Геореактор: теория и возможные механизмы формирования
Среди постов в этом блоге есть немало таких, которые весьма условно соответствуют тематике Хабра. Но даже на фоне всех разнообразных поднятых мною тем особняком стоят две публикации, посвящённые геологическим ядерным реакциям. Первый пост от 17 июля 2021 года посвящён довольно известной истории о районах Окло и Бангомбе на территории Габона. По многочисленным косвенным данным там около 2 миллиардов лет назад должны были функционировать естественные ядерные реакторы, замедлителем в которых должна была выступать речная вода. Во втором посте от 29 апреля 2022 года я рассказываю об аномалиях изотопного состава реголита в марсианском регионе Mare Acidalium и привожу факты, что там также могли существовать ядерные реакторы, подобные Окло. Сегодня я хочу дополнить картину, дающую представление о нынешних гипотетических естественных ядерных реакторах (геореакторах) и рассказать, как такие объекты вписываются в современную научную картину мира.
Начало этой истории восходит к 1862 году, когда прославленный физик Уильям Томсон (1824–1907) постарался вычислить реальный возраст Земли, абстрагировавшись от нелепых библейских оценок в 6–7 тысяч лет. К тому времени уже было известно, что Земля образовалась из того же протопланетного облака, что и Солнце. Удалось определить, что температура поверхности Солнца составляет около 6000 K (5772 °C) Также постепенно устанавливалась скорость остывания различных минералов, и Томсон примерно оценил возраст Земли в диапазоне от 20 до 400 миллионов лет, в дальнейшем сильно сократив этот отрезок вниз — в сторону 40 миллионов лет, а в 1899 году заявил, что Земле не более 25 миллионов лет. Эта оценка ещё при жизни Томсона (кстати, в 1892 году получившего почётный титул «лорд Кельвин») перестала стыковаться с реальностью. В такие сроки не могла уложиться теория эволюции, сформулированная Чарльзом Дарвином в конце 1850-х. На накопление некоторых залежей соли и других осадочных пород должны были потребоваться сотни миллионов лет, а древнейшие горы-останцы (например, Ахаггар) могли сформироваться не менее 2 миллиардов лет назад. Поэтому требовалось учесть дополнительные факторы, которые позволили бы компенсировать эту разбежку. Эрнест Резерфорд первым указал, что Земля должна остывать гораздо медленнее, чем по оценкам Кельвина, так как её недра постоянно подогреваются в процессе радиоактивного распада актиноидов. В 1905 году он предположил, что возраст Земли составляет не менее 500 миллионов лет. Несмотря на то, что эта оценка оказалась занижена в восемь раз по сравнению с реальной, она впервые приблизила нас к пониманию роли распада радиоактивных изотопов в тектонике.
Тем не менее, мы до сих пор можем только догадываться о том, какие процессы происходят на границе ядра и нижней мантии (в англоязычных источниках эта зона называется «core-mantle boundary» или CMB), а также какова истинная концентрация радиоактивных элементов ниже земной коры.
В настоящее время уже установлено, что внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из жидкого железа и никеля. Температура внутреннего ядра, сравнимого по размерам с Плутоном, достигает 6000 K, но в условиях огромных давлений (12 ГПа и более) это вещество остается в состоянии, близком к жидкому и постоянно «течёт». В результате этих токов у Земли формируется магнитное поле.
Что касается геохимических процессов на границе мантии и ядра, они изучены весьма приблизительно. С конца XVIII века известно, что некоторые химические встречаются поблизости друг от друга. В особенности это касается лантаноидов и актиноидов, расположенных в самом низу таблицы Менделеева.
Роль периодического закона
Почти вся история открытия лантаноидов связана со Швецией и Скандинавией. Из-за специфической формы электронной f-орбитали и из-за особой геологической истории Фенноскандии (ледник стёр с Балтийского щита многовековые слои осадочных пород, обнажив более древние слои) лантаноиды встречаются в Скандинавии исключительно компактно. Этот феномен я ранее затрагивал в статье о металлургии гаджетов.
Периодический закон подсказывает, что аналогичный эффект кластеризации должен наблюдаться и в семействе актиноидов. Однако большинство актиноидов (трансурановые элементы) получены искусственно и в природе почти не встречаются. При этом уран и торий распространены довольно широко: их руды не менее обычны, чем медные. В 1956 году японско-американский химик Пол Кадзуо Курода впервые предположил, что на больших глубинах в земной коре и мантии могут содержаться очень большие неучтённые запасы урана и тория, а их высокая концентрация может приводить к вялотекущим тектоническим ядерным реакциям. Модель Куроды косвенно подтвердилась в 1972 году, когда в Габоне был открыт феномен Окло.
Модель Херндона
Открытие Окло подстегнуло поиски и моделирование естественных ядерных реакторов, так как они могут вносить серьёзный вклад в разогревание Земли, а потенциально иметь и энергетическую ценность. С конца 1980-х Марвин Дж. Херндон развивал гипотезу о том, что в центре Земли может находиться крупный ядерный реактор. В 1993 году он, опираясь на данные о периоде полураспада урана и об известных залежах урановых руд, сформулировал возможный механизм действия такого реактора. Косвенным доказательством в пользу своей гипотезы Херндон считал долю гелия-3 в вулканических фумаролах, которую объяснял самоподдерживающимися ядерными реакциями.
Через несколько лет идею Херндона подхватил Дэн Холленбах, физик-ядерщик, на тот момент работавший в знаменитой американской ядерной лаборатории в Окридже, штат Теннеси. Этот НИИ, основанный в 1943 году, был одним из важнейших центров Манхэттенского проекта. Именно там была спроектирована и впервые осуществлена добыча урана методом газовой диффузии, что позволило создать атомную бомбу модели «Малыш». Дэн Холленбах построил компьютерную модель, основанную на данных о работе искусственных ядерных реакторов (с АЭС) — в частности, в каком количестве и какие именно изотопы в них нужно закладывать, как быстро эти изотопы расходуются. В статье от 2001 года он предположил, что основной массив ядра действительно состоит из железа и никеля, однако в ядре могут насчитываться сотни компактных вкраплений урана и тория, разогревающих ядро, а также участвующих в формировании магнитного поля. Вот примерно как соотносятся модель Холленбаха и традиционная модель ядра.
В сентябре 2001 года Холленбах, выступая перед клубом «Друзей Окриджа» (Friends of ORNL) впервые употребил термин «геореактор». Учёный указал, что, поскольку мантия и верхние слои ядра пребывают в жидком состоянии, а уран самый тяжёлый из элементов, встречающихся в природе, значительная (или основная) часть урана должна была постепенно утонуть в мантии, а затем эти металлические включения могли заново сконцентрироваться в пределах ядра.
Воспользовавшись программным пакетом SCALE, который применяется для анализа степени серьёзности радиоактивных угроз, Холленбах построил модель реактора-бридера мощностью до 3 тераватт, который мог бы в течение 4,5 миллиардов лет подогревать ядро планеты и генерировать магнитное поле.
Бридер — это такая модель реактора, в которой ядерное топливо не только расщепляется с выделением энергии, но и в некотором количестве генерируется в результате сложных цепочек распада. Как известно, «оружейный» изотоп уран-235 распадается гораздо быстрее, чем основной природный изотоп уран-238 (период полураспада — 0,7 против 4,4 миллиарда лет). При распаде урана-235 выделяются свободные нейтроны, которые, в свою очередь, могут попадать в ядра урана-238, превращая его в плутоний-239. Плутоний-239 также может служить ядерным топливом. Соответственно, срок службы бридера значительно продлевается.
В обоснование гипотезы Холленбаха Марвин Херндон измерял и сравнивал соотношение изотопов гелия-4 и гелия-3 в исландских и гавайских лавах. Он получил цифры, существенно отличающихся от аналогичного соотношения в атмосфере. Известно, что изотопный состав атмосферного гелия обусловлен воздействием космических лучей, а гелий, содержащийся внутри горных пород — это продукт распада урана. Холленбах, в свою очередь, указал, что большинство таких продуктов распада значительно легче урана, поэтому они не «засоряют» геореактор, а «всплывают» в верхние части мантии, и активность реактора снова возрастает. В промышленных ядерных реакторах (и, по-видимому, в Окло) такой процесс не происходит, поэтому нужен замедлитель нейтронов — обычная вода. В 2008 году Мейер и Вестренен предположили, что основным маркером такой активности могли бы быть изотопы неодима. Аномальные концентрации неодима 142–146, зафиксированные в Окло, обнаружены и глубоко в земной коре, возможно, именно над реакторными зонами. Переключение магнитного поля и смену магнитных полюсов при желании также можно объяснить периодическим включением и выключением геореакторов.
Ещё одно косвенное свидетельство в пользу работы геореакторов — активность и темпы образования глубинных нейтрино и в особенности антинейтрино. Как известно, регистрация нейтрино ведётся в нескольких подземных и подводных лабораториях, самой известной из которых является японская коллаборация KamLAND, действующая в бывших кадмиевых разработках в районе Камиока. Впервые геонейтрино были зафиксированы на таких детекторах в 2005 году. По состоянию на 2020 год наиболее полные данные о количестве и происхождении геонейтрино получены в итальянской лаборатории Борексино; исследование подробно описано в этой статье.
Итак, опираясь на известные сегодня данные о работе искусственных ядерных реакторов, а также о геохимическом составе мантии, можно считать, что для существования одного или нескольких геореакторов в земном ядре должны выполняться, как минимум, все следующие условия:
На этапе формирования планеты в ядре должно содержаться существенное количество урана и тория.
Уран и торий в мантии и/или ядре должны естественным образом собираться в компактные кластеры. Опыт добычи лантаноидов подсказывает, что это вполне вероятно, но пока неизвестно, чтобы в недавнем геологическом прошлом такие процессы приводили к спонтанному возникновению ядерных реакций.
Изотопный состав урана в месте концентрации должен располагать к образованию реактора-бридера.
Продукты распада должны естественным образом покидать реакторную зону.
Должен существовать естественный механизм, который регулировал бы выработку энергии в реакторе.
Реактор должен располагаться в такой зоне, которая служила бы «контейнментом», не позволяя «топливу» просачиваться, но не допуская при этом и «расплавления активной зоны».
По имеющимся сегодня данным о конвекционных потоках в мантии, именно последнее условие выполняется хуже всего. Если геореакторы действительно существуют, то в них должно быть заключено до 20% всего земного запаса урана и тория, что очень маловероятно. Кроме того, сейсмические наблюдения пока не продемонстрировали никаких свидетельств «ядерных взрывов» в мантии.
Тем не менее, полностью исключать существование геореакторов нельзя. Возможно, именно они являются тем недостающим элементом, которого пока не хватает для полного описания тектоники плит. Наблюдения продолжаются.
