1992. aastal avaldas USA teadlane J. Marvin Herndon hüpoteesi, et lõhustumise tuumareaktsioonid võivad olla selliste hiidplaneetide nagu Jupiteri, Saturni ja Neptuuni energiaallikaks, sest need planeedid kiirgavad välja rohkem energiat kui Päikeselt saavad. Alates 1993. aastast on Herndon arendanud ideed Maa keskme läheduses asuvast umbes kaheksakilomeetrise läbimõõduga kerast, kus toimuvad tuumareaktsioonid. 2003. aastal tuligi see USA geofüüsik välja hüpoteesiga, et Maa sisemuses paikneb looduslik tuumareaktor - georeaktor.
Üldlevinud arusaama kohaselt asub Maa sisemuses umbes 1250-kilomeetrise läbimõõduga tahkest niklist ja rauast koosnev sisetuum, mida ümbritseb umbes 3500-kilomeetrise diameetriga sulas olekus rauast ja niklist välistuum.
Herndoni hüpoteesi kohaselt on Maa sisemuses hoopis kaheksakilomeetrise läbimõõduga uraani sisaldav kera, mis töötab nagu kiire briider-reaktori tüüpi tuumajaam. Briider (ingl breeder - aretaja, sigitaja) ehk paljundusreaktor on selline reaktoritüüp, kus tänu ahelreaktsioonile tekib tuumade lõhustumisel lõhustumisvõimelisi tuumi juurde. Seejuures ümbritseb Maa-sisest tuumajaama ehk georeaktorit vedela välistuuma asemel tahkes olekus niklist ja ränist ehk nikkelsilitsiidist koosnev sfäär.
Geomagnetiline väli ja kütus
Georeaktori reaktsioonidest eralduv soojus paneb liikuma laetud osakesed Maa sisemuses, mis omakorda tekitavad geomagnetilise välja.
Geomagnetiline väli on Maad ümbritsev magnetväli, mis kaitseb meid Päikeselt tuleva korpuskulaarkiirguse ehk laetud osakeste voo eest. Georeaktori reaktsioonid on ka energiaallikaks, mis panevad käima geodünaamilised protsessid, nagu vulkaanipursked ja laamade liikumine. Samal ajal traditsioonilise geofüüsika teooria järgi saavad eelmainitud protsessid energiat vedelas tuumas sula raua ja nikli kristallisatsioonis eraldunud soojusest ning radioaktiivsete isotoopide lagunemisest.
Georeaktori kütuseks on uraan. Maa tuum sisaldab uraani isotoope 235U ja 238U. Georeaktoris toimub 235U lõhustumine. Selle käigus vabanenud neutronid neelduvad 238U tuumades, muutes need plutooniumi 239Pu tuumadeks. Reaktsioonide ahel on järgmine: 235U neelab neutroni, tekib ebastabiilne 236U tuum, mis lõhustub edasi kaheks kildtuumaks (xKT ja yKT), vabanevad 2-3 neutronit, γ-kvant ja antineutriinod.
235U + 1n
→ 236U → xKT + yKT + 2...3
1n + γ +
238U + 1n → 239Pu
Eks niisugust ahelreaktsiooni kasutataksegi paljudes tuumareaktorites elektrienergia tootmiseks.
Tuumareaktsiooni käigus tekkivaid lõhustumisprodukte kutsutakse reaktori mürkideks. Need ained neelavad neutrone. See aeglustab reaktsioone, reaktori mürkide kogunemine viib lõpuks reaktsioonide katkemiseni. Tavalistes reaktorites jäävad lõhustumisproduktid kütuseelementidesse, mürgitades reaktorit. Et reaktor edasi töötaks, tuleb kütuseelement uuega asendada. Georeaktori lõhustusproduktid on aga palju kergemad kui ematuumad uraan ja plutoonium. Need lõhustumisproduktid tõusevad aja jooksul tihedas keskkonnas kõrgemale ega mürgita reaktorit. Georeaktori puhul pole vaja kütuseelementi ära vahetada. Kui piisav hulk lõhustumisprodukte on Maa keskmest ülespoole kerkinud, käivituvad tuumareaktsioonid uuesti. Herndoni hüpoteesi järgi põhjustab georeaktori töö aeglustumine ja kiirenemine Maa magnetvälja suuna ja intensiivsuse muutumist.
Herndoni hüpoteesi lähtekohad
Klassikaline ettekujutus Maa diferentseerumisest usub, et raud ja nikkel vajusid gravitatsioonijõu toimel Maa keskmesse, võttes endaga kaasa elemendid, mis raua ja nikliga kombineeruvad. Ülejäänud elemendid, sealhulgas uraan, liitusid hapniku ja räniga. Tekkisid silikaadid, mis hajusid laiali Maa koores. Selle teooria mudelina on kasutatud meteoriite.
Ka Herndoni hüpotees lähtub meteoriitide uurimisest, kuid aluseks on võetud harva esinev meteoriiditüüp - enestaatiline kondriit. Sellise koostisega taevakeha sisaldab vähe hapnikku. Kogu uraan ei saa oksüdeeruda, kuna hapnikku lihtsalt ei jätku. Uraan kui raske element vajus Maa tuuma. Herndoni arvutuste kohaselt kogunes Maa südamesse ligi 64 protsenti uraanist ning sellest piisavat täiesti tuumareaktsioonide alustamiseks.
Oklo georeaktor
Herndoni väide saab kinnitust ka sellest, et looduslik tuumareaktor on Maal olemas olnud. Seda pole leitud küll Maa tuumast, vaid pinnalähedastest kihtidest. Ekvatoriaal-Aafrikas Gaboni kaguosas asub Oklo uraanikaevandus.
Nimelt 1972. aastal leidsid Prantsuse teadlased Oklo uraanilademe kihtidest kahe haruldase muldmetalli, neodüümi ja samaariumi isotoope. Need keemilised elemendid tekivad tuumareaktsioonide käigus. Sealsete uraaniproovide täpsemal analüüsil leiti, et 235U tase oli 0,4 protsenti erinev kui tavaliselt looduslikes maakides. Looduses leidub uraani 238U 99,3 protsenti ja 235U 0,7 protsenti. Kõrvalekalded sellest viitavad, et lisaks tavalisele radioaktiivsele lagunemisele on ainega toimunud ka teistsuguseid protsesse. Isotoopide suhe Oklo uraanis sarnaneb tänapäevaste tuumareaktorite lõpp-produktide omaga. Sellest järeldati, et Oklos on kunagi toimunud tuumareaktsioonid. Oklo uraanikaevanduse tsoone, kus uraani isotoopide suhe erineb looduslikust, tuntakse looduslike fossiilreaktoritena. Need avastati 1972. aastal. Kokku arvatakse Oklo läheduses olevat 16 reaktoritsooni. Oklo uraanivarude vanus arvatakse olevat 1,7 miljardit aastat. Reaktorite töötamise algusajal oli kolm protsenti sealsest uraanist 235U. See on piisav kontsentratsioon tuumareaktsioonide alustamiseks. Väga tähtis lisatingimus on ka vee olemasolu. Nimelt aeglustab vesi neutroneid. Kiired neutronid ei suuda tuumi lõhustada. Oklos filtreerus vesi maapõues asuvasse uraanilademesse läbi kivimilõhede. Tuumareaktsioonide tulemusena eraldus suur hulk soojust. Kui kõrge temperatuuri tõttu vesi aurustus, jäi reaktor seisma. Uue vee peale imbumisel käivitusid tuumareaktsioonid uuesti. Sellise režiimiga töötasid Oklo georeaktorid umbes miljoni aasta vältel. Lõplikult peatusid nad siis, kui 235U kontsentratsioon reaktsioonide toimumise jaoks muutus liiga madalaks.
Washingtoni Ülikooli teadlased on uurinud ksenooni sisaldust Oklo reaktoritsooni kivimites. Väärisgaas ksenoon on üks 235U lõhustumisreaktsiooni vaheprodukte. Kivimite perioodilisel jahtumisel jäi gaas neisse lõksu. Washingtoni Ülikooli töögrupp määras ksenooni sisaldust, et analüüsida fossiilreaktori tööperioodi pikkust. Tulemuseks saadi, et reaktor lülitus iga paari tunni tagant sisse täpselt pooleks tunniks. Looduslike reaktorite töötamise tulemusena tekkinud radioaktiivsed jäätmed mattusid maa alla. Enamik reaktsioonides tekkinud lõhustusprodukte - sealhulgas ka kergesti liikuvad radionukliidid - on kahe miljardi aasta möödudes jäänud reaktoritsooni. Need on kinnistunud graniiti, savisse ja liivakivisse, mis ei lase jäätmetel sattuda kontakti põhjaveega. Plutoonium on kahe miljardi aastaga liikunud vaid umbes kolm meetrit oma tekkekohast. Eriti oluline roll lõhestusradionukliidide kinnistamisel on raual ja savil.
Arvatavasti polnud Oklo reaktorid ainulaadsed ja taolisi looduslikke tuumareaktoreid leidus mujalgi. Praeguseks pole aga suudetud ühtegi teist fossiilreaktorit kindlaks teha. Tänapäeval sellised spontaansed tuumareaktsioonid enam toimuda ei saaks, sest 235U tase looduslikus uraanimaagis on radioaktiivse lagunemise tõttu liiga madalaks langenud.
Hüpoteesi modelleerimine - heeliumi isotoopide suhted
Aastal 1969 tehti huvitav avastus. Nimelt leiti, et Maa sisemusest imbub lisaks heeliumi isotoobile 4He välja ka isotoopi 3He. 4He tekib uraani loodusliku lagunemise tulemusel, 3He saab tekkida aga ainult tuumareaktorites esile kutsutud reaktsioonides. Mandritevahelistest lõhedest ookeanis välja lenduva heeliumi isotoopide suhe 3He/4He on ligi kaheksa korda suurem kui nende isotoopide suhe atmosfääris. Islandi basaltides (vulkaaniline kivim) on see suhe isegi kuni 37-kordne. Osa geofüüsikuid püüavad ebaharilikku isotoopide suhet põhjendada maapõue lõksu jäänud 3He vabanemisega. Selle teooria järgi jäi 3He Maa vahevöösse lõksu Maa tekkimise ajal. Meteoriitide uurimine lükkab aga selle teooria ümber, sest neis on ürgse 3He/4He suhe umbes sama, mis praeguses Maa atmosfääris. Samuti on välja pakutud, et 3He on kosmilist päritolu. Herndon võttis ebatavalist 4He/3He suhet aga kui ilmset vihjet sellele, et Maa sisemuses toimuvad tuumareaktsioonid ning maapinna lõhede kaudu välja pääseva 3He ülehulgad pärinevad just lõhustumisproduktidest.
Herndoni hüpoteesi kontrollimisel ongi lähtutud 235U lõhustumisel tekkivatest kergetest tuumadest, nagu 3He ja 4He. Tavaliselt tekib tuuma lõhustumisreaktsiooni tulemusena kaks rasket elementi. Iga umbes 10 000 sellise reaktsiooni kohta toimub aga lõhustumine kolmeks - kaheks raskeks ja üheks kergeks elemendiks. Tüüpiline tekkiv kerge element on näiteks vesiniku isotoop triitium 3H, mis muutub radioaktiivse lagunemise tagajärjel 3He-ks. Maa keskmes valitsevate rõhkude juures on tihedus tugevas sõltuvuses aatommassist. Vaid väga kerged elemendid, nagu heelium, suudavad tuumast välja pääseda ja Maa pinnale tõusta, lõhustumisel tekkinud rasked kildtuumad jäävad aga tuuma lõksu.
Oak Ridge'i Riiklikus Laboratooriumis USA-s prooviti modelleerida Maa-siseseid tuumareaktsioone. 2001. aastal avaldati ka katsete tulemused. Need olid vastavuses püstitatud hüpoteesiga: oletatava georeaktori reaktsioonide tulemusena tekivad 3He ja 4He, mistõttu Maa sisemusest pinnale jõudvates gaasides on 3He/4He suhe oluliselt erinev nende isotoopide suhtest Maa atmosfääris tavaolukorras. See seletab 3He suure kontsentratsiooni noortes basaltsetes tardkivimites. Üheks olulisemaks Herdoni hüpoteesi kinnituseks ongi heeliumi isotoopide kõrge sisaldus noortes basaltides.
Georeaktori võimsus ja Maa magnetväli
Maksimaalne võimsus, mida georeaktor sai arendada, oli 30 teravatti (TW). Võrdluseks võib tuua, et 2005. aastal oli Narva elektrijaamade installeeritud elektriline võimsus kokku 2380 megavatti (MW) ehk üle kümne tuhande korra väiksem kui georeaktori maksimumvõimsus. Georeaktori intensiivsus on aja jooksul korduvalt muutunud, vahepeal on reaktsioonid mõneks ajaks isegi seiskunud. Need fluktuatsioonid seletaksid ka Maa magnetvälja polaarsuse ja tugevuse muutusi. Praegu on reaktori võimsus umbes neli teravatti. Sellest võimsusest 70 protsenti annab 235U ja 23 protsenti 238U. Modelleerimise tulemused näitavad, et georeaktori tööaeg hakkab lõppema. 4,5 miljardi aastaga, mil Maa on eksisteerinud, on ära kasutatud kolmveerand algsest uraanivarust. Herndoni arvutuste järgi võivad reaktsioonid lõppeda järgneva saja kuni miljardi aasta vältel. Täpsemate arvutuste tegemine on raskendatud, sest georeaktori võimsus pole ajas konstantne, vaid kõikuv. Reaktsioonide peatumine toob endaga kaasa Maa geomagnetvälja kadumise. Georeaktor on ka varem seiskunud, kuid nüüd on kütuse kontsentratsioon nii väikeseks muutumas, et uuesti tööle hakkamine pole enam võimalik. Geomagnetilise välja kadumisega kaoks takistus laetud osakeste, peamiselt prootonite ja elektronide pääsemisel Maale. Kõiki magnetvälja mõjusid Maal toimuvatele protsessidele ei osata praegu veel ennustada, kuid on põhjust karta, et laetud osakeste eest kaitsva kilbi haihtumine võib saada hukatuslikuks kogu Maa biosfäärile.
Tõestamisvõimalused
Kas Herndoni mõttekäigule on võimalik leida ka tõestusi, et hüpoteesist saaks teooria? Aastal 2002 avaldas USA teadlane R. S. Raghavan ühe võimaluse. Pearolli mängivad selles antineutriinod - elementaarosakesed, mis tekivad tuumade radioaktiivsel beetalagunemisel. Antineutriinod on neutriinode antiosakesed, neil pole laengut ja nende seisumass on kaduvväike. Iga uraani tuuma lõhustumisel tekivad lisaks kildtuumadele ka 2-3 antineutriinot. Georeaktoris tekkinud antineutriinosid saaks avastada suure stsintillatsioondetektoriga. Seade sisaldab vedelikku, mida läbides põrkavad antineutriinod kokku aatomituumadega ja tekitavad nõrku, kuid siiski mõõdetavaid valgussähvatusi. Detektori tundlikkust mõjutab tugevalt teiste antineutriino allikate, eelkõige tuumajaamade lähedus. Antineutriinode avastamine on võimalik kohtades, kus aatomielektrijaamade foon mõne tuhande kilomeetri raadiuses on võimalikult madal. Sellised paigad asuvad Hawaiil, Aleuutidel ja Antillidel. Eriti sobiv asukoht detektorile oleks Curaçao saar Hollandi Antillidel, sest selle all asub Maa tuuma ja vahevöö vahelt lähtuv pluum. Pluumid on alad Maa sees, kus kõrge temperatuuri juures üles sulanud kivimimass tõuseb maapinnale. Detektor tuleks ehitada maa alla pluumi sisse. Projekti teostamise muudab keeruliseks kõrge temperatuur magma läheduses. Kui detektor kord valmis saab, tuleb ületada järgmine raskus - detektori mõõteskaala kalibreerimine. Õnneks pole see mure ületamatu. Kuna Curaçao on saar, saaks detektorit lihtsa vaevaga kalibreerida tuumaenergia jõul liikuvate laevade abil. Detektori rajamise projektiga tegelevad tõsiselt Hollandi teadlased Groningeni Ülikooli Tuumafüüsikaliste Kiirendite Instituudist. Ka Vene teadlased võtavad georeaktori hüpoteesi kontrollimist tõsiselt. Venemaa Teaduste Akadeemia Tuumauuringute Instituut Moskvas plaanib detektori rajamist neutriinoobservatooriumisse Baksanis. Seadme kavandamist sinna raskendab aga tuumaelektrijaama reaktori liigne lähedus.
Herndoni hüpotees georeaktorist teeb lihtsamaks nii mõnegi raskesti seletatava probleemi lahendamise. Selle abil saab edukalt põhjendada Maa magnetvälja polaarsuse ja tugevuse muutumist. Samas toob see endaga kaasa uusi peadmurdvaid küsimusi. Kas tõesti võib juhtuda, et juba sajandi pärast valitseb Maal olukord, kus Päikese korpuskulaarkiirgus jõuab takistamatult maapinnale?
Kuna georeaktori hüpotees on geofüüsika teooriate seas uudne ja ebatraditsiooniline, on Herndonil raske endale teadlaste seas poolehoidu leida. Nüüd, kus Hollandi teadlased on antineutriinode detektori rajamisega tõsiselt tegelema hakanud, on lootust ka Herndoni väidetele kinnitust saada.
LOE VEEL
Traditsioonilist ettekujutust Maa siseehitusest - http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Earth-crust-cutaway-english.png)
SIIRI SUURSOO (1985) sai küpsustunnistuse Tallinna Reaalkoolist 2004. Sel kevadel lõpetas ta bakalaureuseõppe Tartu Ülikooli keskkonnatehnoloogia erialal ja jätkab samas magistrantuuris. Tegeleb looduslike radionukliidide, eelkõige radooni uurimisega.
