; Володимир Павлович - Інститут ядерних досліджень, Київ; Дмитро Литвинов - Одеський національний політехнічний Університет; Володимир Войтенко - Південий слов’янський університет імені Даля.

 У рамках проекту 1158 здійснюються комплексні дослідження фізичної природи активних енергоджерел, що діють у глибинних надрах Землі. Ці дослідження спрямовані на вирішення значущої проблеми глибинної енергетики Землі, зокрема її енергоактивних сейсмогенеруючих регіонів, де в діапазоні глибин 30-700 км знаходяться центри землетрусів, причому від місцезнаходження центрів залежить ступінь катастрофічності для людства їх наслідків. Що ж відбувається в ядрі Землі і як передбачати землетруси та катастрофічні виверження вулканів? 

Найглибинніші геосфери Землі - зовнішнє і внутрішнє ядра - недоступні для прямих експериментальних вимірювань. Нові результати, отримані на підставі аналізу сейсмічних вимірювальних даних, виявили різну швидкість хвиль у північно-південному і східно-західному напрямах. Є пропозиції інтерпретувати це явище за допомогою шаруватої моделі «твердого» внутрішнього ядра.

Немає також єдиного підходу до прогнозування початку вулканічної діяльності. Відомі, хоч і дуже рідкісні, приклади успішного прогнозування вивержень - наприклад, вулкана Пінатубо на Філліпінах у 1991 році. А от виверження вулкана Сент-Хеленс у штаті Вашінгтон 18 травня 1980 року застало учених зненацька.

Ще важче передбачити землетруси. Існує навіть думка про принципову неможливість їх прогнозування. Ще в 1970-х роках багато геологів та інших фахівців були оптимістами щодо можливості точно й надійно передбачати їх. З'явилася навіть теорія катастроф як різновид теорії хаосу, яка здавалася придатною для прогнозування несподіваних землетрусів. Проте побудова математичних моделей поведінки внутрішніх оболонок Землі виявилась вельми важкою і досі не вирішеною справою.

Дуже важко скласти рівняння для точного опису поведінки моделі. Але навіть наближені рівняння виявляються надзвичайно нелінійними і тим самим характеризуються винятковою чутливістю до початкових умов, властивих хаотичним системам. При цьому жорстко визначається неможливість отримання прямих поточних відомостей про стан порід, що складають внутрішні геосферні оболонки Землі. Отож стало очевидним, що для розуміння складності та нестійкості енергоактивних глибинних процесів необхідне нове, складне мислення.

Потрібні також нові базові принципи «діалогу з Природою» з фундаментальних позицій нової фізики «живої Землі». Одним з таких принципів може бути комплексний пошук вирішення проблеми на підставі синергетичного з'єднання даних на стиках різних наукових методів і дослідницьких технологій. Саме тому в основу нашого проекту закладений синхронний моніторинг різних геофізичних полів, поведінка яких пов'язана або може бути пов'язана з глибинними енергоактивними процесами.

До апаратурного складу такого моніторингу на Українській антарктичній станції Академік Венадський включено сейсмоакустичну станцію "GURALP", магнітометри для вимірювання геомагнітного поля, спеціальний радонометр для вимірювання варіацій еманації радону, а також імпульсний магнітометр для вимірювання природного електромагнітного поля, що випромінюється глибинними геологічними породами в діапазоні частот 0,5-120 kGz. При цьому під час обробки отримуваних даних і аналізу корисної наукової інформації, а також у процесі її інтерпретації використовуються додаткова інформація, отримана за допомогою методів глибинної гравітаційної томографії розподілу щільності неоднорідностей у внутрішніх оболонках, і результати активного резонансного електромагнітного зондування.

Паралельно було також досліджено фізичні особливості активності глибокофокусних вогнищ більш ніж 20 тисяч землетрусів по всій планеті, що дає уявлення про їхній зв'язок з глибинними геологічними структурами земних надр аж до структурних елементів внутрішнього ядра Землі.

На підставі комплексного аналізу отриманих нами вимірювальних даних було розроблено і запропоновано теорію глибинного ядерного геореактора солітонного типу як загально-планетарного енергоджерела. Головною фізичною особливістю такого реактора є його внутрішня безпека.

З експериментальної точки зору вельми важливо те, що блискучі експерименти коллаборації KAM-LAND за останні п'ять років [1-4] уперше відкривають принципову можливість перевірки нашої ідеї та гіпотези існування у глибинних надрах Землі природного ядерного геореактора [5]. Ця незвичайна гіпотеза особливо приваблива тим, що дозволяє фізично прозоро пояснити багато, на перший погляд, не пов'язаних між собою різних геофізичних аномальних ефектів фундаментального характеру. Насамперед це стосується проблеми походження ізотопу He3 в інтер'єрі Землі, концентрація якого, як відомо, "містично" збільшується до центру Землі. Останнє практично неможливо пояснити в рамках класичних геофізичних уявлень, оскільки, з одного боку, присутність цього ізотопу в природі обумовлена і зумовлюється виключно ядерними процесами, а з іншого  висока рухливість і хімічна інертність атомів He3 унеможливлює утримання їх за допомогою будь-якого роду хімічних або фізичних пасток. Та, проте, нині деякі дослідники вважають, що гіпотетично "сонячний" гелій був захоплений ядром Землі ще в період її аккреції і поволі "підбурюється" впродовж кількох останніх мільярдів років.

Сильним аргументом існування ядерного геореактора є також результати недавніх досліджень сейсмотомографічного генезису могутніх теплових потоків на межі ядро-мантія, нижня оцінка яких склала 13±4 TW, що в кілька разів перевищує величину радіогенного тепла в нижній мантії (D"-region) [7].

У тій же мірі це стосується відомої проблеми природи енергетичного механізму магнітогідродинамічного динамо, що породжує магнітне поле Землі. Як відомо, 40K-механізм генерації радіогенного тепла у внутрішньому ядрі Землі не вирішує проблеми в цілому, оскільки не може одночасно пояснити баланс теплових потоків на межі ядро-мантія. Також слід відзначити тісно пов'язаний з цією проблемою механізм інверсій магнітного поля Землі. Обидва ці фундаментальні механізми також знаходять ясне фізичне пояснення в рамках гіпотези існування природного ядерного геореактора на межі рідких і твердих фаз ядра Землі [5, 6].

Цікаво й те, що в разі справедливості реакторної гіпотези флуктуації теплової потужності геореактора можуть бути основою прихованого механізму впливу на глобальний клімат Землі аномальних стрибків температури через зміну кутової швидкості мантії і, відповідно, поверхні Землі. Останнє означає, що дисипація теплової енергії, викликана тертям земної поверхні і приземного шару атмосфери, може вагомо додаватися до загального енергобалансу атмосфери і значно впливати на еволюцію глобального клімату Землі [6].

Попри очевидну ефективність гіпотези існування природного ядерного геореактора, основні труднощі її сприйняття зумовлюються нетривіальними властивостями: 1) за ядерне паливо повинні слугувати природний, незбагачений уран або торій; 2) у керуванні активною зоною реактора мають бути повністю відсутні традиційні управляючі стрижні; 3) не дивлячись на відсутність управляючих стрижнів, реакторові має бути притаманна властивість внутрішньої безпеки. Останнє означає, що в будь-якій ситуації активна зона реактора повинна стійко зберігати критичний стан, тобто підтримувати нормальну роботу автоматично, не в результаті дій оператора, а через закладені в неї фізичні причини-закони, які природним чином запобігають вибуховому розвитку ланцюгової реакції. Реактори з внутрішньою безпекою - це "ядерні установки, які ніколи не вибухають" [8].

Як це не дивно, але реактори, що задовольняють такі незвичайні вимоги, можуть існувати насправді. Вперше ідея такого реактора була висловлена відносно недавно Феоктистовим [9], а також незалежно Теллером, Ішикавою та Вудом [10].

Головна ідея реактора з внутрішньою безпекою полягає в тому, що компоненти палива мають бути підібрані так, аби, по-перше, характерний час Τ_β процесу ядерного горіння активної (що ділиться) компоненти палива був істотно довший від характерного часу появи запізнілих нейтронів, і,

по-друге, щоб у режимі його роботи було дотримано необхідних умов саморегулювання, які завжди мають місце, коли рівноважна концентрація активної компоненти палива більше її критичної концентрації [9]. Це дуже важливі умови, але, як виявляється, їх практично завжди можна досягти, якщо в реакторі серед інших реакцій буде достатньо помітним ланцюжок ядерних перетворень типу уран-плутонієвого циклу Феоктистова

 , (1)

або торій-уранового циклу Теллера-Ішикави-Вуда (10)

 , (2)

У цих випадках ізотопи ²³⁹Pu (1) або ²³³U (2), які утворюються й діляться, є активними компонентами ядерного палива. Характерний час такої реакції - час відповідних бета-розпадів, який у разі (1) дорівнює приблизно Τ_β=2.3/ln2≈3.3 дoбі, тоді як у випадку (2) складає приблизно Τ_β≈39.5 діб, що на багато порядків більше, аніж відповідний час для запізнілих нейтронів.

Ефект саморегуляції процесу ядерного горіння (при дотриманні вказаної вище умови між рівноважною і критичною концентраціями активної компоненти палива [9]) зумовлюється тим, що полишена сама на себе подібна система не може перейти через критичний стан в режим розгону реактора, оскільки критична концентрація обмежена зверху кінцевим значенням рівноважної концентрації плутонію: ñ_Pu>n_crit. Феноменологічно ефект саморегуляції процесу ядерного горіння проявляється таким чином. Збільшення через якісь причини потоку нейтронів спричинятиме швидке вигоряння, наприклад, плутонію, тобто зменшення його концентрації і відповідно зменшення потоку нейтронів, тоді як утворення нових ядер йтиме в цей час у колишньому темпі приблизно протягом Τ_β=3.3 діб. Якщо ж, навпаки, потік нейтронів унаслідок зовнішнього втручання різко зменшиться, то зменшиться швидкість вигоряння і відповідно збільшиться темп напрацювання плутонію з подальшим збільшенням числа нейтронів, що виділяються в реакторі, за приблизно такий же час. Повністю аналогічна ситуація, але для Τ_β=39.5 діб, спостерігатиметься у разі торій-уранового циклу (2).

І, нарешті, опишемо деякі важливі деталі та властивості такого солітонного реактора, на основі яких було отримано добру згоду теоретичних спектрів реакторних і земних антинейтрино з аналогічними експериментальними KamLAND-data (5), відповідних до першої (1) і третьої (3) експозицій нейтрино KamLAND-експеримента.

Згідно з нашими уявленнями [5], солітонний реактор розташований на межі рідких і твердих фаз ядра Землі. Середня товщина цієї межі, яка має підвищену щільність і мозаїчну структуру, становить, як показано в [11], ~2.2 км. На нашу думку, нині найбільш просунутою версією механізму утворення такої оболонки нижче за мантію є експериментальні результати Анісичкіна et al. [12], згідно з якими при гравітаційній диференціації речовини планети хімічно стійкі і високощільні з'єднання актиноїдів (зокрема, карбіди та діоксиди урану й торію) практично втрачають свої літофільні властивості і разом з розплавленим залізом могли опуститися й концентруватися в ядрі Землі. Іншими словами, на ранніх стадіях еволюції Землі та інших планет оксиди і карбіди урану й торію як щільніші, тугоплавкі і малорозчинні могли при високому тиску осідати з океану магми на тверде внутрішнє ядро планети, тим самим створюючи умови для активізації механізму ланцюгових ядерних реакцій, зокрема, механізму біжучої хвилі Феоктистова і/або Теллера-Ішикави-Вуда.

Яка ж теплова потужність такого реактора? В якості природного кількісного критерію величини теплової потужності геореактора використовувався [5] відомий (на основі геохімічних вимірювань) радіальний розподіл ізотопного відношення ³He/⁴He в інтер'єрі Землі. Виявилось, що при тепловій потужності уран-плутонієвого реактора Феоктистова P=30 TW експериментальні оцінки середніх значень гелієвих стосунків 3He/4He для кори, верхньої збідненої мантії, мантії (за винятком збідненої верхньої мантії) і так званої D"-region у нижній мантії збігаються з аналогічними теоретичними оцінками, отриманими на основі моделі геореактора такої потужності. На рис. 2 наведено результати спеціальних експериментальних досліджень геологічно вироблених нейтрино з KamLAND [3] і альтернативного опису цих даних на основі моделі уран-плутонієвого геореактора з тепловою потужністю 30 TW, розташованого на межі рідких і твердих фаз ядра Землі [5].

У зв'язку з цим цікаво отримати оцінки невизначеності величини теплової потужності ядерного геореактора і відповідно спектру геореакторних антинейтрино. Та раніше відзначимо, що за таким уран-плутонієвим геореактором, взагалі кажучи, можуть ховатися кілька сотень або тисяч аналогічних реакторів, але з сумарною тепловою потужністю 30 TW. Це пов'язано з тим, що актиноїдна оболонка, що містить ці реактори, є стохастичним павутинням із "річок і озер" актиноїдного середовища, яке, включаючи окремі горючі "річки і озера", розташоване в долинах сильно шорсткої поверхні твердого ядра Землі [5]. У загальному випадку швидкість ділення ядер ²³⁹Pu в уран-плутонієвому циклі (1) можна записати у вигляді

 λ_Pu=øσ_fn_PuV , (4)

де ø=vn - щільність потоку нейтронів, v - швидкість нейтронів, n - концентрація нейтронів, σ_f  - перетин ділення ²³⁹Pu, n_Pu - концентрація ²³⁹Pu, V - об'єм області горіння.

Неважко побачити, що через випадковий характер значень критичної і рівноважної концентрацій плутонію в актиноїдній оболонці, а також стохастичну геометрію "річок і озер" актиноїдного середовища відносні варіації щільності потоку нейтронів, концентрації плутонію і розмірів областей горіння можуть досягати 50% і більше. В цьому випадку, припускаючи, що відносні варіації перетину ділення плутонію малі, для величини відносної варіації швидкості ділення справедливе співвідношення:

, (5)

Покажемо, до якої невизначеності спектру геореакторних антинейтрино з осциляціями призводить відносна погрішність швидкості ділення плутонію (5). З цією метою спочатку запишемо теоретичну формулу вимірювання повного енергетичного спектру dni/dE≡ni(E) з урахуванням осциляцій антинейтрино в енергетичному приймачі:

  n_i(E)=m_λv_i(E) , (6)

де

,  (7)

Тут m_λ - повне число ділень за час експозиції Δt, яке характеризується швидкістю ділення λ_Pu; v_i (E) - середнє число зареєстрованих антинейтрино в енергетичному приймачі на один поділ; ε - ефективність детектування позитронів в реакції зворотнього β-decay; N_p - кільксть протонів в об'ємі чутливості детектора; Δt - тривалість дії; p(E,L) - вірогідність осциляції нейтрино з відповідними параметрами змішування та енергією Е на відстані L від реактора; (1/4πL²) - ефективний тілесний кут; σ_vp - поперечний переріз взаємодії антинейтрино-протон інверсії β-decay реакції з відповідною радіаційною корекцією [5]; Σα_iρ_i(E) - енергетичний спектр антинейтрино композиційного палива [MeV/fission] в енергетичному приймачі; α_i - частка i-го ізотопу.

Очевидно, що традиційний спосіб конструювання можливих оцінок, наприклад, метод максимальної правдоподібності, зазвичай викори-стовуваний для визначення параметрів осциляцій (Δm²₂₁sin²2Θ₁₂) [1-4], мав би враховувати в експерименті наявність ще одного реактора, або, точніше кажучи, враховувати спектр антинейтрино від геореактора з потужністю ~30 TW і розташованого на відстані L_gео ~ 5.2·10⁶ м. Проте тут ми, слідуючи [5], пропонуємо простий оціннісний підхід, результати застосування якого вказують на несуперечність (експериментальним даним) гіпотези існування геореактора на межі рідкої і твердої фаз ядра Землі.

І, нарешті, слідуючи ідеології обчислень роботи [5], наведемо результати верифікації оптимальних параметрів осциляції (Δm²₂₁=2.5·10^-5 eV², tan²Θ₁₂ =0.437) у рамках тестової задачі порівняння (рис. 4) теоретичного (з урахуванням роботи геореактора) та експериментального спектрів реакторних антинейтрино на основі нових KamLAND-даних [4]. Очевидно, попри поки що не дуже високу статистику нейтринних подій (≤150 events/bin), теоретичний (з урахуванням soliton-like nuclear georeactor with power 19.5 TW) спектр реакторних антинейтрино з прийнятною точністю описує нові експериментальні KamLAND-data [4]. При цьому звернімо увагу на деякі важливі деталі процедури верифікації. По-перше, спостерігається зміна середньої теплової потужності геореактора с 30 TW (під час експозиції 749.1±0.5 дня [3], рис. 2) до ~20 TW (для повної експозиції 1890.25 дня [4], рис. 4), що, безсумнівно, свідчить про нестаціонарну природу геореактора. По-друге, має місце позитивний, з точки зору CPT-теореми [5], фізичний факт, що параметри змішування, отримані в рамках геореакторної гіпотези, значно ближчі до аналогічних даних solar flux SNO-experiment (Δm²₂₁=4.57·10^-5 eV², tan²Θ₁₂=0.447 [15]), аніж відповідні до KamLAND-параметри змішування(Δm²₂₁=7.58·10^-5 eV2, tan²Θ₁₂=0.56 [4]).

Тут важливо відзначити, що, не дивлячись на ефективність гіпотези про існування уявного ядерного геореактора, використовуваної при інтерпретації результатів KamLAND-експериментів, її потрібно розглядати лише як можливий альтернативний варіант опису експериментальних даних KamLAND. У цьому сенсі, як це не тривіально звучить, тільки прямі вимірювання спектру геоантинейтрино в області E_v>3.4 МeV, що проводитимуться під час майбутніх підземних або підводних експериментів, остаточно вирішать проблему існування природного геореактора і, відповідно, дозволять однозначно визначити "дійсні" значення параметрів осциляцій реакторних антинейтрино. При цьому саме вирішення прямої і зворотної задачі дистанційної томографії нейтрино внутрішньоземних процесів, пов'язаної з вимірюванням чистого спектру геоантинейтрино і коректним відновленням радіального профілю розподілу β-джерел у надрах Землі [14, 16], безумовно, вирішать і проблеми існування як природного ядерного реактора на межі твердої і рідкої фаз ядра Землі, так і відповідно дійсного виду спектру геоантинейтрино.

1. Eguchi K.S. et al. (KAMLAND) Phys. Rev. Lett., 90 (2003) 021802.

2. Araki T. et al. (KAMLAND) Phys. Rev. Lett., 94 (2003) 081801.

3. Araki T. et al. (KAMLAND) Nature, 436 (2005) 499.

4. Abe S. et al. (KAMLAND) Phys. Rev. Lett., 100 (2008) 221803.

5. Rusov V.D., Vashchenko V.M., et al. J. Geophys. Res. 112 (2007) B09203.

6. Rusov V.D., Vashchenko V.M., et al. Galactic cosmic Ray - Clouds (2008).

7. Lay Th., Hernlund J., Garnero E.J., Thorne M.S. Science 314, 1273 (2006).

8. Feoktistov L.P. Из прошлого в будущее: от надежд на бомбу к надежному реактору // 1998. Снежинск: изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 326 с. 

9. Feoktistov L.P. (1989)

10. Teller E. et al. (1996)

11. Краснощеков et al. Nature 2005

12. Анісичкин et al. 2005

13. Алексанкин (1989)

14. Rusov V.D. et al. Фізика реакторних антинейтрино, Москва (2008).

15. Aharmim B. et al. (SNO) Phys. Rev. Lett., 101 (2008) 111301.

16. Rusov V.D. et al. J. Appl. Phys. 96 (2004) 1734