Sedan urminnes tider har människor känt till de elementära manifestationerna av gigantisk energi som lurar i djupet Globen. Minnet av mänskligheten bevarar legender om katastrofala vulkanutbrott som krävde miljontals människoliv, oigenkännligt förändrade utseendet på många platser på jorden. Kraften i utbrottet av även en relativt liten vulkan är kolossal, den överstiger många gånger kraften hos de största kraftverken skapade av mänskliga händer. Det är sant att det inte finns något behov av att prata om den direkta användningen av energin från vulkanutbrott: människor har ännu inte möjlighet att stävja detta motsträviga element, och lyckligtvis är dessa utbrott ganska sällsynta händelser. Men dessa är manifestationer av energin som lurar i jordens tarmar, när bara en liten bråkdel av denna outtömliga energi hittar en väg ut genom vulkanernas eldsprutande öppningar.
Små europeiskt land Island ("isens land" i bokstavlig översättning) är helt självförsörjande på tomater, äpplen och till och med bananer! Många isländska växthus drivs av jordens värme, det finns praktiskt taget inga andra lokala energikällor på Island. Men det här landet är väldigt rikt varma källor och berömda gejsrar - fontäner av varmt vatten, med precisionen av en kronometer som flyr från marken. Och även om islänningar inte har prioritet att använda värmen från underjordiska källor (även de gamla romarna till berömda bad- Caracallas bad - de förde vatten från under marken), invånarna i detta lilla norra land driva det underjordiska pannhuset mycket intensivt. Huvudstaden Reykjavik, där hälften av landets befolkning bor, värms endast upp av underjordiska källor. Reykjavik är den idealiska utgångspunkten för att utforska Island: härifrån kan du åka på de mest intressanta och varierande utflykter till alla hörn av detta unika land: gejsrar, vulkaner, vattenfall, ryolitberg, fjordar ... Överallt i Reykjavik kommer du att känna dig REN ENERGI - den termiska energin från gejsrar som forsar från underjorden, energin av renhet och rymd i en idealiskt grön stad, energin från en glad och brandfarlig nattliv Reykjavik året runt.
Men inte bara för uppvärmning hämtar människor energi från jordens djup. Kraftverk som använder varma underjordiska källor har varit i drift under lång tid. Det första sådana kraftverket, som fortfarande har ganska låg effekt, byggdes 1904 i den lilla italienska staden Larderello, uppkallad efter den franske ingenjören Larderelli, som redan 1827 utarbetade ett projekt för användningen av många varma källor i området. Gradvis växte kraftverkets kapacitet, fler och fler nya enheter togs i drift, nya källor till varmvatten användes, och idag har kraften i stationen redan nått ett imponerande värde - 360 tusen kilowatt. I Nya Zeeland finns det ett sådant kraftverk i Wairakei-regionen, dess kapacitet är 160 000 kilowatt. En geotermisk anläggning med en kapacitet på 500 000 kilowatt producerar el 120 km från San Francisco i USA.
geotermisk energi
Sedan urminnes tider har människor känt till de spontana manifestationerna av gigantisk energi som lurar i världens tarmar. Minnet av mänskligheten bevarar legender om katastrofala vulkanutbrott som krävde miljontals människoliv, oigenkännligt förändrade utseendet på många platser på jorden. Kraften i utbrottet av även en relativt liten vulkan är kolossal, den överstiger många gånger kraften hos de största kraftverken skapade av mänskliga händer. Det är sant att det inte finns något behov av att prata om direkt användning av energin från vulkanutbrott - hittills har människor inte möjlighet att stävja detta motsträviga element, och lyckligtvis är dessa utbrott ganska sällsynta händelser. Men dessa är manifestationer av energin som lurar i jordens tarmar, när bara en liten bråkdel av denna outtömliga energi hittar en väg ut genom vulkanernas eldsprutande öppningar.
Gejsern är varm källa, som utbryter sitt vatten till regelbundna eller oregelbundna höjder, som en fontän. Namnet kommer från det isländska ordet för "häller". Gejsrars utseende kräver en viss gynnsam miljö, som bara skapas på ett fåtal platser på jorden, vilket leder till deras ganska sällsynta närvaro. Nästan 50 % av gejsrarna finns i nationalpark Yellowstone (USA). Gejserns aktivitet kan upphöra på grund av förändringar i tarmarna, jordbävningar och andra faktorer. En gejsers verkan orsakas av vattnets kontakt med magma, varefter vattnet snabbt värms upp och under påverkan av geotermisk energi kastas uppåt med kraft. Efter utbrottet svalnar vattnet i gejsern gradvis, sipprar tillbaka till magman och forsar igen. Frekvensen av utbrott av olika gejsrar varierar från flera minuter till flera timmar. Behovet av en stor energi för driften av en gejser - främsta orsaken deras sällsynthet. Vulkanområden kan ha varma källor, lera vulkaner, fumaroler, men det finns väldigt få platser där gejsrar finns. Faktum är att även om en gejser bildades på platsen för vulkanaktivitet, kommer efterföljande utbrott att förstöra jordens yta och ändra dess tillstånd, vilket kommer att leda till att gejsern försvinner.
Jordens energi ( geotermisk energi) är baserad på användningen av jordens naturliga värme. Jordens tarmar är fyllda med en kolossal, nästan outtömlig energikälla. Den årliga strålningen av intern värme på vår planet är 2,8 * 1014 miljarder kWh. Det kompenseras ständigt av det radioaktiva sönderfallet av vissa isotoper i jordskorpan.
Geotermiska energikällor kan vara av två typer. Den första typen är underjordiska pooler av naturliga värmebärare - varmvatten (hydrotermiska källor), eller ånga (ånga termiska källor), eller en ång-vattenblandning. I huvudsak är det direkt bruksfärdiga "underjordspannor" varifrån vatten eller ånga kan utvinnas med hjälp av vanliga borrhål. Den andra typen är värmen av heta stenar. Genom att pumpa vatten in i sådana horisonter kan man också få ånga eller överhettat vatten för vidare användning för energiändamål.
Men i båda användningsfallen största nackdelen ligger kanske i en mycket svag koncentration av geotermisk energi. Men på platser där märkliga geotermiska anomalier bildas, där varma källor eller stenar kommer relativt nära ytan och där temperaturen stiger med 30-40 °C för varje 100 meters djup, kan koncentrationer av geotermisk energi skapa förutsättningar för ekonomisk användning. . Beroende på temperaturen på vatten, ånga eller ångvattenblandning delas geotermiska källor in i låg och medeltemperatur (med temperaturer upp till 130 - 150 ° C) och hög temperatur (över 150 °). Typen av deras användning beror till stor del på temperaturen.
Det kan man hävda att geotermisk energi har fyra fördelaktiga särskiljande egenskaper.
För det första är dess reserver praktiskt taget outtömliga. Enligt uppskattningar från slutet av 70-talet, till ett djup av 10 km, uppgår de till ett värde som är 3,5 tusen gånger högre än reserverna traditionella arter mineralbränsle.
För det andra är geotermisk energi ganska utbredd. Dess koncentration är främst förknippad med aktiv seismisk och vulkanisk aktivitet, som upptar 1/10 av jordens yta. Inom dessa bälten kan några av de mest lovande "geotermiska regionerna" urskiljas, exempel på dessa är Kalifornien i USA, Nya Zeeland, Japan, Island, Kamchatka, Norra Kaukasus i Ryssland. Endast i det forna Sovjetunionen, i början av 90-talet, öppnades cirka 50 underjordiska pooler med varmt vatten och ånga.
För det tredje kräver användningen av geotermisk energi inga höga kostnader, eftersom. I detta fall vi pratar om redan "färdiga" energikällor skapade av naturen själv.
Slutligen, för det fjärde, är geotermisk energi miljömässigt helt ofarlig och förorenar inte miljön.
Människan har använt energin från jordens inre värme under lång tid (låt oss komma ihåg de berömda romerska baden), men dess kommersiella användning började först på 20-talet av vårt århundrade med byggandet av de första geoelektriska kraftverken i Italien och sedan i andra länder. I början av 1980-talet fanns ett 20-tal sådana stationer i drift i världen med en total kapacitet på 1,5 miljoner kW. Den största av dem är Geysers-stationen i USA (500 tusen kW).
Geotermisk energi används för att generera el, värma bostäder, växthus m.m. Torr ånga, överhettat vatten eller någon värmebärare med låg kokpunkt (ammoniak, freon, etc.) används som värmebärare.
I vårt land, rikt på kolväten, är geotermisk energi en sorts exotisk resurs som i det nuvarande tillståndet sannolikt inte kommer att konkurrera med olja och gas. Ändå kan denna alternativa energiform användas nästan överallt och ganska effektivt.
Geotermisk energi är värmen i jordens inre. Det produceras i djupet och kommer till jordens yta i olika former och med olika intensitet.
Temperaturen på de övre lagren av jorden beror huvudsakligen på externa (exogena) faktorer - solljus och lufttemperatur. På sommaren och på dagen värms jorden upp till vissa djup, och på vintern och på natten svalnar den efter förändringen i lufttemperaturen och med viss fördröjning, ökar med djupet. Inverkan av dagliga fluktuationer i lufttemperaturen slutar på djup från några till flera tiotals centimeter. Säsongsvariationer fångar upp djupare lager av jord - upp till tiotals meter.
På ett visst djup - från tiotals till hundratals meter - hålls jordens temperatur konstant, lika med den genomsnittliga årliga lufttemperaturen nära jordens yta. Detta är lätt att verifiera genom att gå ner i en ganska djup grotta.
När den genomsnittliga årliga lufttemperaturen i ett givet område är under noll, manifesterar detta sig som permafrost (mer exakt permafrost). I östra Sibirien når tjockleken, det vill säga tjockleken, på frusna jordar året runt 200–300 m på sina ställen.
Från ett visst djup (sitt eget för varje punkt på kartan) försvagas effekten av solen och atmosfären så mycket att endogena (inre) faktorer kommer först och jordens inre värms upp från insidan, så att temperaturen börjar stiga med djupet.
Uppvärmningen av jordens djupa lager är främst förknippad med sönderfallet av de radioaktiva elementen som finns där, även om andra värmekällor också benämns, till exempel fysikalisk-kemiska, tektoniska processer i de djupa lagren av jordskorpan och manteln. Men oavsett orsaken ökar temperaturen på stenar och tillhörande flytande och gasformiga ämnen med djupet. Gruvarbetare möter detta fenomen - det är alltid varmt i djupa gruvor. På 1 km djup är trettiogradig värme normalt, och djupare är temperaturen ännu högre.
Värmeflödet i jordens inre, som når jordens yta, är litet - i genomsnitt är dess effekt 0,03–0,05 W / m 2, eller ungefär 350 W h / m 2 per år. Mot bakgrund av värmeflödet från solen och luften som värms upp av den är detta ett omärkligt värde: solen ger alla kvadratmeter jordens yta är cirka 4 000 kWh årligen, det vill säga 10 000 gånger mer (naturligtvis är detta i genomsnitt, med en enorm spridning mellan polära och ekvatoriala breddgrader och beroende på andra klimat- och väderfaktorer).
Obetydligheten av värmeflödet från djupet till ytan i större delen av planeten är förknippat med den låga värmeledningsförmågan hos stenar och egenskaper geologisk struktur. Men det finns undantag - platser där värmeflödet är högt. Det är för det första områden tektoniska fel, ökat seismisk aktivitet och vulkanism, där energin i jordens inre hittar en väg ut. Sådana zoner kännetecknas av termiska anomalier i litosfären, här kan värmeflödet som når jordens yta vara många gånger och till och med storleksordningar mer kraftfullt än det "vanliga". En enorm mängd värme förs till ytan i dessa zoner av vulkanutbrott och varma vattenkällor.
Det är dessa områden som är mest gynnsamma för utvecklingen av geotermisk energi. På Rysslands territorium är detta först och främst Kamchatka, Kurilöarna och Kaukasus.
Samtidigt är utvecklingen av geotermisk energi möjlig nästan överallt, eftersom ökningen av temperaturen med djupet är ett allestädes närvarande fenomen, och uppgiften är att "utvinna" värme från tarmarna, precis som mineralråvaror utvinns därifrån.
I genomsnitt ökar temperaturen med djupet med 2,5–3°C för varje 100 m. Förhållandet mellan temperaturskillnaden mellan två punkter som ligger på olika djup och skillnaden i djup mellan dem kallas geotermisk gradient.
Det reciproka är det geotermiska steget, eller det djupintervall vid vilket temperaturen stiger med 1°C.
Ju högre gradienten är och följaktligen ju lägre steget är, desto närmare värmen från jordens djup närmar sig ytan och desto mer lovande är detta område för utvecklingen av geotermisk energi.
I olika områden, beroende på den geologiska strukturen och andra regionala och lokala förhållanden, kan temperaturökningshastigheten med djupet variera dramatiskt. På jordens skala når fluktuationer i värdena för geotermiska gradienter och steg 25 gånger. Till exempel, i staten Oregon (USA) är gradienten 150°C per 1 km, och i Sydafrika är det 6°C per 1 km.
Frågan är, vad är temperaturen på stora djup - 5, 10 km eller mer? Om trenden håller i sig bör temperaturerna på 10 km djup i genomsnitt ligga runt 250–300°C. Detta bekräftas mer eller mindre av direkta observationer i ultradjupa brunnar, även om bilden är mycket mer komplicerad än den linjära temperaturökningen.
Till exempel i Kola ultradjup brunn, borrad i Baltic Crystalline Shield, ändras temperaturen med en hastighet av 10°C/1 km till ett djup av 3 km, och då blir den geotermiska gradienten 2–2,5 gånger större. På ett djup av 7 km har en temperatur på 120°C redan registrerats, vid 10 km - 180°C och vid 12 km - 220°C.
Ett annat exempel är en brunn anlagd i norra Kaspiska havet, där på ett djup av 500 m registrerades en temperatur på 42°C, vid 1,5 km - 70°C, vid 2 km - 80°C, vid 3 km - 108°C.
Det antas att den geotermiska gradienten minskar från ett djup av 20–30 km: på ett djup av 100 km är de uppskattade temperaturerna cirka 1300–1500°C, på ett djup av 400 km - 1600°C, i jordens kärna (djup över 6000 km) - 4000–5000°C.
På djup upp till 10–12 km mäts temperaturen genom borrade brunnar; där de inte finns, bestäms det av indirekta tecken på samma sätt som på större djup. Sådana indirekta tecken kan vara arten av passage av seismiska vågor eller temperaturen på den utbrytande lavan.
Men för geotermisk energi är data om temperaturer på djup över 10 km ännu inte av praktiskt intresse.
Det är mycket värme på flera kilometers djup, men hur höjer man den? Ibland löser naturen själv detta problem för oss med hjälp av en naturlig kylvätska - uppvärmd termiska vatten, kommer till ytan eller ligger på ett djup som är tillgängligt för oss. I vissa fall värms vattnet i djupet till tillståndet av ånga.
Det finns ingen strikt definition av begreppet "termiska vatten". Som regel menar de varmt grundvatten i flytande tillstånd eller i form av ånga, inklusive de som kommer till jordens yta med en temperatur över 20 ° C, det vill säga som regel högre än lufttemperaturen.
Värmen från grundvatten, ånga, ånga-vattenblandningar är hydrotermisk energi. Följaktligen kallas energi baserad på dess användning hydrotermisk.
Situationen är mer komplicerad med produktion av värme direkt från torra stenar - petrotermisk energi, särskilt eftersom tillräckligt höga temperaturer som regel börjar från flera kilometers djup.
På Rysslands territorium är potentialen för petrotermisk energi hundra gånger högre än den för hydrotermisk energi - 3 500 respektive 35 biljoner ton standardbränsle. Detta är ganska naturligt - värmen från jordens djup är överallt, och termiska vatten finns lokalt. Men på grund av uppenbara tekniska svårigheter används för närvarande värme och el mestadels termiska vatten.
Vattentemperaturer från 20-30 till 100°C är lämpliga för uppvärmning, temperaturer från 150°C och uppåt - och för elproduktion i geotermiska kraftverk.
I allmänhet är geotermiska resurser på Rysslands territorium, uttryckt i ton referensbränsle eller någon annan energimätningsenhet, cirka 10 gånger högre än fossilbränslereserverna.
Teoretiskt sett, bara på grund av geotermisk energi, skulle det vara möjligt att fullt ut tillfredsställa energibehov länder. I praktiken är detta för närvarande inte möjligt på större delen av dess territorium av tekniska och ekonomiska skäl.
I världen är användningen av geotermisk energi oftast förknippad med Island - ett land som ligger vid den norra änden av Midatlantic Ridge, i en exceptionellt aktiv tektonisk och vulkanisk zon. Förmodligen minns alla det kraftfulla utbrottet av vulkanen Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajökull) år 2010.
Det är tack vare denna geologiska specificitet som Island har enorma reserver av geotermisk energi, inklusive varma källor som kommer till jordens yta och till och med forsar i form av gejsrar.
På Island tas för närvarande mer än 60 % av all energi som förbrukas från jorden. Inklusive på grund av geotermiska källor tillhandahålls 90 % av uppvärmningen och 30 % av elproduktionen. Vi tillägger att resten av elen i landet produceras av vattenkraftverk, det vill säga också med en förnybar energikälla, tack vare vilken Island ser ut som en slags global miljöstandard.
"Tämningen" av geotermisk energi på 1900-talet hjälpte Island avsevärt ekonomiskt. Fram till mitten av förra seklet var det ett mycket fattigt land, nu rankas det först i världen när det gäller installerad kapacitet och produktion av geotermisk energi per capita, och är bland de tio bästa när det gäller absolut installerad kapacitet för geotermisk kraft växter. Men dess befolkning är bara 300 tusen människor, vilket förenklar uppgiften att byta till miljövänligt rena källor energi: behovet av det är i allmänhet litet.
Förutom på Island tillhandahålls en hög andel geotermisk energi i den totala balansen av elproduktion i Nya Zeeland och östaterna Sydöstra Asien(Filippinerna och Indonesien), länderna i Centralamerika och Östafrika, vars territorium också kännetecknas av hög seismisk och vulkanisk aktivitet. För dessa länder, på deras nuvarande utvecklingsnivå och behov, ger geotermisk energi ett betydande bidrag till den socioekonomiska utvecklingen.
Användningen av geotermisk energi har en mycket lång historia. Ett av de första kända exemplen är Italien, en plats i provinsen Toscana, nu kallad Larderello, där man redan i början av 1800-talet använde lokala varma termiska vatten, som strömmar naturligt eller utvinns från grunda brunnar, för energi. syften.
Vatten från underjordiska källor, rikt på bor, användes här för att få borsyra. Ursprungligen erhölls denna syra genom avdunstning i järnpannor, och vanlig ved togs som bränsle från närliggande skogar, men 1827 skapade Francesco Larderel ett system som arbetade på själva vattnets hetta. Samtidigt började energin från naturlig vattenånga användas för drift av borriggar och i början av 1900-talet för uppvärmning av lokala hus och växthus. På samma plats, i Larderello, 1904, blev termisk vattenånga en energikälla för att generera elektricitet.
Exemplet med Italien i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet följdes av några andra länder. Till exempel, 1892, användes termiska vatten först för lokal uppvärmning i USA (Boise, Idaho), 1919 - i Japan, 1928 - på Island.
I USA dök det första hydrotermiska kraftverket upp i Kalifornien i början av 1930-talet, i Nya Zeeland - 1958, i Mexiko - 1959, i Ryssland (världens första binära GeoPP) - 1965.
En gammal princip vid en ny källa
Elproduktion kräver en högre vattenkällastemperatur än uppvärmning, över 150°C. Principen för driften av ett geotermiskt kraftverk (GeoES) liknar principen för driften av ett konventionellt termiskt kraftverk (TPP). Faktum är att ett geotermiskt kraftverk är en typ av värmekraftverk.
Vid värmekraftverk fungerar som regel kol, gas eller eldningsolja som den primära energikällan, och vattenånga fungerar som arbetsvätska. Bränslet, som brinner, värmer vattnet till ett tillstånd av ånga, som roterar ångturbinen och genererar elektricitet.
Skillnaden mellan GeoPP är att den primära energikällan här är värmen från jordens inre och arbetsvätskan i form av ånga kommer in i den elektriska generatorns turbinblad i "färdig" form direkt från produktionsbrunnen.
Det finns tre huvudscheman för GeoPP-drift: direkt, med torr (geotermisk) ånga; indirekt, baserat på hydrotermiskt vatten, och blandat eller binärt.
Användningen av ett eller annat schema beror på tillståndet för aggregering och temperaturen på energibäraren.
Det enklaste och därför det första av de behärskade schemat är det direkta, där ångan som kommer från brunnen leds direkt genom turbinen. Världens första GeoPP i Larderello 1904 opererade också på torr ånga.
GeoPPs med ett indirekt driftschema är de vanligaste i vår tid. De använder varmt grundvatten, som sprutas in under högt tryck i förångaren, där en del av den förångas, och den resulterande ångan roterar turbinen. I vissa fall krävs ytterligare enheter och kretsar för att rena geotermiskt vatten och ånga från aggressiva föreningar.
Avgasångan kommer in i injektionsbrunnen eller används för uppvärmning av rum - i det här fallet är principen densamma som under driften av en kraftvärme.
Vid binära GeoPPs interagerar hett termiskt vatten med en annan vätska som fungerar som en arbetsvätska med lägre kokpunkt. Båda vätskorna leds genom en värmeväxlare, där termiskt vatten förångar arbetsvätskan, vars ångor roterar turbinen.
Detta system är stängt, vilket löser problemet med utsläpp till atmosfären. Dessutom gör arbetsvätskor med en relativt låg kokpunkt det möjligt att använda inte särskilt heta termiska vatten som en primär energikälla.
Alla tre systemen använder en hydrotermisk källa, men petrotermisk energi kan också användas för att generera elektricitet.
Kretsschemat i detta fall är också ganska enkelt. Det är nödvändigt att borra två sammankopplade brunnar - injektion och produktion. Vatten pumpas in i injektionsbrunnen. På djupet värms det upp, sedan tillförs uppvärmt vatten eller ånga som bildas till följd av stark uppvärmning till ytan genom en produktionsbrunn. Vidare beror allt på hur den petrotermiska energin används - för uppvärmning eller för produktion av el. En sluten cykel är möjlig med pumpning av avgasånga och vatten tillbaka in i injektionsbrunnen eller annan metod för bortskaffande.
Nackdelen med ett sådant system är uppenbar: för att få en tillräckligt hög temperatur på arbetsvätskan är det nödvändigt att borra brunnar vid stort djup. Och detta är en allvarlig kostnad och risken för betydande värmeförlust när vätskan rör sig uppåt. Därför är petrotermiska system fortfarande mindre vanliga än hydrotermiska, även om potentialen för petrotermisk energi är storleksordningar högre.
För närvarande är ledaren i skapandet av de så kallade petrotermiska cirkulationssystemen (PCS) Australien. Dessutom utvecklas denna riktning för geotermisk energi aktivt i USA, Schweiz, Storbritannien och Japan.
Gåva från Lord Kelvin
Uppfinningen av värmepumpen 1852 av fysikern William Thompson (alias Lord Kelvin) gav mänskligheten en verklig möjlighet att använda den lågvärdiga värmen från de övre lagren av jorden. Värmepumpsystemet, eller värmemultiplikatorn som Thompson kallade det, bygger på fysisk process värmeöverföring från miljö till kylvätskan. I själva verket använder den samma princip som i petrotermiska system. Skillnaden ligger i värmekällan, i samband med vilken en terminologisk fråga kan uppstå: i vilken utsträckning kan en värmepump betraktas som ett geotermiskt system? Faktum är att i de övre lagren, till tiotals eller hundratals meters djup, värms stenarna och vätskorna i dem upp inte av jordens djupa värme utan av solen. Det är alltså solen i detta fall som är den primära värmekällan, även om den tas, som i geotermiska system, från jorden.
Driften av en värmepump baseras på fördröjningen i uppvärmningen och kylningen av marken jämfört med atmosfären, vilket resulterar i att en temperaturgradient bildas mellan ytan och djupare skikt, som behåller värmen även på vintern, likt hur det går till i reservoarer. Huvudsyftet med värmepumpar är uppvärmning av rum. I själva verket är det ett "kylskåp omvänt". Både värmepumpen och kylskåpet samverkar med tre komponenter: den inre miljön (i det första fallet - ett uppvärmt rum, i det andra - en kyld kylkammare), den yttre miljön - en energikälla och ett köldmedium (köldmedium), som är också ett kylmedel som ger värmeöverföring eller kyla.
Ett ämne med låg kokpunkt fungerar som ett köldmedium, vilket gör att det kan ta värme från en källa som till och med har en relativt låg temperatur.
I kylskåpet kommer det flytande köldmediet in i förångaren genom en gasspjäll (tryckregulator), där vätskan avdunstar på grund av en kraftig tryckminskning. Avdunstning är en endoterm process som kräver att värme absorberas utifrån. Som ett resultat tas värme från förångarens innerväggar, vilket ger en kylande effekt i kylkammaren. Längre från förångaren sugs köldmediet in i kompressorn, där det återgår till det flytande tillståndet av aggregation. Detta är den omvända processen, vilket leder till att den upptagna värmen släpps ut i den yttre miljön. Som regel kastas det in i rummet, och kylskåpets bakvägg är relativt varm.
Värmepumpen fungerar på nästan samma sätt, med skillnaden att värme tas från den yttre miljön och kommer in i den inre miljön genom förångaren - rumsvärmesystemet.
I en riktig värmepump värms vatten upp, passerar genom en extern krets nedlagd i marken eller en reservoar och kommer sedan in i förångaren.
I förångaren överförs värme till en intern krets fylld med ett köldmedium med låg kokpunkt, som, som passerar genom förångaren, övergår från ett flytande tillstånd till ett gasformigt tillstånd och tar värme.
Vidare kommer det gasformiga köldmediet in i kompressorn, där det komprimeras till högt tryck och temperatur, och kommer in i kondensorn, där värmeväxling sker mellan den heta gasen och värmebäraren från värmesystemet.
Kompressorn kräver elektrisk energi för att fungera, men omvandlingsförhållandet (förhållandet mellan energi som förbrukas och produceras) i moderna system är tillräckligt högt för att säkerställa deras effektivitet.
För närvarande används värmepumpar ganska ofta för uppvärmning av rum, främst i ekonomiskt hänseende utvecklade länder.
Miljökorrekt energi
Geotermisk energi anses vara miljövänlig, vilket i allmänhet är sant. Först och främst använder den en förnybar och praktiskt taget outtömlig resurs. Geotermisk energi kräver inte stora ytor, till skillnad från stora vattenkraftverk eller vindkraftsparker, och förorenar inte atmosfären, till skillnad från kolväteenergi. I genomsnitt upptar GeoPP 400 m 2 i form av 1 GW genererad el. Samma siffra för ett koleldat värmekraftverk är till exempel 3600 m 2. Miljöfördelarna med GeoPP inkluderar även låg vattenförbrukning - 20 liter färskvatten per 1 kW, medan värmekraftverk och kärnkraftverk kräver ca 1000 liter. Observera att dessa är miljöindikatorerna för den "genomsnittliga" GeoPP.
Men negativt bieffekterändå finns det. Bland dem särskiljs oftast buller, termisk förorening av atmosfären och kemisk förorening av vatten och mark samt bildandet av fast avfall.
Den huvudsakliga källan till kemisk förorening av miljön är själva termiska vattnet (med hög temperatur och salthalt), som ofta innehåller stora mängder giftiga föreningar, och därför finns det ett problem med avfallsvatten och farliga ämnen.
De negativa effekterna av geotermisk energi kan spåras i flera steg, till att börja med att borra brunnar. Här uppstår samma faror som när man borrar vilken brunn som helst: förstörelse av marken och vegetationstäcket, förorening av marken och grundvattnet.
I driftfasen av GeoPP kvarstår problemen med miljöföroreningar. Termiska vätskor - vatten och ånga - innehåller vanligtvis koldioxid (CO 2), svavelsulfid (H 2 S), ammoniak (NH 3), metan (CH 4), koksalt (NaCl), bor (B), arsenik (As) ), kvicksilver (Hg). När de släpps ut i miljön blir de källor till föroreningar. Dessutom kan en aggressiv kemisk miljö orsaka korrosionsskador på GeoTPP-strukturer.
Samtidigt är utsläppen av föroreningar vid GeoPP i genomsnitt lägre än vid TPP. Till exempel utsläpp koldioxid för varje genererad kilowattimme el uppgår de till 380 g vid GeoPPs, 1042 g - vid koleldade värmekraftverk, 906 g - vid eldningsolja och 453 g - vid gasvärmekraftverk.
Frågan uppstår: vad ska man göra med avloppsvatten? Med låg mineralisering, efter kylning, kan den dumpas i ytvatten. Det andra sättet är att pumpa tillbaka det in i akvifären genom en injektionsbrunn, vilket är den föredragna och dominerande metoden för närvarande.
Utvinning av termiskt vatten från akviferer (liksom utpumpning av vanligt vatten) kan orsaka sättningar och markrörelser, andra deformationer av geologiska skikt och mikrojordbävningar. Sannolikheten för sådana fenomen är vanligtvis låg, även om enskilda fall har registrerats (till exempel vid GeoPP i Staufen im Breisgau i Tyskland).
Det bör understrykas att de flesta av GeoPPs är belägna i relativt glest befolkade områden och i tredje världens länder, där miljökraven är mindre stränga än i utvecklade länder. Dessutom är antalet GeoPP och deras kapacitet för närvarande relativt liten. Med en större utbyggnad av geotermisk energi kan miljöriskerna öka och föröka sig.
Hur mycket är jordens energi?
Investeringskostnaderna för konstruktion av geotermiska system varierar inom ett mycket brett intervall - från 200 till 5000 dollar per 1 kW installerad kapacitet, det vill säga den mest billiga alternativ jämförbar med kostnaden för att bygga ett värmekraftverk. De beror först och främst på förhållandena för förekomsten av termiska vatten, deras sammansättning och utformningen av systemet. Borrning till stora djup, skapar ett slutet system med två brunnar, behovet av vattenrening kan multiplicera kostnaden.
Till exempel investeringar i skapandet av en petrotermisk cirkulationssystem(PTsS) uppskattas till 1,6-4 tusen dollar per 1 kW installerad kapacitet, vilket överstiger byggkostnaderna kärnkraftverk och jämförbar med kostnaden för att bygga vind- och solkraftverk.
Den uppenbara ekonomiska fördelen med GeoTPP är en gratis energibärare. Som jämförelse kan nämnas att i kostnadsstrukturen för ett fungerande värmekraftverk eller kärnkraftverk står bränsle för 50–80 % eller ännu mer, beroende på nuvarande energipriser. Därför är en annan fördel med det geotermiska systemet: driftskostnaderna är mer stabila och förutsägbara, eftersom de inte beror på den externa konjunkturen av energipriser. I allmänhet uppskattas driftskostnaderna för GeoTPP till 2–10 cent (60 kopek–3 rubel) per 1 kWh genererad kapacitet.
Den näst största (och mycket betydande) utgiftsposten efter energibäraren är som regel lön anläggningspersonal, vilket kan variera dramatiskt mellan länder och regioner.
I genomsnitt är kostnaden för 1 kWh geotermisk energi jämförbar med den för termiska kraftverk (i ryska förhållanden - cirka 1 rubel / 1 kWh) och tio gånger högre än kostnaden för elproduktion vid vattenkraftverk (5–10 kopek) / 1 kWh).
En del av anledningen till den höga kostnaden är att GeoTPP, till skillnad från termiska och hydrauliska kraftverk, har en relativt liten kapacitet. Dessutom är det nödvändigt att jämföra system som ligger i samma region och under liknande förhållanden. Så, till exempel, i Kamchatka, enligt experter, kostar 1 kWh geotermisk el 2-3 gånger billigare än el producerad vid lokala värmekraftverk.
Indikatorer ekonomisk effektivitet Arbetet i ett geotermiskt system beror till exempel på om det är nödvändigt att omhänderta avloppsvattnet och på vilka sätt detta görs, om en kombinerad användning av resursen är möjlig. Så, kemiska grundämnen och föreningar utvunna ur termiskt vatten kan ge ytterligare inkomster. Låt oss komma ihåg exemplet med Larderello: det primära kemisk produktion, och användningen av geotermisk energi var ursprungligen av hjälpkaraktär.
Geothermal Energy Forwards
Geotermisk energi utvecklas något annorlunda än vind och sol. Hon är för närvarande i betydande Mer beror på arten av själva resursen, som skiljer sig kraftigt från region till region, och de högsta koncentrationerna är knutna till smala zoner av geotermiska anomalier som i regel är förknippade med områden med tektoniska förkastningar och vulkanism.
Dessutom är geotermisk energi mindre tekniskt kapabel jämfört med vind och ännu mer med solenergi: systemen för geotermiska stationer är ganska enkla.
PÅ övergripande struktur Den geotermiska komponenten står för mindre än 1% av den globala elproduktionen, men i vissa regioner och länder når dess andel 25-30%. På grund av kopplingen till geologiska förhållanden är en betydande del av den geotermiska energikapaciteten koncentrerad till länder i tredje världen, där det finns tre kluster av industrins största utveckling - öarna i Sydostasien, Centralamerika och Östafrika. De två första regionerna är en del av Stilla havets "Fire Belt of the Earth", den tredje är knuten till den östafrikanska rivningen. Med största sannolikhet kommer geotermisk energi att fortsätta att utvecklas i dessa bälten. Mer avlägset perspektiv- utveckling av petrotermisk energi med hjälp av värmen från jordlagren som ligger på flera kilometers djup. Detta är en nästan allestädes närvarande resurs, men dess utvinning kräver höga kostnader, så petrotermisk energi utvecklas främst i de mest ekonomiskt och tekniskt kraftfulla länderna.
Generellt sett, med tanke på de geotermiska resursernas överflöd och en acceptabel nivå av miljösäkerhet, finns det anledning att tro att geotermisk energi har goda utsikter utveckling. Särskilt med det växande hotet om brist på traditionella energibärare och stigande priser på dem.
Från Kamchatka till Kaukasus
I Ryssland har utvecklingen av geotermisk energi en ganska lång historia, och på ett antal positioner är vi bland de ledande i världen, även om andelen geotermisk energi i den övergripande energibalansen i ett enormt land fortfarande är försumbar.
Pionjärerna och centran för utvecklingen av geotermisk energi i Ryssland var två regioner - Kamchatka och norra Kaukasus, och om vi i det första fallet främst talar om elkraftindustrin, så i det andra - om användningen av termisk energi av termiskt vatten.
I norra Kaukasus, i Krasnodar-territoriet, Tjetjenien, Dagestan - värmen från termiska vatten för energiändamål användes redan innan den stora Fosterländska kriget. Under 1980-1990-talen avstannade utvecklingen av geotermisk energi i regionen av naturliga skäl och har ännu inte återhämtat sig från stagnationen. Icke desto mindre ger geotermisk vattenförsörjning i norra Kaukasus värme till cirka 500 tusen människor, och till exempel staden Labinsk i Krasnodar-territoriet med en befolkning på 60 tusen människor värms helt upp av geotermiskt vatten.
I Kamchatka förknippas geotermisk energis historia främst med konstruktionen av GeoPP. Den första av dem, som fortfarande driver stationerna Pauzhetskaya och Paratunskaya, byggdes 1965–1967, medan Paratunskaya GeoPP med en kapacitet på 600 kW blev den första stationen i världen med en binär cykel. Det var utvecklingen av de sovjetiska forskarna S. S. Kutateladze och A. M. Rosenfeld från Institutet för termisk fysik i den sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin, som 1965 fick ett upphovsrättscertifikat för utvinning av elektricitet från vatten med en temperatur på 70 ° C. Denna teknik blev sedan prototypen för mer än 400 binära GeoPPs i världen.
Kapaciteten på Pauzhetskaya GeoPP, som togs i drift 1966, var från början 5 MW och ökade därefter till 12 MW. För närvarande är stationen under uppbyggnad av ett binärt block, vilket kommer att öka sin kapacitet med ytterligare 2,5 MW.
Utvecklingen av geotermisk energi i Sovjetunionen och Ryssland hindrades av tillgången på traditionella energikällor - olja, gas, kol, men stoppades aldrig. De största geotermiska kraftverken för närvarande är Verkhne-Mutnovskaya GeoPP med en total kapacitet på 12 MW kraftenheter, som togs i drift 1999, och Mutnovskaya GeoPP med en kapacitet på 50 MW (2002).
Mutnovskaya och Verkhne-Mutnovskaya GeoPP är unika objekt inte bara för Ryssland, utan också på global skala. Stationerna ligger vid foten av Mutnovsky-vulkanen, på en höjd av 800 meter över havet, och fungerar under extrema klimatförhållanden, där det är vinter i 9-10 månader om året. Utrustningen för Mutnovsky GeoPPs, för närvarande en av de modernaste i världen, skapades helt i inhemska företag inom kraftteknik.
För närvarande är andelen Mutnovsky-stationer i den övergripande strukturen för energiförbrukningen i Central Kamchatka energinodär 40 %. En ökning av kapaciteten planeras under de kommande åren.
Separat bör det sägas om rysk petrotermisk utveckling. Vi har ännu inga stora PDS, men det finns avancerade tekniker för att borra till stora djup (ca 10 km), som inte heller har några analoger i världen. Dem ytterligare utveckling kommer att drastiskt minska kostnaderna för att skapa petrotermiska system. Utvecklarna av dessa teknologier och projekt är N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Ryska vetenskapsakademins geologiska institut), A. S. Nekrasov (Institutet för ekonomiska prognoser för den ryska vetenskapsakademin) och specialister från Kaluga Turbine Plant. För närvarande befinner sig projektet för det petrotermiska cirkulationssystemet i Ryssland på pilotstadiet.
Det finns utsikter för geotermisk energi i Ryssland, även om de är relativt avlägsna: för närvarande är potentialen ganska stor och den traditionella energins position är stark. Samtidigt, i ett antal avlägsna regioner i landet, är användningen av geotermisk energi ekonomiskt lönsam och efterfrågas även nu. Dessa är territorier med hög geoenergipotential (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - ryska delen Stilla havets "Jordens eldiga bälte", bergen i södra Sibirien och Kaukasus) och samtidigt avlägsna och avskurna från den centraliserade energiförsörjningen.
Det är troligt att geotermisk energi i vårt land under de kommande decennierna kommer att utvecklas just i sådana regioner.
2. Jordens termiska regim
Jorden är en kall kosmisk kropp. Yttemperaturen beror huvudsakligen på värmen som tillförs utifrån. 95% av värmen i jordens övre lager är extern (sol)värme och endast 5% värme inre , som kommer från jordens tarmar och inkluderar flera energikällor. I jordens tarmar ökar temperaturen med djupet från 1300 o C (i den övre manteln) till 3700 o C (i mitten av kärnan).
extern värme. Värme kommer till jordens yta huvudsakligen från solen. Varje kvadratcentimeter av ytan får cirka 2 kalorier värme inom en minut. Detta värde kallas solkonstant och bestämmer den totala mängden värme som kommer till jorden från solen. För ett år uppgår det till 2,26 10 21 kalorier. Djupet av penetration av solvärme i jordens tarmar beror huvudsakligen på mängden värme som faller per ytenhet och på stenarnas värmeledningsförmåga. Det maximala djupet till vilket yttre värme tränger in är 200 m i haven och cirka 40 m på land.
inre värme. Med djupet sker en ökning av temperaturen, vilket sker mycket ojämnt i olika territorier. Temperaturökningen följer en adiabatisk lag och beror på komprimeringen av ämnet under tryck när värmeväxling med omgivningen är omöjlig.
De viktigaste värmekällorna inuti jorden:
Värme som frigörs under det radioaktiva sönderfallet av grundämnen.
Restvärme som blivit över från bildningen av jorden.
Gravitationsvärme som frigörs under komprimeringen av jorden och fördelningen av materia i densitet.
Värme som genereras av kemiska reaktioner som sker i djupet av jordskorpan.
Värme som frigörs av jordens tidvattenfriktion.
Det finns 3 temperaturzoner:
jag- variabel temperaturzon . Temperaturförändringen bestäms av klimatet i området. Dagliga fluktuationer dör praktiskt taget ut på ett djup av cirka 1,5 m, och årliga fluktuationer på djup av 20 ... 30 m. Ia - fryszon.
II - konstant temperaturzon ligger på 15…40 m djup, beroende på region.
III - varm zon .
Temperaturregimen för stenar i jordskorpans tarmar uttrycks vanligtvis av en geotermisk gradient och ett geotermiskt steg.
Mängden temperaturstegring för varje 100 m djup kallas geotermisk gradient. I Afrika, vid Witwatersrand-fältet, är det 1,5 ° С, i Japan (Echigo) - 2,9 ° С, i södra Australien - 10,9 ° С, i Kazakstan (Samarinda) - 6,3 ° С, på Kolahalvön - 0,65 ° С .
Ris. 3. Temperaturzoner i jordskorpan: I - zon med varierande temperaturer, Ia - fryszon; II - zon med konstanta temperaturer; III - zon för temperaturökning.
Djupet där temperaturen stiger med 1 grad kallas geotermiskt steg. De numeriska värdena för det geotermiska steget är inte konstanta inte bara på olika breddgrader utan också på olika djup av samma punkt i regionen. Värdet på det geotermiska steget varierar från 1,5 till 250 m. I Archangelsk är det 10 m, i Moskva - 38,4 m, och i Pyatigorsk - 1,5 m. Teoretiskt är medelvärdet för detta steg 33 m.
I en brunn borrad i Moskva till ett djup av 1 630 m var bottenhålets temperatur 41 °C, och i en gruva som borrades i Donbass till ett djup av 1 545 m var temperaturen 56,3 °C. Den högsta temperaturen registrerades i USA i en brunn med ett djup på 7136 m, där den är lika med 224 °C. Temperaturökningen med djupet bör beaktas vid utformning av djupa konstruktioner. Enligt beräkningar bör temperaturen på ett djup av 400 km nå 1400...1700 °C. De högsta temperaturerna (cirka 5000 °C) erhölls för jordens kärna.
Termen "geotermisk energi" kommer från de grekiska orden jord (geo) och termisk (termisk). Faktiskt, geotermisk energi kommer från jorden själv. Värme från jordens kärna, vars medeltemperatur är 3600 grader Celsius, utstrålas mot planetens yta.
Uppvärmning av källor och gejsrar under jord på flera kilometers djup kan utföras med hjälp av speciella brunnar genom vilka hett vatten (eller ånga från det) strömmar till ytan, där det kan användas direkt som värme eller indirekt för att generera elektricitet genom att slå på roterande turbiner.
Eftersom vattnet under jordens yta ständigt fylls på, och jordens kärna kommer att fortsätta att generera värme relativt mänskligt liv oändligt, geotermisk energi, i slutändan ren och förnybar.
Metoder för att samla energiresurser på jorden
Idag finns det tre huvudsakliga metoder för att skörda geotermisk energi: torr ånga, varmvatten och binär cykel. Torrångprocessen driver direkt turbindrifterna hos kraftgeneratorerna. Hett vatten kommer in från botten och upp och sprutas sedan in i tanken för att skapa ånga för att driva turbinerna. Dessa två metoder är de vanligaste och genererar hundratals megawatt elektricitet i USA, Island, Europa, Ryssland och andra länder. Men platsen är begränsad, eftersom dessa anläggningar endast verkar i tektoniska regioner där det är lättare att komma åt uppvärmt vatten.
Med binärcykelteknik extraheras varmt (inte nödvändigtvis varmt) vatten till ytan och kombineras med butan eller pentan, som har en låg kokpunkt. Denna vätska pumpas genom en värmeväxlare, där den avdunstar och skickas genom en turbin innan den recirkuleras tillbaka in i systemet. Binär cykelteknik ger tiotals megawatt elektricitet i USA: Kalifornien, Nevada och Hawaiiöarna.
Principen för att få energi
Nackdelar med att få geotermisk energi
På nyttonivå är geotermiska kraftverk dyra att bygga och driva. Att hitta en lämplig plats kräver kostsamma brunnundersökningar utan garanti för att träffa en produktiv underjordisk hotspot. Analytiker förväntar sig dock att denna kapacitet nästan fördubblas under de kommande sex åren.
Dessutom finns områden med en hög temperatur av en underjordisk källa i områden med aktiva geologiska och kemiska vulkaner. Dessa "heta fläckar" bildades vid gränserna för tektoniska plattor på platser där skorpan är ganska tunn. Stilla havet, ofta kallad en ring av eld för många vulkaner där det finns många hotspots, inklusive de i Alaska, Kalifornien och Oregon. Nevada har hundratals hotspots som täcker större delen av norra USA.
Det finns andra seismiskt aktiva områden. Jordbävningar och magmans rörelse tillåter vatten att cirkulera. På vissa ställen stiger vattnet till ytan och naturliga varma källor och gejsrar förekommer, som i Kamchatka. Vattnet i gejsrarna i Kamchatka når 95°C. 
Ett av problemen öppna system gejsrar är utsläpp av vissa luftföroreningar. Svavelväte - en giftig gas med en mycket igenkännbar "ruttet ägg"-lukt - små mängder arsenik och mineraler som frigörs med ånga. Salt kan också utgöra ett miljöproblem.
Vid geotermiska kraftverk belägna i havet betydande mängd störande salt samlas i rören. I slutna system sker inga utsläpp och all vätska som kommer upp till ytan återförs.
Energiresursens ekonomiska potential
Seismiskt aktiva fläckar är inte de enda platserna där geotermisk energi kan hittas. Det finns en konstant tillförsel av användbar värme för direktuppvärmningsändamål på djup allt från 4 meter till flera kilometer under ytan praktiskt taget var som helst på jorden. Även marken på den egna bakgården eller på en lokal skola har den ekonomiska potentialen att ge värme till ett hem eller andra byggnader.
Dessutom finns det stor mängd termisk energi i torra bergformationer mycket djupt under ytan (4 - 10 km).
Användningen av ny teknik skulle kunna utöka geotermiska system där människor kan använda den värmen för att generera el i mycket större skala än konventionell teknik. De första demonstrationsprojekten av denna princip om att generera el visas i USA och Australien så tidigt som 2013.
Om den fulla ekonomiska potentialen för geotermiska resurser kan realiseras kommer det att utgöra en enorm elkälla för produktionskapacitet. Forskare föreslår att konventionella geotermiska källor har en potential på 38 000 MW, vilket kan producera 380 miljoner MW el per år.
Heta torra bergarter förekommer på djup av 5 till 8 km överallt under jord och på grundare djup på vissa platser. Tillgång till dessa resurser innebär införande av kallt vatten som cirkulerar genom heta stenar och avlägsnande av uppvärmt vatten. För närvarande nej kommersiell tillämpning denna teknik. Befintlig teknik tillåter ännu inte att återställa värmeenergi direkt från magman, väldigt djupt, men det är den mest kraftfulla källan till geotermisk energi.
Med kombinationen av energiresurser och dess konsekvens kan geotermisk energi spela en oumbärlig roll som ett renare och mer hållbart energisystem.
Konstruktioner av geotermiska kraftverk
Geotermisk energi är ren och hållbar värme från jorden. Större resurser sträcker sig från några kilometer under jordens yta, och ännu djupare, till högtemperatursmält sten som kallas magma. Men som beskrivits ovan har människor ännu inte nått magman.
Tre geotermiska kraftverksdesigner
Applikationstekniken bestäms av resursen. Om vattnet kommer från brunnen som ånga kan det användas direkt. Om varmvattnet är tillräckligt högt måste det passera genom värmeväxlaren.
Den första brunnen för kraftproduktion borrades före 1924. Djupare brunnar borrades på 1950-talet, men verklig utveckling sker på 1970- och 1980-talen.
Direkt användning av jordvärme
Geotermiska källor kan också användas direkt för uppvärmningsändamål. Varmvatten används för att värma byggnader, odla växter i växthus, torka fisk och grödor, förbättra oljeproduktionen, hjälpa industriella processer som mjölkpastörer och värma vatten i fiskodlingar. I USA har Klamath Falls, Oregon och Boise, Idaho använt geotermiskt vatten för att värma hem och byggnader i över ett sekel. På östkusten, staden Warm Springs, Virginia får värme direkt från källvatten med hjälp av värmekällor på en av de lokala orterna.
På Island värms praktiskt taget varje byggnad i landet upp av varmt källvatten. Faktum är att Island får mer än 50 procent av sin primärenergi från geotermiska källor. I Reykjavik till exempel (118 000 invånare) transporteras varmvatten 25 kilometer längs en transportör, och invånarna använder det för uppvärmning och naturliga behov.
Nya Zeeland får 10% av sin el extra. är underutvecklad, trots närvaron av termiska vatten.
DEM. Kapitonov
Jordens kärnvärme
Jordvärme
Jorden är en ganska starkt uppvärmd kropp och är en värmekälla. Den värms upp främst på grund av solstrålningen den absorberar. Men jorden har också sin egen termiska resurs som kan jämföras med värmen från solen. Man tror att denna egen energi från jorden har följande ursprung. Jorden uppstod för cirka 4,5 miljarder år sedan efter att solen bildades från en protoplanetär gas-dammskiva som roterade runt den och kondenserade. I ett tidigt skede av dess bildning värmdes jordens substans upp på grund av relativt långsam gravitationskompression. En viktig roll i jordens värmebalans spelades också av den energi som frigjordes under fallet av små kosmiska kroppar på den. Därför smältes den unga jorden. Genom att kylas ner kom den gradvis till sitt nuvarande tillstånd med en fast yta, varav en betydande del är täckt med oceaniska och havsvatten. Detta hårda yttre lager kallas jordskorpan och i genomsnitt på tomter är dess tjocklek ca 40 km och under havsvatten- 5-10 km. Det djupare lagret av jorden, kallas mantel består också av ett fast ämne. Den sträcker sig till ett djup av nästan 3000 km och innehåller huvuddelen av jordens materia. Slutligen är den innersta delen av jorden dess kärna. Den består av två lager - extern och intern. yttre kärnan detta är ett lager av smält järn och nickel vid en temperatur på 4500-6500 K med en tjocklek på 2000-2500 km. inre kärnan med en radie på 1000-1500 km är en solid järn-nickellegering uppvärmd till en temperatur på 4000-5000 K med en densitet på cirka 14 g / cm 3, som uppstod vid ett enormt (nästan 4 miljoner bar) tryck.
Förutom jordens inre värme, ärvd från det tidigaste heta stadiet av dess bildande, och vars mängd bör minska med tiden, finns det en annan - långsiktig, förknippad med det radioaktiva sönderfallet av kärnor med en lång halva -liv - först och främst 232 Th, 235 U , 238 U och 40 K. Energin som frigörs vid dessa sönderfall - de står för nästan 99% av jordens radioaktiva energi - fyller ständigt på jordens termiska reserver. Ovanstående kärnor finns i skorpan och manteln. Deras förfall leder till uppvärmning av både de yttre och inre lagren av jorden.
En del av den enorma värme som finns inuti jorden kommer ständigt ut till dess yta, ofta i mycket storskaliga vulkaniska processer. Värmeflödet som strömmar från jordens djup genom dess yta är känt. Det är (47±2)·10 12 watt, vilket motsvarar värmen som kan genereras av 50 tusen kärnkraftverk (medeleffekten för ett kärnkraftverk är cirka 10 9 watt). Frågan uppstår om radioaktiv energi spelar någon betydande roll i jordens totala termiska budget, och i så fall vilken roll? Svaret på dessa frågor under en lång tid förblev okänd. Nu finns det möjligheter att svara på dessa frågor. Nyckelrollen här tillhör neutrinos (antineutrinos), som föds i processerna för radioaktivt sönderfall av kärnor som utgör jordens materia och som kallas geo-neutrino.
Geo-neutrino
Geo-neutrinoär det kombinerade namnet för neutrinos eller antineutrinos, som emitteras som ett resultat av beta-sönderfallet av kärnor som ligger under jordens yta. Uppenbarligen, på grund av den oöverträffade penetreringsförmågan, kan registreringen av dessa (och endast dem) av markbaserade neutrinodetektorer ge objektiv information om processerna för radioaktivt sönderfall som sker djupt inne i jorden. Ett exempel på ett sådant sönderfall är β - sönderfallet av 228 Ra kärnan, som är produkten av α sönderfallet av den långlivade 232 Th kärnan (se tabell):
Halveringstiden (T 1/2) för 228 Ra-kärnan är 5,75 år, och den frigjorda energin är cirka 46 keV. Energispektrumet för antineutrinos är kontinuerligt med en övre gräns nära den frigjorda energin.
Sönderfallen av 232 Th, 235 U, 238 U kärnor är kedjor av successiva sönderfall som bildar s.k. radioaktiv serie. I sådana kedjor är α-sönderfall varvat med β − -sönderfall, eftersom de slutliga kärnorna i α-sönderfall visar sig vara förskjutna från β-stabilitetslinjen till området av kärnor som är överbelastade med neutroner. Efter en kedja av successiva sönderfall i slutet av varje rad, bildas stabila kärnor med antalet protoner och neutroner nära eller lika med magiska tal (Z
=
82,N= 126). Sådana slutliga kärnor är stabila isotoper av bly eller vismut. Sålunda slutar sönderfallet av T 1/2 med bildandet av en dubbelmagisk kärna 208 Pb, och på banan 232 Th → 208 Pb inträffar sex α-sönderfall, alternerande med fyra β - sönderfall (i kedjan 238 U → 206 Pb, åtta α- och sex β - - sönderfall; det finns sju α- och fyra β - sönderfall i 235 U → 207 Pb kedjan). Således är energispektrumet för antineutriner från varje radioaktiv serie en överlagring av partiella spektra från individuella β − sönderfall som utgör denna serie. Spektra för antineutrinos producerade i 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sönderfall visas i Fig. 1. 40 K-sönderfallet är ett enda β − sönderfall (se tabell). Antineutrinos når sin högsta energi (upp till 3,26 MeV) i sönderfallet
214 Bi → 214 Po, som är en länk i den radioaktiva serien 238 U. Den totala energin som frigörs under passagen av alla sönderfallslänkar i serien 232 Th → 208 Pb är 42,65 MeV. För de radioaktiva serierna 235 U och 238 U är dessa energier 46,39 respektive 51,69 MeV. Energi frigörs i förfall
40 K → 40 Ca är 1,31 MeV.
Egenskaper för 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K kärnor
| Kärna | Andel i % i en blandning isotoper |
Antal kärnor relaterar. Si kärnor |
T 1/2 miljarder år |
Första länkarna förfall |
|---|---|---|---|---|
| 232Th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6,48 10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Uppskattningen av geo-neutrinoflödet, gjord på grundval av sönderfallet av kärnorna 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K som finns i sammansättningen av jordens materia, leder till ett värde av storleksordningen 10 6 cm -2 sek -1 . Genom att registrera dessa geo-neutriner kan man få information om radioaktiv värmes roll i jordens totala värmebalans och testa våra idéer om innehållet av långlivade radioisotoper i jordmaterian.
Ris. 1. Energispektra för antineutrinos från kärnkraftsförfall
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normaliserad till ett sönderfall av moderkärnan
Reaktionen används för att registrera elektron-antineutrinos
P → e + + n, (1)
där denna partikel faktiskt upptäcktes. Tröskeln för denna reaktion är 1,8 MeV. Därför kan endast geo-neutriner bildade i sönderfallskedjor från 232 Th och 238 U kärnor registreras i ovanstående reaktion. Det effektiva tvärsnittet av reaktionen som diskuteras är extremt litet: σ ≈ 10 -43 cm 2. Därav följer att en neutrinodetektor med en känslig volym på 1 m 3 inte kommer att registrera mer än ett fåtal händelser per år. Uppenbarligen, för tillförlitlig fixering av geo-neutrino-flöden, behövs stora volymer neutrino-detektorer, placerade i underjordiska laboratorier för maximalt skydd mot bakgrunden. Idén att använda detektorer utformade för att studera sol- och reaktorneutriner för registrering av geo-neutriner uppstod 1998. För närvarande finns det två stora volymer neutrinodetektorer som använder en vätskescintillator och lämpar sig för att lösa problemet. Dessa är neutrinodetektorerna från KamLAND-experimenten (Japan, ) och Borexino (Italien, ). Nedan betraktar vi enheten för Borexino-detektorn och resultaten som erhålls på denna detektor för registrering av geo-neutrinos.
Borexino detektor och registrering av geo-neutrinos
Borexino-neutrinodetektorn är placerad i centrala Italien i ett underjordiskt laboratorium under bergskedjan Gran Sasso, vars bergstoppar når 2,9 km (fig. 2).
Ris. Fig. 2. Platsdiagram för neutrinolaboratoriet under bergskedjan Gran Sasso (mellersta Italien)
Borexino är en icke-segmenterad massiv detektor vars aktiva medium är
280 ton organisk vätskescintillator. Den fyllde ett sfäriskt kärl av nylon med en diameter på 8,5 m (fig. 3). Scintillatorn var pseudokumen (C9H12) med en spektrumskiftande PPO-tillsats (1,5 g/L). Ljuset från scintillatorn samlas upp av 2212 åttatums fotomultiplikatorer (PMT) placerade på en rostfri stålkula (SSS).
Ris. 3. Schema för enheten för Borexino-detektorn
Ett nylonkärl med pseudokumen är en intern detektor vars uppgift är att registrera neutriner (antineutrinos). Den inre detektorn är omgiven av två koncentriska buffertzoner som skyddar den från externa gammastrålar och neutroner. Den inre zonen är fylld med ett icke-scintillerande medium bestående av 900 ton pseudokumen med dimetylftalattillsatser för att släcka scintillationer. Den yttre zonen är belägen ovanpå SNS och är en Cherenkov-vattendetektor som innehåller 2000 ton ultrarent vatten och stänger av signaler från myoner som kommer in i anläggningen utifrån. För varje interaktion som sker i den interna detektorn bestäms energi och tid. Kalibrering av detektorn med hjälp av olika radioaktiva källor gjorde det möjligt att mycket exakt bestämma dess energiskala och graden av reproducerbarhet av ljussignalen.
Borexino är en detektor med mycket hög strålningsrenhet. Alla material valdes noggrant och scintillatorn rengjordes för att minimera den inre bakgrunden. På grund av sin höga strålningsrenhet är Borexino en utmärkt detektor för att detektera antineutrinos.
I reaktion (1) ger positronen en momentan signal, som efter en tid följs av infångning av en neutron av en vätekärna, vilket leder till uppkomsten av ett γ-kvantum med en energi på 2,22 MeV, vilket skapar en signalen fördröjd i förhållande till den första. I Borexino är neutronfångningstiden cirka 260 μs. De momentana och fördröjda signalerna är korrelerade i rum och tid, vilket ger exakt igenkänning av händelsen orsakad av t.ex.
Tröskeln för reaktion (1) är 1,806 MeV och, som framgår av fig. 1 är alla geo-neutriner från sönderfallet av 40 K och 235 U under denna tröskel, och endast en del av geo-neutrinerna som har sitt ursprung i sönderfallet av 232 Th och 238 U kan detekteras.
Borexino-detektorn upptäckte först signaler från geo-neutrinos 2010 och publicerade nyligen nya resultat baserade på observationer under 2056 dagar från december 2007 till mars 2015. Nedan presenterar vi erhållna data och resultaten av deras diskussion, baserat på artikel.
Som ett resultat av analysen av experimentella data identifierades 77 kandidater för elektronantineutrinos som klarade alla urvalskriterier. Bakgrunden från händelser som simulerade e uppskattades av . Således var signal/bakgrundsförhållandet ≈100.
Den huvudsakliga bakgrundskällan var reaktorantineutrinos. För Borexino var situationen ganska gynnsam, eftersom det inte finns några kärnreaktorer nära Gran Sasso-laboratoriet. Dessutom är reaktor-antineutriner mer energiska än geo-neutriner, vilket gjorde det möjligt att separera dessa antineutrinos från positronen genom signalstyrka. Resultaten av analysen av bidragen från geo-neutrinos och reaktor-antineutrinos till det totala antalet registrerade händelser från e visas i Fig. 4. Antalet registrerade geo-neutrinos som ges av denna analys (det skuggade området motsvarar dem i fig. 4) är lika med 
. I spektrumet av geo-neutriner som extraherats som ett resultat av analysen är två grupper synliga - mindre energiska, mer intensiva och mer energiska, mindre intensiva. Författarna till den beskrivna studien associerar dessa grupper med sönderfallen av torium respektive uran.
I analysen som diskuteras använde vi förhållandet mellan massorna av torium och uran i jordens materia
m(Th)/m(U) = 3,9 (i tabellen är detta värde ≈3,8). Denna siffra återspeglar det relativa innehållet av dessa kemiska element i kondriter - den vanligaste gruppen av meteoriter (mer än 90% av meteoriterna som föll till jorden tillhör denna grupp). Man tror att sammansättningen av kondriter, med undantag av lätta gaser (väte och helium), upprepar sammansättningen av solsystemet och den protoplanetära skivan som jorden bildades av.
Ris. Fig. 4. Spektrum av ljusutgången från positroner i enheter av antalet fotoelektroner för antineutrino-kandidathändelser (experimentella punkter). Det skuggade området är bidraget från geo-neutrinos. Den heldragna linjen är bidraget från reaktorantineutrinos.
