Kernreacties in de diepe aarde

Een kernreactie diep in de aarde genereert warmte die vulkanen doet uitbarsten. Die opmerkelijke hypothese presenteren Nederlanders in een onbekend wetenschappelijk blad.

Diep in de aarde, langs de buitenkant van de aardkern, ligt een natuurlijke kernreactor verscholen die duizend keer krachtiger is dan de grootste kerncentrale. Het uranium, de splijtstof die nodig is voor deze reactie, ligt opgesloten in een laag superzwaar gesteente van maximaal een paar honderd kilometer dik. De splijtingsproducten van kernreacties op circa drieduizend kilometer diepte kunnen de afwijkende samenstelling verklaren van vloeibaar gesteente dat aan het aardoppervlak komt op vulkanische eilanden als Hawaii en Réunion en langs spreidingsruggen op de oceaanbodem.

Rob de Meijer, emeritus hoogleraar nucleaire fysica aan de Rijksuniversiteit Groningen en aardwetenschapper Wim van Westrenen (VU Amsterdam) publiceren deze opmerkelijke hypothese in een artikel dat binnenkort verschijnt in het South African Journal of Science. „Een relatief obscuur tijdschrift”, erkent Van Westrenen. „Maar we zagen geen andere mogelijkheid. Als je een kernreactor in de aarde veronderstelt, dan kan dat verregaande consequenties hebben. Wij denken dat een uit de hand gelopen kernreactie in het binnenste van de aarde 4,5 miljard jaar geleden kan hebben geleid tot het ontstaan van de maan. We hebben daarover een artikel aangeboden aan Nature en daarna aan Geophysical Research Letters, maar de referenten vonden het te veel ineens. Onze ideeën zingen nu rond en het leek ons verstandig om ten minste een deel ervan te publiceren voordat iemand anders ermee op de loop gaat.” Pikant is dat de nieuwsredactie van Nature gisteren op de website aandacht besteedde aan de Nederlandse studie waarvoor haar wetenschappelijke referenten eerder de neus ophaalden.

Van Westrenen stelt zich het gesteente met de splijtstof voor als een ‘gebergte’ op de buitenkern van de aarde. De bergtoppen steken in de diepe mantel omhoog (zie afbeelding). De diepe mantel is de circa 3000 kilometer dikke aardlaag tussen de aardkern en de buitenste laag: de aardkorst. De structuur van zwaar gesteente is zichtbaar op afbeeldingen van het binnenste van de aarde, die zijn afgeleid uit de voortplantingssnelheid van aardschokken.

Bekend is dat instabiele elementen in de aardmantel vervallen en warmte produceren. Dit proces is een belangrijke motor achter de stromen van opwarmend en afkoelend gesteente in de aardmantel en uiteindelijk vulkanisme. Een echte kernreactie gaat verder en kan ontstaan als voldoende van de kerndeeltjes die vrijkomen uit een radioactief element als uranium of thorium andere kernen raken en een kettingreactie veroorzaken.

Dat natuurlijke kernreacties op aarde kunnen ontstaan, was bekend. In Gabon zijn resten gevonden van een twee miljard jaar oude natuurlijke kernreactor. Dat de metalen kern van de aarde een kernreactor zou herbergen, is in de jaren tachtig al geopperd door de Amerikaan Marvin Herndon, maar Van Westrenen was daarover sceptisch en is dat nog steeds. „De aardkern bestaat uit ijzer en nikkel”, zegt hij. „Een radioactief element als uranium lost daarin niet makkelijk op.”

David Stevenson, hoogleraar planeetwetenschappen aan het California Institute of Technology, denkt ook dat kernreacties in de aardmantel waarschijnlijker zijn dan een kernreactie in de kern. In een e-mail toont hij zich niettemin sceptisch. Hij acht het onwaarschijnlijk dat de uraniumconcentratie die nodig is voor een kernreactie in het onderste deel van de mantel gehaald kan worden.

De Nederlanders hebben uitgerekend hoeveel uranium past in gesteente op zeer grote diepte. Calciumsilicaatperovskiet, één van de mineralen die onder hoge druk ontstaan, zou in zijn kristalstructuur zoveel uranium op kunnen nemen dat de voor een kernreactie benodigde kritische massa ontstaat.

Een diepe kernreactor zou de hoge concentratie kunnen verklaren van varianten van elementen als xenon en helium in vulkanische gesteenten als basalt. Van Westrenen: „Uit een studie in Science uit 2005 blijkt dat uitvloeiingsgesteenten als basalt, die hun oorsprong in de aardmantel vinden, minder zeldzame aardmetalen bevatten als neodymium, en ook minder uranium dan meteorieten die we op aarde vinden. Omdat geologen ervan uitgaan dat de aarde en meteorieten – net als de rest van ons zonnestelsel – uit hetzelfde materiaal bestaan, moet de rest ergens in een aards reservoir verborgen zitten.”

De laag zwaar gesteente met de kernreactor zou dat diepe reservoir kunnen zijn en meteen verklaren waarom varianten van xenon en helium in vulkanisch gesteente wél in ruime mate aanwezig zijn. Deze helium- en xenonisotopen zijn precies de splijtingsproducten die vrijkomen bij kernreacties met thorium en uranium.

Of de hypothese van De Meijer en Van Westrenen standhoudt, zal duidelijk worden als wetenschappers meer te weten komen over de herkomst van anti-neutrino’s, deeltjes die bij kernreacties vrijkomen. Met een detector in Japan is in 2005 voor het eerst vastgesteld dat deze deeltjes niet alleen ontstaan in het heelal, maar ook in de aarde. De Meijer werkt in Australië aan een proefopstelling voor een reeks detectoren waarmee hij het bestaan van de diepe kernreactor uiteindelijk zou kunnen bewijzen.