핵지오리액터가 코어‑맨틀 경계에 존재할 가능성과 지구 화학적 영향

초록

이 논문은 지구 중심‑맨틀 경계(CMB)에서 우라늄·토륨·244Pu가 칼슘 실리케이트 페롭스키트(CaPv)에 농축될 경우, 약 1 % 수준의 우라늄 농도와 10배 정도의 Pu 농축만으로도 빠른 중성자 핵분열에 의한 자가 지속 지오리액터가 발동·운전될 수 있음을 보인다. 5 TW 규모의 지속적인 열 생산은 맨틀의 헬륨·크세논 동위원소 비율을 설명하고, 방향성 지오중성미자 탐사를 통해 검증 가능하다.

상세 분석

본 연구는 CMB에서 우라늄(U)·토륨(Th)·244Pu가 주로 CaPv 상에 편재한다는 최신 고압 실험 결과를 기반으로, 초기 지구(4.5 Ga) 시점의 평균 농도가 각각 4.3 ppm, 7.9 ppm, 23 ppb에 달함을 제시한다. 이러한 농도는 전역적으로는 임계조건(k_eff > 1)을 충족시키지 못하지만, CaPv가 전체 CMB 부피의 5 %만 차지한다는 가정 하에 국부적인 농축(10배~20배)만으로도 핵분열 연쇄반응을 시작할 수 있다. 특히 244Pu는 자연적인 자발핵분열 비율이 238U보다 10³배 높아, 초기 중성자원을 크게 공급한다. 저온·고압 환경에서 중성자는 수백 미터 정도의 평균 자유행로를 가지며, 대부분 238U·232Th에 흡수돼 239Pu·233U로 전환, 이는 다시 핵분열 가능핵이 되어 ‘브리더’ 역할을 수행한다. 따라서 일단 임계 상태에 도달하면, 연료 자체가 재생산되는 자가 지속형 지오리액터가 형성된다. 저자는 k_eff ≈ 1을 유지하기 위해서는 비핵분열 물질 대비 핵분열 물질 비율이 약 1:20 정도가 필요하다고 계산했으며, 이는 CaPv‑U‑Th‑Pu 혼합계가 국부적으로 20배 이상 농축될 경우 현실적으로 달성될 수 있다. 이러한 조건이 충족되면 5 TW 수준의 열 생산이 가능하고, 이는 현재 지구 표면에서 관측되는 31–44 TW 열 흐름의 10–15 %에 해당한다. 핵반응에서 생성되는 ³He·⁴He 비율, ⁸⁶Kr·⁸⁴Kr·¹³²Xe·¹³⁰Xe 동위원소 비율은 관측된 맨틀 가스 조성와 일치한다는 점에서, 지오리액터 가설을 지구 화학적 증거와도 연결한다. 마지막으로, 방향성 지오중성미자 탐사는 현재와 과거의 지오리액터 존재 여부를 검증할 수 있는 유일한 실험적 방법으로 제시된다.