Возможные режимы цепных ядерных реакций в

ВОЗМОЖНЫЕ РЕЖИМЫ ЦЕПНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ В ЯДРЕ ЗЕМЛИ
В.Ф. АНИСИЧКИН, А.П. ЕРШОВ
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева. Сибирское отделение РАН,
Новосибирск, Россия
А.А. БЕЗБОРОДОВ, И.Р. СУСЛОВ
Государственный научный центр Российской Федерации.
Физико–энергетический институт им. А.И. Лейпунского, Обнинск, Россия
Введение
Считается, что Земля излучает больше тепла, чем могла бы отдавать только в результате остывания [1].
Дополнительное количество тепла в недрах Земли может выделяться при распаде радиоактивных изотопов
урана и тория или калия. Но в земной коре их мало. Поэтому с середины 50–х годов принята гипотеза, согласно которой глубоко в недрах Земли находится дополнительное количество радиоактивных элементов. Актиноиды уран и торий  предположительно в нижней мантии. Согласно другой гипотезе, в ядре Земли может
40
находиться существенное количество радиоактивного изотопа K [2].
С другой стороны Kuroda P.K. [3] предположил, что миллиарды лет назад, когда содержание легко деляще235
U было достаточно высоко, в местах концентрации урана и в присутствии замедлителей нейтронов,
гося
например, воды, могли протекать и цепные ядерные реакции. В 1972 году следы работы такого природного
ядерного реактора были обнаружены в Западной Африке в урановых месторождениях. После этого появились
различные предположения о других возможных местах концентрации урана и о работе природных ядерных
реакторов. Причем не только в каменной оболочке Земли, но и в ядре Земли, и в самом центре Земли, например [4, 5].
Работа природных ядерных реакторов могла бы объяснить многие глобальные процессы на Земле. Например, начавшееся очередное потепление. Поэтому задача актуальна. И только предположений здесь недостаточно. Необходимо строгое и последовательное изучение всей проблемы от начала и до конца. Такие предварительные исследования были проведены. Работа выполнялась в рамках двух последовательных Интеграционных
программ Сибирского отделения РАН: «Изучение возможности взрывного энерговыделения в недрах планет»
и «Исследование физико–механических свойств вероятных компонентов ядра и нижней мантии Земли». Ниже
приведены некоторые результаты этих исследований. Это, во–первых, обоснование механизма и места концентрации урана в недрах Земли. Во–вторых, рассмотрение возможных режимов работы природных реакторов.
И, в–третьих, анализ возможных проявлений их функционирования в прошлом и настоящем.
1. Механизм концентрации урана в ядре Земли
Существуют две основные модели образования Земли и других планет из газопылевого протопланетного
облака. В гомогенной модели предполагается, что планеты зародились и первоначально росли из однородной
смеси всех конденсированных веществ, представленных в Солнечной системе. И лишь затем, после расплавления произошла гравитационная дифференциация вещества планеты на железоникелевое ядро и каменную оболочку, в случае Земли образовавшую мантию и тонкую кору планеты.
В гетерогенной модели сначала образуются железоникелевые ядра будущих небесных тел, а затем на них
выпадают каменные силикатные материалы. Одно из преимуществ гетерогенной модели заключается в следующем. Только гравитационных сил недостаточно, чтобы пылинки газопылевого облака начали слипаться
даже при небольших относительных скоростях столкновений. Железоникелевые частицы, намагниченные
в сильном магнитном поле молодого Солнца, слипаются существенно быстрее. Так могли образоваться твердые, холодные ядра планет. (Холодные потому, что гравитационной энергии падающих на них тел было еще
недостаточно для плавления всей массы. К тому же в железоникелевом ядре было мало каменных, содержащих
радиоактивные калий, алюминий, уран и торий веществ, выделяющих тепло.) Затем, уже благодаря гравитации, происходила аккреция оставшегося железа и немагнитных веществ, в том числе содержащих радиоактивные элементы. Возможно, что аккреция планет происходила по некоторой промежуточной схеме и в твердое
ядро планеты попали и некоторые другие, конденсирующиеся при относительно высоких температурах элементы, в частности, как будет сказано ниже, углерод.
2
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
Так как в той и другой моделях нет оснований считать, что уран и торий выпали последними на поверхность молодой планеты, возникает вопрос об их последующем поведении. Поднимались ли они к поверхности
планеты, оставались на месте или, как более плотные, в результате гравитационной дифференциации вещества
опускались к ядру планеты? Для ответа на этот вопрос необходимо знать свойства урана и тория, их соединений при высоких давлениях и температурах, соответствующих значениям в недрах планеты.
Известно, что при низких давлениях уран и торий проявляют литофильные свойства, и, например, при
плавлении руды в доменной печи, в виде химических соединений поднимаются вверх в растворе с каменными
материалами, тогда как железо, с растворенными в нем сидерофильными элементами, оседает. Однако, как
показано экспериментально, при высоких давлениях, например такой литофильный элемент как калий утрачивает свои свойства и может оказаться растворенным в расплавленном железе [2]. На этом основании в [2],
в частности, был сделан вывод о том, что дефицит калия в земной коре объясняется его концентрацией в железном ядре планеты.
Для определения возможного поведения урана в недрах планеты была проведена серия экспериментов
при давлениях 5, 7 и 10 ГПа и температурах 16002200 °С, в которых исследовано взаимодействие диоксида
и карбидов урана с железоникелевым и алюмосиликатным расплавами. Эксперименты проведены на многопуансонном аппарате высокого давления типа «разрезная сфера». Образцы диаметром 5 мм и высотой 10 мм готовились прессованием из урансодержащих порошков и механической смеси железа и никеля в различной
пропорции или смеси SiO2 и Al2O3. Высокая температура поддерживалась трубчатым графитовым нагревателем, внутри которого в оболочке на основе диоксида циркония помещали исследуемый образец. Время выдержки при высоком давлении и температуре до 46 часов [6].
На рис. 1 в качестве примера показано полученное в экспериментах распределение диоксида урана по высоте образцов, разрезанных вдоль оси. Исходные образцы состояли из однородных смесей спрессованных по–2
рошков железа и 10 масс.% диоксида урана. Средний размер исходных частиц диоксида урана 2–3 мкм. Изо+
бражение получено методом вторичной ионной эмиссии. (Первичные ионы О2 с энергией 10 кэВ.)
Рис. 1. Распределение UO2 в железе после охлаждения и снятия давления, полученное методом масс–спектрометрии
вторичных ионов
Темные точки на рис. места более высокой концентрации атомов урана.
Из приведенных рисунков видно, что при давлении 5 ГПа растворилось больше диоксида урана, чем при
–2
давлении 10 ГПа (при одинаковых исходных концентрациях 10 масс.%.). Также видно, что более тяжелые
частицы диоксида урана оседают на дно рабочей ячейки в расплаве железа.
–2
Таким образом, растворимость диоксида урана уже при 5 ГПа оказалась менее чем 10 масс.%. Более точно
растворимость диоксида урана в металлическом расплаве определена лазерно–люминисцентым методом и со–4
–4
ставляет 2,5⋅10 масс.% при 7 ГПа, 1650 оС и 3,2⋅10 масс.% при 10 ГПа и 1800 °С [6]. Таким образом, растворимость диоксида урана падает с ростом давления, но растет с ростом температуры. Аналогично ведут себя
и карбиды урана.
Растворимость диоксида урана в алюмосиликатном расплаве остается высокой и при высоких давлениях
и достигает десятков масс.%. Однако, при охлаждении и кристаллизации основные силикаты, составляющие
каменную оболочку Земли, практически полностью вытесняют из своей решетки диоксид урана, что
экспериментально показано в [7].
VII Забабахинские научные чтения
3
На основании результатов изложенных выше, можно предположить следующее. Первоначально Земля была
раскаленной, расплавленной. Твердым могло оставаться только ядро, из–за огромного давления. (Это три
с половиной миллиона атмосфер в центре Земли.) Плавление внешних слоев произошло из–за постоянной
бомбардировки поверхности падающим веществом, а также благодаря распаду короткоживущих радиоактивных элементов, которых миллиарды лет назад было существенно больше, чем в настоящее время. Подтверждением этого может быть тот факт, что и в настоящее время часть вещества в недрах Земли остается расплавленной, несмотря на остывание.
В «океане» магмы, состоящем в основном из смесей растворов и расплавов железа и силикатов, растворены
и соединения урана и тория. Очевидно, это наиболее устойчивые при высоких давлениях и температурах простые соединения: оксиды, карбиды, нитриды. После прекращения бомбардировки и уменьшения выделения
радиоактивного тепла бушующий «океан» магмы начал остывать. При остывании планеты первыми кристаллизуются силикаты, так как у них температура плавления выше, чем у железа. При этом они практически полностью вытесняют из своей решетки оксиды урана и тория. Эти соединения урана и тория в виде кристаллов,
как более тугоплавкие, частично в виде раствора оказываются в железоникелевом расплаве. По мере уменьшения бомбардировки планеты выпадающим веществом и уменьшения выделения тепла радиоактивными короткоживущими элементами, «океан» магмы относительно успокаивается, и становится все более интенсивной
гравитационная дифференциация вещества по плотности. Силикатные частицы поднимаются вверх, железоникелевый расплав с взвешенными в нем кристаллами актиноидов  к ядру Земли. С повышением давления
к ядру Земли кристаллизуется и оставшаяся часть растворенных в металлическом расплаве актиноидов. Как
более плотные такие частицы оксидов и, возможно карбидов урана и тория, с уменьшением тепловой конвекции в жидком слое оседают на твердое ядро планеты.
Очевидно, в описанном процессе нельзя полностью разделить по времени остывание и кристаллизацию силикатов, и гравитационную дифференциацию вещества. Несмотря на интенсивную конвекцию в «океане» магмы, наиболее легкие фракции силикатов в расплавленном состоянии, с растворенными в них соединениями
актиноидов и других веществ могли подниматься к поверхности. Остывая и затвердевая, они образовали относительно тонкую каменную кору Земли. Поэтому некоторые виды гранитов в земной коре содержат относительно много урана.
Механизм концентрации урана и тория, возможно в деталях был иной, но он должен был обеспечить необходимую для дополнительного выделения тепла концентрацию актиноидов не только в земной коре, но и глубоко в ее недрах. А согласно приведенным выше экспериментальным данным, при гравитационной дифференциации вещества планеты химически устойчивые и высокоплотные соединения актиноидов могли опуститься
вместе с расплавленным железом и сконцентрироваться в ядре Земли.
2. Возможные механизмы возникновения и протекания
цепных ядерных реакций в ядре Земли
Процесс концентрации актиноидов над поверхностью твердого внутреннего ядра Земли мог произойти
вскоре после образования Земли и гравитационной дифференциации ее вещества, то есть не менее 44,5 миллиардов лет назад (на Земле не обнаружено пород возрастом более 4 млрд. лет). Содержание легко делящегося
235
изотопа
U тогда было более 16 %, то есть достаточно для начала цепных ядерных реакций. Однако из–за
начавшегося тепловыделения в активном слое возникают тепловые конвективные потоки, которые разуплотняют слой и реакция замедляется. Так мог установиться саморегулируемый процесс. Но чтобы рассчитать подобный процесс кроме изотопного состава актиноидов, их периодов полураспада и основных цепочек ядерных
превращений, необходимо знать состав среды, в которой находятся активные частицы. Среда может захватывать нейтроны деления или замедлять, что надо знать в расчетах.
Считается, что ядро Земли состоит в основном из железа. Об этом говорит его относительно высокая плотность, высокая электропроводность, необходимая для поддержания работы геодинамо, создающего магнитное
поле Земли, а также высокая распространенность железа в Солнечной системе. Однако современные геофизические и ударно–волновые данные говорят и о том, что ядро Земли имеет меньшую плотность, чем чистое железо при существующих в ядре давлениях и температурах. С другой стороны, скорость сейсмических волн
в ядре существенно выше, чем скорость звука в железе при плотности вещества в ядре. Поэтому существует
проблема легкого химического элемента (или элементов) в составе земного ядра, который уменьшал бы суммарную плотность ядра по сравнению с чистым железом, но существенно не уменьшал бы скорость звука
в ядре при этих давлениях. Очевидно, что такими элементами могут быть только достаточно распространенные в Солнечной системе H, C, N, O, Mg, Si, S.
Таким образом, целью исследований было конструирование среды, которая имеет такие же плотность
и скорость звука, как ядро Земли. Конечно, при высоких давлениях и температурах, как в недрах Земли. Предварительно, состав удовлетворяющих геофизическим требованиям материалов, их ударные адиабаты и скорости звука рассчитывались по методам, изложенным в [8]. Согласно расчетам, требуемым параметрам, как
4
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
добавка к железу, удовлетворяет углерод в алмазной фазе. Поэтому смеси железа с алмазом и, для сравнения,
с серой и исследовались экспериментально. Проведенные исследования подтвердили теоретические предсказания о том, что одной из легких добавок может быть углерод, в том числе и в алмазной фазе, а железоникелевое ядро может содержать около 10 % углерода и до нескольких процентов других элементов [9]. Полученные
результаты используются ниже в расчетах.
2.1. Квазистационарное горение с воспроизводством делящихся изотопов
Продолжительность работы ядерного источника энергии на границе жидкой и твердой фаз ядра Земли, возможность цепной ядерной реакции в настоящее время, величина выделившейся энергии, несомненно, представляют интерес. При рассмотрении продолжительности ядерных реакций необходимо учитывать действие
двух разнонаправленных факторов: обеднение делящимися изотопами (выгорание) из–за альфа–распада и реакции деления, и воспроизводство делящихся нуклидов, приводящее к постоянной «самоподпитке» новым топливом цепной ядерной реакции деления. Если реакция деления происходит на быстрых нейтронах, то при
238
поглощении нейтронов происходят ядерные превращения, в которых некоторая доля «сырьевого» изотопа U
239
постоянно превращается в изотоп
Pu, для которого в рассматриваемых условиях оказывается важным не
столько способность поддерживать цепную реакцию, сколько то, что в результате альфа–распада он превращается в 235U. Эти ядерные цепочки воспроизводства гипотетически позволяют реакции деления продолжаться
235
намного дольше, чем реакция деления только U.
Соотношение процессов обеднения (включая выгорание) и воспроизводства определяется мощностью процесса. При малой мощности воспроизводства топлива нет, и продолжительность возможности достижения
235
критического состояния определяется альфа–распадом, который уменьшает долю изотопа
U ниже критического уровня примерно 3 миллиарда лет назад. Для того чтобы цепная реакция деления была возможна более
длительное время, необходим уровень мощности с одной стороны достаточно высокий, чтобы компенсировать
воспроизводством обеднение топлива за счет альфа–распада, с другой стороны, не слишком высокий, чтобы
уран не выгорал быстро. Существование уровня мощности, удовлетворяющего одновременно двум этим условиям, заранее неочевидно и исследовалось нами с помощью численного моделирования.
Используемая в работе расчетная модель предназначена для проверки принципиальной возможности поддержания цепной реакции в течение миллиардов лет. Ввиду недостатка в системе эффективного замедлителя
(углерода), цепная реакция деления идет, в основном, на быстрых нейтронах. Мы используем микро и макроконстанты БНАБ [10]. При этом считается, что продукты реакции деления диффундируют из кристаллов урана
в расплав и всплывают, тем самым удаляются из зоны ядерной реакции.
Моделируемая среда представляет собой смесь железо–никель–углеродного расплава (в соотношении
3
3
80:10:10 по массе) с плотностью 12 г/см и кристаллов диоксида урана плотностью 19,5 г/см ; температура
среды  5000 К, давление  330 ГПа. Стартовое время моделирования – 4 миллиарда лет назад. Вероятно,
можно рассматривать такие среды как множество «озер» актинидов на твердом ядре Земли.
Пространственно–энергетическое распределение потока нейтронов рассчитывается в пространственно–
2
независимом нуль–мерном приближении (В  приближение). Задача определения эффективного коэффициента размножения (Keff) сводится к чисто энергетической, где Keff вычисляется из уравнения баланса в много2
групповом В  приближении.
Для описания изотопной кинетики делящихся нуклидов урана и плутония методом конечных разностей решалась система уравнений вида:
dN A
= −c A − f A − d A + c A−1 + x A f sum ,
dt
где A  рассматриваемый список нуклидов:
235
U,
236
U,
238
U,
239
Pu,
240
Pu, xA  доля нуклида A в рассматри-
ваемом материале, f sum  сумма делений по всем нуклидам материала, сA  радиационный захват, fA  деление, dA  альфа–распад.
Основные результаты расчетов приведены на рис.2 и в таблице.
Как следует из полученных результатов, в зависимости от состава активного слоя, образовавшегося 4 млрд.
лет назад с обогащением по 235U 16 % (для того времени), возможны следующие случаи.
1. Самоподдерживающаяся цепная реакция деления невозможна. Например, из-за слишком больших тепловых конвективных потоков и, соответственно, большой объемной доли железоникелевого расплава. Изотопная
кинетика осуществляется полностью по каналу альфа−распада. Суммарная выделившаяся энергия за все время
равна энергии, выделившейся в альфа−распаде.
VII Забабахинские научные чтения
5
2. Возможна цепная реакция на уране исходного обогащения. Реакция проходит на некотором уровне мощности, определяемом обратными связями. Происходящее в ходе реакции превращение изотопов с появлением
239
Pu является «малой» добавкой, не меняющей качественно ход процесса. Цепная реакция прекращается после
снижения доли 235U ниже критического уровня. Оставшийся делящийся материал продолжает выделять энергию через альфа-распад, то есть, переходим к случаю 1.
3. Бридерный режим, в частности импульсный или эпизодический в нейтронно-делительной волне (см. ниже), когда в течение короткого времени цепная реакция происходит, а затем в течение длительного времени
реакции нет, но идет медленное оседание разбросанного делящегося вещества на поверхность твердого ядра.
Так как при делении выделяется порядка 200 МэВ, а во всей цепочке альфа−распадов - примерно 50 МэВ, то за
четыре миллиарда лет суммарное выделение энергии могло быть в 2-3 раза больше, чем только при альфараспаде.
Рис. 2. Зависимость коэффициента размножения нейтронов Keff во времени от уровня мощности цепных ядерных реакций
Кривая  «мощность 0» показывает, что цепная реакция деления через 1 млрд. лет прекращается (Keff<1). Кривая  «мощность 0,7×10Вт/см3»  реакция также прекращается через 1 млрд. лет. Кривая  «мощность 1,6×10-5 Вт/см3»  реакция продолжается до настоящего
времени. Кривая  «мощность 5,0×10-5 Вт/см3» реакция прекращается через 2 млрд. 700 млн. лет
5
Таблица
Изменение нуклидного состава и параметры рассчитываемой среды в процессе выгорания
и альфа−распада в случае начала цепной ядерной реакции деления 3,9 млрд. лет назад и до настоящего
-6
3
времени, при начальной мощности 210,67×10 Вт/см , в случае импульсного процесса выгорания
Время, млрд. лет назад
Нуклид
3,9
3,5
3,0
2,5
1.5
1.0
0.5
0.0
Ядерные концентрации, N×1024 ядер/см3
235
U
U
238
U
239
Pu
240
Pu
236
0,69052*
0,0
0,37791
0,0
0,0
15,4
Параметры
среды
3000,0
0,653
0,4902
0,8214
0,3971
0,4144
0,3277
10,99
2396,93
0,962
0,4022
0,5674
0,4061
0,3734
0,2347
0,3742
0,4062
0,4462
0,5534
0,1133
0,2183
0,4091
0,4041
0,3991
0,4044
0,7634
0,1323
0,2627
0,.9917
0,3216
Обогащение по 235U, %
9,01
8,37
9,1
10,03
Толщина слоя зоны реакции, см
1921,56
1565,7
965,5
658,85
1,19
Коэффициент воспроизводства Keff
1,29
1,18
Средняя мощность, 10
210,67
263,42
–2
328,65
* 0.69052 означает 0.6905⋅10 , далее аналогично.
403,33
–6
Вт/см
653,5
0,4702
0,5193
0,3921
0,2903
0,1675
10,66
0,3822
0,2112
0,3761
0,1162
0,2564
9,0
331,84
32,91
1,06
0,99
1,12
956,41
1891,0
3
18463,0
6
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
Для экспериментального определения нейтронно–физических характеристик природных ядерных реакторов, существующих на границе твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра Земли, можно попытаться проанализировать выход продуктов деления, которые мигрируют из зоны цепной реакции и могут достигать
3
4
поверхности. В частности, возможным кандидатом является отношение изотопов He/ He. Примерно одно из
10000 делений происходит не на два, а на три фрагмента, одним из основных продуктов которого является
3
3
тритий Н, который после бета–распада (период полураспада около 12 лет) превращается в Не. Кроме того,
нейтринными детекторами можно попытаться зарегистрировать испускаемые при делении ядер электронные
антинейтрино [1].
Изменения в энерговыделении, вызванные импульсным характером цепной реакции могут являться энергетическим источником переменных конвективных течений в жидкометаллическом внешнем ядре Земли и, следовательно, изменения интенсивности геомагнитного поля и смены его полярности.
Таким образом, на основании проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:
1. Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления в ядре Земли, раз начавшись в далеком прошлом, при определенных уровнях мощности может существовать вплоть до настоящего времени, напоминая
собой бридерный режим «рукотворного» ядерного реактора на быстрых нейтронах.
2. Цепные ядерные реакции деления урана могли привести к существенному увеличению тепловыделения в
недрах Земли по сравнению с естественным радиоактивным распадом.
Отметим, что в выше не учитывался торий, который мог себя вести подобно урану.
2.2. Нейтронно–делительная волна Л. П. Феоктистова
Л.П. Феоктистовым [11] показана возможность организации в материале, неспособном в обычных условиях
238
к цепной реакции (как
U), самораспространяющейся волны нейтронного деления. Вначале должен существовать очаг реакции, сформированный принудительно, например, за счет обогащения делящимся изотопом.
Последующие слои урана улавливают нейтроны, вылетающие из зоны реакции, в них нарабатывается плуто239
ний
Pu. При определенных условиях активная зона может передвинуться, и начнется накопление плутония
в следующих слоях. В результате возникнет стационарная волна, не зависящая от деталей инициирования, во
фронте которой уран перерабатывается в плутоний за счет нейтронов деления. Скорость волны порядка L / τ,
где L  длина поглощения нейтрона, τ  время образования плутония, то есть сантиметры в сутки. В работах
Л.П. Феоктистова нейтронно–делительная волна используется как пример реактора  размножителя на быстрых нейтронах, обладающего внутренней безопасностью за счет большого времени τ подготовки топлива и не
требующего промежуточной операции выделения плутония.
Двухфазный слой на поверхности твердого ядра Земли представляет собой естественную среду для нейтронно–делительной волны. Поскольку в такой волне мог бы реагировать современный природный и даже
обедненный уран, несомненна важность оценки реальной возможности волнового режима. Выделенная энергия, в пересчете на все вещество Земли, может составлять около 1 ккал/г, то есть примерно как у химических
взрывчатых веществ. Выделяемая в волне удельная мощность может быть на много порядков выше, чем при
радиоактивном распаде (считается, что энерговыделение распада двигает континенты).
В работе [12] численно исследованы характеристики таких волн. Модель Л.П. Феоктистова дополнена
рассмотрением нестационарного этапа формирования волны, а также влияния начального обогащения. Разбавители, кислород или углерод и железо, влияют только на параметры модели, в основном на критическую концентрацию, но форма уравнений не меняется. Обогащение активным изотопом, естественно, облегчает формирование волны. Например, при критической доле активного изотопа 8 % и обогащении 7,5 % формируется
волна со скоростью D = 0,19L/τ . Эти условия близки к предельным, обогащения 7 % уже недостаточно. Волна
238
вблизи предела гораздо более длинная. Выгорание урана U хотя и меньше, чем достигаемое вдали от предела, но тоже значительно  около 20 %. Важно, что обогащение позволяет организовать распространяющуюся
волну в окиси урана, которая без обогащения инертна.
Рассмотрим возможные геофизические проявления распространения нейтронно–делительной волны по поверхности твердого внутреннего ядра Земли. Критическая доля активного изотопа в слое рассматриваемого
23
состава около 8 %. До этого значения доля урана 5U упала примерно 3 млрд. лет назад. Ранее толстый слой не
мог образоваться, при достижении критической толщины началась бы реакция. Не исключено, что именно так
и происходило, были локальные вспышки или горение на больших площадях, поддерживаемое оседанием топлива, причем нарабатывался плутоний.
После прохождения критической концентрации в течение некоторого времени может распространяться
нейтронно–делительная волна. Она зажжется в самом благоприятном месте и расползется в стороны. При скорости волны сантиметры в сутки время обхода внутреннего ядра порядка миллиона лет. Если режим околокритический, то время может быть на порядок больше. Геологически это время небольшое, и прохождение волны
будет носить характер катастрофы.
VII Забабахинские научные чтения
7
Некоторые указания на такие события имеются. Само понятие геологических эпох предполагает какие–то
основательные причины для переключения темпов эволюции Земли. В частности, интересна граница архей–
протерозой. В статье японских геологов [13] отмечается всплеск породообразования 2.7 млрд. лет назад, синхронно произошедший на всех континентах.
Авторы [13] предлагают довольно нечеткое объяснение этой аномалии нарушением устойчивого состояния
ядра за счет приливного резонанса. Изложенное выше позволяет предположить прохождение нейтронно–
делительной волны 2,7 и, возможно, 1,8 млрд. лет назад. Плутония после прохождения волны становится
больше, в чем и состоит суть бридинга. Поэтому возможны повторные события после очищения слоя (всплытия более легких осколков деления).
Сейчас, если глубинный состав урана такой же, как в земной коре, волна деления распространяться не может (обогащение слишком мало). Но если в прошлом происходил бридинг, что подробно обсуждалось выше,
то не исключена возможность волнового режима и в настоящее время. Так как волна может проходить вокруг
ядра Земли за время порядка миллиона лет или существенно большее вблизи предела, то за такие времена
должно меняться и направление течений во внешнем проводящем ядре Земли, ответственном за ее магнитное
поле. Но приблизительно с такой частотой и менялось направление магнитного поля Земли, что достаточно
хорошо известно начиная с 600 миллионов лет назад.
Даже при малой глубине ядерной реакции энерговыделение будет велико. Однако благодаря медленности
реакции могут быть стабильные режимы. Как и в индустриальных «быстрых» реакторах, теплоотвод в слое
осуществляется жидким металлом. Возможны режимы с плотностью мощности несколько МВт/л, то есть того
же порядка, как применяется в технологии. Но если даже конвекция будет разбрасывать вещество и прекращать реакцию в данном месте, наработанный плутоний после охлаждения вновь выпадет на границу слоя, по
большей части в тех местах, где реакция еще не шла. За счет такой своеобразной диффузии становится возможна вспышка в новом месте. Можно ожидать непрерывного спектра режимов, из которых крайние варианты  это стационарная нейтронно–делительная волна и горение отдельных пятен – «реакторов».
2.3. Гетерогенная ядерная детонация на реакции деления
Как отмечено выше, активный слой над поверхностью твердого ядра планеты может находиться в подкритическом состоянии и представлять собой взвесь активных частиц в железо–углеродном расплаве. В такой гетерогенной среде с делящимся элементом, когда среда состоит из фрагментов фаз разной плотности и состава,
возможно, не исключена гетерогенная ядерная детонация. Здесь при движении ударной волны, например от
землетрясения или падения астероида возникает многоскоростное течение, которое приводит к изменению
относительных концентраций делящихся и других компонентов среды, влияющих на судьбу нейтронов. В результате среда, первоначально находившаяся в докритическом состоянии по развитию цепной реакции деления, может в некотором слое за фронтом ударной волны перейти в сверхкритическое состояние. Необходимая
толщина этого слоя может быть обеспечена достаточно крупными размерами разноплотных фрагментов, входящих в систему. После достижения сверхкритического состояния в слое будет развиваться разветвленная
цепная реакция ядерного деления. Далее в такой гетерогенной системе можно представить самоподдерживающийся разгон и последующее стационарное распространение детонационной волны, если размеры системы
достаточно велики. При распространении детонационной волны частичное энерговыделение будет проходить
и перед фронтом ударной волны за счет диффузии нейтронов из основной зоны реакции.
Описанная модель детонационной волны, конечно, нуждается в более детальной проработке и численном
исследовании, в том числе на устойчивость.
2.4. Цепная реакция в гравитационной волне уровня
Подобно рассмотренному выше случаю, при движении ударной волны от землетрясения или удара астероида может возникнуть волна уровня, увеличивающая толщину активного слоя и, следовательно, уменьшающая удельную поверхность на единицу объема активного слоя, через которую происходит утечка нейтронов
деления. Так среда, находящаяся в околокритическом состоянии может перейти в сверхкритическое состояние.
2.5. Локальный или глобальный взрыв, инициированный ударом астероида
Таким образом, взрыв в активном слое при ударе астероида, в сейсмической волне от мощного землетрясения или другого возмущения мог произойти по механизму гетерогенной ядерной детонации или в волне уровня. Однако, более глубокий и быстрый переход активного слоя в сверхкритическое состояние мог произойти
при нормальном падении ударной волны на твердое ядро планеты или при ее выходе из твердого ядра, как на
«поршне». При этом в ударной волне могло произойти увеличение относительной концентрации делящихся
веществ до нескольких десятков процентов. Такой процесс известен, объясняется скоростной неравновесностью
8
Снежинск, 812 сентября 2003 г.
гетерогенной среды в ударной волне и численно смоделирован в [14]. В этом случае могла прореагировать существенная часть осевших актиноидов. Предварительные результаты расчетов происходящих при этом взрывов и фрагментации планет опубликованы, в частности, в [15].
Результатами ядерных взрывов в планетах могли быть следующие наблюдаемые в Солнечной системе ее
особенности: пояса астероидов и отдельные астероиды, которые очевидно являются фрагментами разрушенных планет; пылеледяные кометы, которые возможно являются остатками внешних сброшенных при взрыве
водяных (ледяных) оболочек планет; хондры – застывшие стекловидные шарики, которые затем вошли в состав метеоритов – хондритов и которые могли появиться в результате распыления при взрыве жидких слоев
планеты; выброс спутников планет и образование колец у Сатурна и других Больших планет. Взрывами могут
объясняться и необычные характеристики некоторых планет, и изотопные аномалии в небесных телах.
Первоначально, в расчетах взрывов в недрах планет были трудности. Так, для выброса спутников Юпитера,
нужен был максимально мощный взрыв. Но при введении в расчеты силы тяжести оказалось, что образующаяся при взрыве каверна схлопывается так, что образуется мощная кумулятивная струя, начинающая из самого
ядра планеты. Так мог, например, образоваться состоящий из раскаленного железа ближайший спутник Юпитера Ио, происхождение которого иначе объяснить трудно.
Введение суточного вращения планеты позволило провести расчет варианта выброса Луны с параметрами,
близкими к наблюдаемым. Некоторые результаты этих расчетов приведены в настоящих Трудах (Д.В. Воронин
и В.Ф. Анисичкин, «Моделирование разрушения планет при взрыве»).
3. Возможные проявления цепных ядерных реакций в ядре Земли в прошлом и настоящем
Как отмечалось выше, тектоническая активность, характеристики магнитного поля, а также климат Земли
многократно менялись в её истории. Возможно, эти события отражали смену режимов и интенсивности работы
природных реакторов в ядре Земли.
Взрыв в ядре Земли может объяснять происхождение Луны, некоторые характеристики и особенности
строения Земли. Несимметричность взрыва привела к однобокости выброса и к несимметричности земной коры. На противоположной от места выброса сохранился огромный Суперконтинент, который вследствие явления изостазии  стремления к минимуму потенциальной энергии и выравниванию поверхности, затем распался на несколько более мелких континентов. Вследствие взрыва земная ось оказалась наклонена к плоскости ее
орбиты, что является причиной смены сезонов.
Благодаря взрыву в недрах Земли могла появиться и жизнь на Земле. Дело в том, что первичная земная атмосфера, очевидно была очень тяжелая и содержала пары кислот, как сейчас у Венеры. При взрыве она была
сброшена и образовалась вторичная легкая атмосфера, благоприятная для появления Жизни.
Заключение
Таким образом, на основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующий вывод.
На ранних стадиях эволюции Земли и других планет оксиды урана и тория (или карбиды), как более плотные, тугоплавкие и малорастворимые при высоких давлениях, могли оседать из «океана» магмы на твердое
внутреннее ядро планеты. Миллиарды лет назад концентрация делящегося изотопа 235U в природном уране
была достаточной для начала цепных реакций в образующемся активном слое. При малой мощности самоподдерживающаяся цепная реакция, начавшись в далеком прошлом, могла эпизодически возобновляться вплоть
до настоящего времени, напоминая собой бридерный режим «рукотворного» ядерного реактора на быстрых
нейтронах. Затухание реакции связано как с возникновением тепловых конвективных потоков, так и с накоплением осколков деления. Возобновление – с оседанием активных частиц и всплыванием шлаков, как более
легких. При постоянном удалении шлаков возможна квазистационарная реакция. Цепные ядерные реакции в
активном слое вплоть до настоящего времени могли протекать в следующих, качественно различных режимах:
– квазистационарное горение с воспроизводством делящихся изотопов;
– нейтронно–делительная волна Л.П. Феоктистова;
– гетерогенная ядерная детонация на реакции деления;
– цепная реакция в гравитационной волне уровня;
– локальный или глобальный взрыв, инициированный ударом астероида.
Цепные реакции деления могли привести к существенному увеличению тепловыделения в недрах Земли по
сравнению с естественным радиоактивным распадом урана и тория.
Цепные ядерные реакции могли играть и, возможно, играют существенную роль в эволюции Земли и Солнечной системы в целом.
VII Забабахинские научные чтения
9
Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционных проектов СО РАН: №24 «Изучение возможности взрывного энерговыделения в недрах планет» и №50 «Исследование физико–механических свойств
вероятных компонентов ядра и нижней мантии Земли».
Ссылки
1. Schewe P.F., Stein B. Uranium prospecting with neutrinos // Physics News Update. The American Institute of
Physics Bulletin of Physics News.  1998.  No. 354.
2. Murthy V.R., Westrenen van W., Fei Y. Experimental evidence that potassium is a substantial radioactive heat
source in planetary cores // Nature.  2003.  V. 423.  P. 163165.
3. Kuroda P.K. On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals // J. Chem. Phys.  1956.  V. 25. 
No. 4.  P. 781782.
4. Driscoll R.B. Nuclear Disruption of a Planet with Convective Outer Core // Bulletin of the American Physical
Society.  1988.  Series II.  V. 33.  No. 4.  P. 1031.
5. Nanda J.N. Earth’s innermost core and atomic explosions in planets // Proc. Indian National Science Academy. 
1989.  V. 55.  P. 101109; P. 620623.
6. Митрофанов В.В., Анисичкин В.Ф., Воронин Д.В. и др. О возможности взрывного ядерного энерговыделения в недрах планет // Труды Международной конференции V Забабахинские научные чтения.  Снежинск, Издательство РФЯЦ  ВНИИТФ, 1999.  С. 6776.
7. Beattie P. The generation of uranium series disequilibria by partial melting of spinel peridotite: constraints from
partitioning studies // Earth and Planetary Science Letters.  1993.  V. 117.  P. 379391.
8. Анисичкин В.Ф. Ударно–волновые данные как доказательство присутствия углерода в ядре и нижней мантии Земли // Физика горения и взрыва.  2000.  Т. 36.  № 4.  С. 108114.
9. Титов В.М., Анисичкин В.Ф., Бордзиловский С.А. и др. Измерение скорости звука за фронтом ударной волны в смесях железа с алмазом // Физика горения и взрыва.  2004.  Т. 40. (в печати).
10. Abagyan L.P., Bazazyants N.O., Bondarenko I.I., Nikolaev M.N. Group Constants for Nuclear Reactor Calculations // N. Y., Colsultants Bureau, 1964.
11. Феоктистов Л.П. Нейтронно–делительная волна // Доклады АН СССР.  1989.  Т. 309.  № 4. 
С. 864867.
12. Ершов А.П., Анисичкин, В.Ф. О нейтронно–делительной волне // Физика горения и взрыва.  2003. 
Т. 39.  № 2.  С. 121—127.
13. Kumazawa M., Yoshida S., Ito T. and Yoshioka H. Archaean–Proterozoic boundary interpreted as a catastrophic
collapse of the stable density stratification in the core // J. Geol. Soc. Japan.  1994.  V. 100.  No. 1. 
P. 5059.
14. Воронин Д.В., Анисичкин В.Ф. Моделирование поведения взвесей тяжелых частиц за фронтом ударной
волны // Физика горения и взрыва.  2001.  Т. 37.  № 4.  С. 116—121.
15. Анисичкин В.Ф., Воронин Д.В., Крюков Б.П. Расчет фрагментации планет при взрыве // Труды Международной конференции V Забабахинские научные чтения.  Снежинск, Издательство РФЯЦ  ВНИИТФ,
1999.  С. 8991.