Γεωθερμική ενέργεια και μέθοδοι παραγωγής της. Προώθηση γεωθερμικής ενέργειας

Για τη Ρωσία, η θερμική ενέργεια της Γης μπορεί να γίνει μια σταθερή, αξιόπιστη πηγή φθηνής και προσιτής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας χρησιμοποιώντας νέες υψηλές, φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες για την εξόρυξη και την παροχή της στον καταναλωτή. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα στις μέρες μας

Περιορισμένοι πόροι πρώτων υλών ορυκτής ενέργειας

Η ζήτηση για οργανικές ενεργειακές πρώτες ύλες είναι μεγάλη στις βιομηχανικές και αναπτυσσόμενες χώρες(ΗΠΑ, Ιαπωνία, χώρες της ενωμένης Ευρώπης, Κίνα, Ινδία κ.λπ.). Ταυτόχρονα, οι ίδιοι οι πόροι υδρογονανθράκων αυτών των χωρών είναι είτε ανεπαρκείς είτε δεσμευμένοι, και μια χώρα, για παράδειγμα οι Ηνωμένες Πολιτείες, αγοράζει ενεργειακές πρώτες ύλες στο εξωτερικό ή αναπτύσσει κοιτάσματα σε άλλες χώρες.

Στη Ρωσία, μια από τις πλουσιότερες χώρες σε ενεργειακούς πόρους, οι οικονομικές ανάγκες για ενέργεια μέχρι στιγμής ικανοποιούνται από τις δυνατότητες χρήσης φυσικών πόρων. Ωστόσο, η εξόρυξη πρώτων υλών ορυκτών υδρογονανθράκων από το υπέδαφος είναι πολύ με γρήγορο ρυθμό. Αν τη δεκαετία 1940–1960. οι κύριες πετρελαιοπαραγωγικές περιοχές ήταν το «Δεύτερο Μπακού» στην περιοχή του Βόλγα και τα Ουράλια, στη συνέχεια, από τη δεκαετία του 1970 έως σήμερα, μια τέτοια περιοχή έχει Δυτική Σιβηρία. Όμως και εδώ παρατηρείται σημαντική μείωση στην παραγωγή ορυκτών υδρογονανθράκων. Η εποχή του «ξηρού» αερίου Cenomanian γίνεται παρελθόν. Προηγούμενο στάδιο εκτεταμένης ανάπτυξης εξόρυξης φυσικό αέριοέχει φτάσει στο τέλος του. Η ανάκτησή του από γιγάντια κοιτάσματα όπως το Medvezhye, το Urengoyskoye και το Yamburgskoye ανήλθε σε 84, 65 και 50%, αντίστοιχα. Το μερίδιο των ευνοϊκών για ανάπτυξη αποθεμάτων πετρελαίου επίσης μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Λόγω της ενεργού κατανάλωσης καυσίμων υδρογονανθράκων, τα χερσαία αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου έχουν μειωθεί σημαντικά. Τώρα τα κύρια αποθέματά τους είναι συγκεντρωμένα υφαλοκρηπίδα. Και παρόλο που βάση πρώτης ύληςΗ βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου εξακολουθεί να είναι επαρκής για την παραγωγή πετρελαίου και φυσικού αερίου στη Ρωσία απαιτούμενους όγκους, στο άμεσο μέλλον θα παρέχεται all in σε μεγαλύτερο βαθμόμέσω της ανάπτυξης κοιτασμάτων με σύνθετες μεταλλευτικές και γεωλογικές συνθήκες. Το κόστος παραγωγής υδρογονανθράκων θα αυξηθεί.

Οι περισσότεροι από τους μη ανανεώσιμους πόρους που εξάγονται από το υπέδαφος χρησιμοποιούνται ως καύσιμο για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Πρώτα απ 'όλα, αυτό είναι , το μερίδιο του οποίου στη δομή του καυσίμου είναι 64%.

Στη Ρωσία, το 70% της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Εταιρείες ενέργειαςχώρες καίνε ετησίως περίπου 500 εκατομμύρια τόνους π.χ. τ. για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας, ενώ η παραγωγή θερμότητας καταναλώνει 3–4 φορές περισσότερα καύσιμα υδρογονανθράκων από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από την καύση αυτών των όγκων πρώτων υλών υδρογονανθράκων ισοδυναμεί με τη χρήση εκατοντάδων τόνων πυρηνικού καυσίμου - η διαφορά είναι τεράστια. Ωστόσο πυρηνική ενέργειααπαιτεί ασφάλεια περιβαλλοντική ασφάλεια(για την αποφυγή επανάληψης του Τσερνομπίλ) και την προστασία του από πιθανές τρομοκρατικές ενέργειες, καθώς και τον ασφαλή και δαπανηρό παροπλισμό απαρχαιωμένων και ληγμένων μονάδων πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Τα αποδεδειγμένα ανακτήσιμα αποθέματα ουρανίου στον κόσμο είναι περίπου 3 εκατομμύρια 400 χιλιάδες τόνοι Κατά τη διάρκεια ολόκληρης της προηγούμενης περιόδου (μέχρι το 2007), εξορύχθηκαν περίπου 2 εκατομμύρια τόνοι.

Οι ΑΠΕ ως το μέλλον της παγκόσμιας ενέργειας

Μεγαλωμένος στην τις τελευταίες δεκαετίεςΣτον κόσμο, το ενδιαφέρον για τις εναλλακτικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) προκαλείται όχι μόνο από την εξάντληση των αποθεμάτων καυσίμων υδρογονανθράκων, αλλά και από την ανάγκη επίλυσης περιβαλλοντικά προβλήματα. Αντικειμενικοί παράγοντες (αποθέματα ορυκτών καυσίμων και ουρανίου, καθώς και περιβαλλοντικές αλλαγές που σχετίζονται με τη χρήση της παραδοσιακής πυρκαγιάς και της πυρηνικής ενέργειας) και οι τάσεις της ενεργειακής ανάπτυξης υποδηλώνουν ότι η μετάβαση σε νέες μεθόδους και μορφές παραγωγής ενέργειας είναι αναπόφευκτη. Ήδη στο πρώτο μισό του 21ου αιώνα. Θα υπάρξει πλήρης ή σχεδόν πλήρης μετάβαση σε μη παραδοσιακές πηγές ενέργειας.

Όσο πιο γρήγορα γίνει μια πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση, τόσο λιγότερο επώδυνη θα είναι για ολόκληρη την κοινωνία και τόσο πιο ωφέλιμο για τη χώρα όπου θα γίνουν αποφασιστικά βήματα προς αυτή την κατεύθυνση.

Η παγκόσμια οικονομία έχει ήδη χαράξει μια πορεία για τη μετάβαση σε έναν ορθολογικό συνδυασμό παραδοσιακών και νέων πηγών ενέργειας. Η κατανάλωση ενέργειας στον κόσμο μέχρι το 2000 ανερχόταν σε περισσότερους από 18 δισεκατομμύρια τόνους τόνους. και η κατανάλωση ενέργειας έως το 2025 μπορεί να αυξηθεί σε 30-38 δισεκατομμύρια τόνους τόνου. t., σύμφωνα με τις προβλέψεις, έως το 2050 είναι δυνατή η κατανάλωση στα επίπεδα των 60 δισεκατομμυρίων τόνων. τ. Χαρακτηριστικές τάσεις στην ανάπτυξη της παγκόσμιας οικονομίας την υπό εξέταση περίοδο είναι η συστηματική μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων και η αντίστοιχη αύξηση στη χρήση μη παραδοσιακών ενεργειακοί πόροι. Η θερμική ενέργεια της Γης κατέχει μια από τις πρώτες θέσεις ανάμεσά τους.

Επί του παρόντος, το Υπουργείο Ενέργειας της Ρωσικής Ομοσπονδίας έχει υιοθετήσει ένα πρόγραμμα για την ανάπτυξη της μη παραδοσιακής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων 30 μεγάλα έργατη χρήση μονάδων αντλίας θερμότητας (HPU), η αρχή λειτουργίας των οποίων βασίζεται στην κατανάλωση θερμικής ενέργειας χαμηλής ποιότητας της Γης.

Χαμηλής ποιότητας θερμική ενέργεια της Γης και αντλίες θερμότητας

Πηγές χαμηλού δυναμικού θερμικής ενέργειας της Γης είναι ηλιακή ακτινοβολίαΚαι θερμική ακτινοβολίαθερμαινόμενο εσωτερικό του πλανήτη μας. Επί του παρόντος, η χρήση αυτής της ενέργειας είναι ένας από τους πιο δυναμικά αναπτυσσόμενους τομείς ενέργειας που βασίζεται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Η θερμότητα της Γης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τύπους κτιρίων και κατασκευών για θέρμανση, παροχή ζεστού νερού, κλιματισμό (ψύξη), καθώς και για θέρμανση μονοπατιών το χειμώνα, αποφυγή παγοποίησης, θέρμανση γηπέδων σε ανοιχτά γήπεδα κ.λπ. Η αγγλική τεχνική βιβλιογραφία, συστήματα , που χρησιμοποιούν τη θερμότητα της Γης σε συστήματα θέρμανσης και κλιματισμού, χαρακτηρίζονται ως GHP - «γεωθερμικές αντλίες θερμότητας» (γεωθερμικές αντλίες θερμότητας). Κλιματικά χαρακτηριστικάΟι χώρες της Κεντρικής και Βόρειας Ευρώπης, οι οποίες, μαζί με τις ΗΠΑ και τον Καναδά, είναι οι κύριες περιοχές για τη χρήση χαμηλής θερμότητας από τη Γη, το καθορίζουν κυρίως για λόγους θέρμανσης. ψύξη αέρα ακόμα και μέσα καλοκαιρινή περίοδοΑπαιτείται σχετικά σπάνια. Επομένως, σε αντίθεση με τις ΗΠΑ, οι αντλίες θερμότητας στις ευρωπαϊκές χώρες λειτουργούν κυρίως σε λειτουργία θέρμανσης. Στις ΗΠΑ, χρησιμοποιούνται συχνότερα σε συστήματα θέρμανσης αέρα σε συνδυασμό με εξαερισμό, ο οποίος επιτρέπει τόσο τη θέρμανση όσο και την ψύξη του εξωτερικού αέρα. Στις ευρωπαϊκές χώρες, οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστήματα θέρμανσης νερού. Δεδομένου ότι η απόδοσή τους αυξάνεται καθώς μειώνεται η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εξατμιστή και του συμπυκνωτή, τα συστήματα ενδοδαπέδιας θέρμανσης χρησιμοποιούνται συχνά για τη θέρμανση κτιρίων, στα οποία ένα ψυκτικό κυκλοφορεί σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (35–40 o C).

Τύποι συστημάτων για τη χρήση θερμικής ενέργειας χαμηλού δυναμικού από τη Γη

ΣΕ γενική περίπτωσηΜπορούν να διακριθούν δύο τύποι συστημάτων για τη χρήση θερμικής ενέργειας χαμηλού δυναμικού από τη Γη:

– ανοιχτά συστήματα: τα υπόγεια ύδατα που τροφοδοτούνται απευθείας στις αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται ως πηγή θερμικής ενέργειας χαμηλής ποιότητας.

– κλειστά συστήματα: οι εναλλάκτες θερμότητας βρίσκονται στη μάζα του εδάφους. όταν ένα ψυκτικό υγρό με χαμηλότερη θερμοκρασία σε σχέση με το έδαφος κυκλοφορεί μέσα τους, η θερμική ενέργεια «επιλέγεται» από το έδαφος και μεταφέρεται στον εξατμιστή της αντλίας θερμότητας (ή όταν χρησιμοποιείται ψυκτικό με υψηλότερη θερμοκρασία σε σχέση με το έδαφος, είναι ψύχεται).

Τα μειονεκτήματα των ανοιχτών συστημάτων είναι ότι τα φρεάτια απαιτούν συντήρηση. Επιπλέον, η χρήση τέτοιων συστημάτων δεν είναι δυνατή σε όλους τους τομείς. Οι βασικές απαιτήσεις για το έδαφος και τα υπόγεια ύδατα είναι οι εξής:

– επαρκής διαπερατότητα του εδάφους, επιτρέποντας την αναπλήρωση των αποθεμάτων νερού.

- Καλός χημική σύνθεσηυπόγεια ύδατα (π.χ. χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο), αποφεύγοντας προβλήματα που σχετίζονται με το σχηματισμό αποθέσεων στα τοιχώματα των σωλήνων και τη διάβρωση.

Κλειστά συστήματα χρήσης θερμικής ενέργειας χαμηλού δυναμικού από τη Γη

Τα κλειστά συστήματα μπορεί να είναι οριζόντια ή κάθετα (Εικόνα 1).

Ρύζι. 1. Σχέδιο εγκατάστασης γεωθερμικής αντλίας θερμότητας με: α – οριζόντια

και β – κάθετοι εναλλάκτες θερμότητας εδάφους.

Οριζόντιος εναλλάκτης θερμότητας εδάφους

Στα δυτικά και Κεντρική Ευρώπηοριζόντιος εναλλάκτες θερμότητας εδάφουςΣυνήθως είναι χωριστοί σωλήνες που τοποθετούνται σχετικά σφιχτά και συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά ή παράλληλα (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Οριζόντιοι εναλλάκτες θερμότητας εδάφους με: α – σειριακό και

β – παράλληλη σύνδεση.

Για να σωθεί η περιοχή όπου αφαιρείται η θερμότητα, έχουν αναπτυχθεί βελτιωμένοι τύποι εναλλάκτη θερμότητας, για παράδειγμα, εναλλάκτες θερμότητας σε σχήμα σπιράλ (Εικ. 3), που βρίσκονται οριζόντια ή κάθετα. Αυτή η μορφή εναλλάκτη θερμότητας είναι κοινή στις ΗΠΑ.

Γεωθερμική ενέργεια- αυτή είναι η ενέργεια της θερμότητας που απελευθερώνεται από τις εσωτερικές ζώνες της Γης για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Σύμφωνα με γεωλογικές και γεωφυσικές μελέτες, η θερμοκρασία στον πυρήνα της Γης φτάνει τους 3.000-6.000 °C, μειώνοντας σταδιακά προς την κατεύθυνση από το κέντρο του πλανήτη προς την επιφάνειά του. Χιλιάδες ηφαίστεια εκρήγνυνται, μπλοκ κινούνται φλοιός της γης, οι σεισμοί υποδηλώνουν τη δράση της ισχυρής εσωτερικής ενέργειας της Γης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το θερμικό πεδίο του πλανήτη μας οφείλεται στη ραδιενεργή διάσπαση στα βάθη του, καθώς και στον βαρυτικό διαχωρισμό της ύλης του πυρήνα.
Οι κύριες πηγές θέρμανσης του εσωτερικού του πλανήτη είναι το ουράνιο, το θόριο και το ραδιενεργό κάλιο. Διαδικασίες ραδιενεργή διάσπασηστις ηπείρους εμφανίζονται κυρίως στο στρώμα γρανίτη του φλοιού της γης σε βάθος 20-30 km ή περισσότερο, στους ωκεανούς - στον ανώτερο μανδύα. Υποτίθεται ότι στη βάση του φλοιού της γης σε βάθος 10-15 km, η πιθανή τιμή θερμοκρασίας στις ηπείρους είναι 600-800 ° C και στους ωκεανούς - 150-200 ° C.
Ο άνθρωπος μπορεί να χρησιμοποιήσει τη γεωθερμική ενέργεια μόνο όπου αυτή εκδηλώνεται κοντά στην επιφάνεια της Γης, δηλ. σε περιοχές ηφαιστειακής και σεισμική δραστηριότητα. Τώρα η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται αποτελεσματικά από χώρες όπως οι ΗΠΑ, η Ιταλία, η Ισλανδία, το Μεξικό, η Ιαπωνία, η Νέα Ζηλανδία, η Ρωσία, οι Φιλιππίνες, η Ουγγαρία και το Ελ Σαλβαδόρ. Εδώ, η εσωτερική θερμότητα της γης ανεβαίνει στην ίδια την επιφάνεια με τη μορφή ζεστού νερού και ατμού με θερμοκρασίες έως 300 ° C και συχνά ξεσπά ως θερμότητα από πηγές που αναβλύζουν (γκέιζερ), για παράδειγμα, οι διάσημοι θερμοπίδακες του Yellowstone Πάρκο στις ΗΠΑ, θερμοπίδακες της Καμτσάτκα και της Ισλανδίας.
Πηγές γεωθερμικής ενέργειαςχωρίζεται σε ξηρό ζεστό ατμό, υγρό ζεστό ατμό και ζεστό νερό. Ένα πηγάδι, το οποίο είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας για τα ηλεκτρικά ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗ ΓΡΑΜΜΗστην Ιταλία (κοντά στην πόλη Larderello), από το 1904 τροφοδοτεί ξηρό ζεστό ατμό. Δύο άλλες διάσημες τοποθεσίες ζεστού ξηρού ατμού στον κόσμο είναι το πεδίο Matsukawa στην Ιαπωνία και το Geyser Field κοντά στο Σαν Φρανσίσκο, οι οποίες έχουν επίσης μια μακρά και αποτελεσματική χρήση της γεωθερμικής ενέργειας. Ο πιο υγρός ζεστός ατμός στον κόσμο βρίσκεται στη Νέα Ζηλανδία (Wairakei), τα γεωθερμικά πεδία ελαφρώς μικρότερης ισχύος βρίσκονται στο Μεξικό, την Ιαπωνία, το Ελ Σαλβαδόρ, τη Νικαράγουα και τη Ρωσία.
Έτσι, μπορούν να διακριθούν τέσσερις κύριοι τύποι πόρων γεωθερμική ενέργεια:
θερμότητα επιφάνειας εδάφους που χρησιμοποιείται από αντλίες θερμότητας.
ενεργειακοί πόροι ατμού, ζεστού και ζεστού νερού στην επιφάνεια της γης, που χρησιμοποιούνται πλέον για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
θερμότητα συγκεντρωμένη βαθιά κάτω από την επιφάνεια της γης (πιθανώς απουσία νερού).
ενέργεια μάγματος και θερμότητα που συσσωρεύεται κάτω από τα ηφαίστεια.

Τα αποθέματα γεωθερμικής θερμότητας (~ 8 * 1030 J) είναι 35 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερα από την ετήσια παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας. Μόλις το 1% της γεωθερμικής ενέργειας στον φλοιό της γης (10 χλμ. βάθος) μπορεί να παρέχει μια ποσότητα ενέργειας που είναι 500 φορές μεγαλύτερη από όλα τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου. Ωστόσο, σήμερα μόνο ένα μικρό μέρος αυτών των πόρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί, και αυτό οφείλεται κυρίως σε οικονομικούς λόγους. Η βιομηχανική ανάπτυξη των γεωθερμικών πόρων (η ενέργεια των ζεστών βαθιών νερών και του ατμού) ξεκίνησε το 1916, όταν τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος γεωθερμικός σταθμός ισχύος 7,5 MW στην Ιταλία. Κατά το παρελθόν, έχει συσσωρευτεί σημαντική εμπειρία στον τομέα της πρακτικής ανάπτυξης των πόρων γεωθερμικής ενέργειας. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των υφιστάμενων σταθμών γεωθερμίας (GeoTES) ήταν: 1975 - 1.278 MW, το 1990 - 7.300 MW. Η μεγαλύτερη πρόοδος σε αυτό το θέμα έχει επιτευχθεί από τις ΗΠΑ, τις Φιλιππίνες, το Μεξικό, την Ιταλία και την Ιαπωνία.
Οι τεχνικές και οικονομικές παράμετροι των γεωθερμικών σταθμών ποικίλλουν σε αρκετά μεγάλο εύρος και εξαρτώνται από τα γεωλογικά χαρακτηριστικά της περιοχής (βάθος εμφάνισης, παράμετροι του ρευστού εργασίας, σύστασή του κ.λπ.). Για την πλειονότητα των γεωθερμικών σταθμών που τίθενται σε λειτουργία, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι παρόμοιο με το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα και ανέρχεται σε 1200 ... 2000 δολάρια ΗΠΑ / MW.
Στην Ισλανδία, το 80% των σπιτιών θερμαίνεται με ζεστό νερό που εξάγεται από γεωθερμικά πηγάδια κοντά στην πόλη του Ρέικιαβικ. Στις δυτικές Ηνωμένες Πολιτείες, περίπου 180 σπίτια και φάρμες θερμαίνονται χρησιμοποιώντας γεωθερμικό ζεστό νερό. Σύμφωνα με τους ειδικούς, μεταξύ 1993 και 2000, η ​​παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμική ενέργεια υπερδιπλασιάστηκε. Υπάρχουν τόσα πολλά αποθέματα γεωθερμικής θερμότητας στις Ηνωμένες Πολιτείες που θα μπορούσε, θεωρητικά, να παρέχει 30 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει σήμερα το κράτος.
Στο μέλλον, είναι δυνατή η χρήση της θερμότητας του μάγματος σε εκείνες τις περιοχές όπου βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της Γης, καθώς και η ξηρή θερμότητα των θερμαινόμενων κρυσταλλικών πετρωμάτων. Στην τελευταία περίπτωση, τα πηγάδια ανοίγονται σε πολλά χιλιόμετρα, το κρύο νερό αντλείται προς τα κάτω και το ζεστό νερό λαμβάνεται πίσω.

Ο όρος «γεωθερμική ενέργεια» προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις γη (γεω) και θερμότητα (θερμική). Στην πραγματικότητα, η γεωθερμική ενέργεια προέρχεται από την ίδια τη γη. Η θερμότητα από τον πυρήνα της γης, που είναι κατά μέσο όρο 3.600 βαθμοί Κελσίου, ακτινοβολεί προς την επιφάνεια του πλανήτη.

Η θέρμανση των πηγών και των θερμοπίδακες υπόγεια σε βάθος αρκετών χιλιομέτρων μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση ειδικών φρεατίων μέσω των οποίων ζεστό νερό(ή ατμού από αυτό) στην επιφάνεια, όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα ως θερμότητα ή έμμεσα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την ενεργοποίηση περιστρεφόμενων στροβίλων.

Δεδομένου ότι το νερό κάτω από την επιφάνεια της γης αναπληρώνεται συνεχώς, και ο πυρήνας της γης θα συνεχίσει να παράγει θερμότητα σχετικά ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ζωηατελείωτα, γεωθερμική ενέργεια, σετελικά, καθαρό και ανανεώσιμο.

Μέθοδοι συλλογής των ενεργειακών πόρων της Γης

Σήμερα υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι συλλογής γεωθερμικής ενέργειας: ξηρός ατμός, ζεστό νερό και ο δυαδικός κύκλος. Η διαδικασία ξηρού ατμού οδηγεί απευθείας τους στροβιλοκινητήρες των γεννητριών ηλεκτρικής ενέργειας. Το ζεστό νερό ρέει από κάτω προς τα πάνω και στη συνέχεια ψεκάζεται στη δεξαμενή για να δημιουργήσει ατμό για να κινήσει τους στρόβιλους. Αυτές οι δύο μέθοδοι είναι οι πιο κοινές, παράγοντας εκατοντάδες μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ, την Ισλανδία, την Ευρώπη, τη Ρωσία και άλλες χώρες. Αλλά η τοποθεσία είναι περιορισμένη, καθώς αυτές οι μονάδες λειτουργούν μόνο σε τεκτονικές περιοχές όπου η πρόσβαση σε θερμαινόμενο νερό είναι ευκολότερη.

Με την τεχνολογία δυαδικού κύκλου, ζεστό (όχι απαραίτητα καυτό) νερό εξάγεται στην επιφάνεια και συνδυάζεται με βουτάνιο ή πεντάνιο, το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασίαβρασμός. Αυτό το υγρό αντλείται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας όπου εξατμίζεται και αποστέλλεται μέσω ενός στροβίλου πριν επανακυκλοφορήσει πίσω στο σύστημα. Οι τεχνολογίες δυαδικού κύκλου παρέχουν δεκάδες μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας στις Ηνωμένες Πολιτείες: Καλιφόρνια, Νεβάδα και Χαβάη.

Η αρχή της παραγωγής ενέργειας

Μειονεκτήματα της Γεωθερμικής Ενέργειας

Σε επίπεδο κοινής ωφέλειας, οι γεωθερμικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής είναι δαπανηροί στην κατασκευή και τη λειτουργία τους. Η εύρεση μιας κατάλληλης τοποθεσίας απαιτεί ακριβές έρευνες πηγαδιών χωρίς καμία εγγύηση ότι θα βρεθείτε σε ένα παραγωγικό υπόγειο hot spot. Ωστόσο, οι αναλυτές αναμένουν ότι αυτή η ικανότητα θα διπλασιαστεί σχεδόν τα επόμενα έξι χρόνια.

Επιπλέον, περιοχές με υψηλή θερμοκρασίαΟι υπόγειες πηγές βρίσκονται σε περιοχές με ενεργά γεωλογικά και χημικά ηφαίστεια. Αυτά τα «καυτά σημεία» σχηματίστηκαν στα σύνορα τεκτονικές πλάκεςσε μέρη που ο φλοιός είναι αρκετά λεπτός. περιοχή του Ειρηνικού, που συχνά αναφέρεται ως δακτύλιος φωτιάς για πολλά ηφαίστεια, όπου υπάρχουν πολλά καυτά σημεία, όπως στην Αλάσκα, την Καλιφόρνια και το Όρεγκον. Η Νεβάδα έχει εκατοντάδες hot spots που εκτείνονται πλέονβόρειο τμήμα των ΗΠΑ.

Υπάρχουν και άλλες σεισμικά ενεργές περιοχές. Οι σεισμοί και η κίνηση του μάγματος επιτρέπουν στο νερό να κυκλοφορεί. Σε ορισμένα μέρη, το νερό ανεβαίνει στην επιφάνεια και εμφανίζονται φυσικές θερμές πηγές και θερμοπίδακες, όπως στην Καμτσάτκα. Το νερό στους θερμοπίδακες της Καμτσάτκα φτάνει τους 95°C.

Ένα από τα προβλήματα ανοικτό σύστημα geysers είναι η απελευθέρωση ορισμένων ατμοσφαιρικών ρύπων. υδρόθειο - τοξικό αέριομε μια πολύ αναγνωρίσιμη οσμή "σάπιου αυγού" - μικρές ποσότητες αρσενικού και μετάλλων που απελευθερώνονται με τον ατμό. Το αλάτι μπορεί επίσης να δημιουργήσει περιβαλλοντικό πρόβλημα.

Σε υπεράκτιους γεωθερμικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, σημαντικές ποσότητες παρεμβαλλόμενου άλατος συσσωρεύονται στους σωλήνες. Στα κλειστά συστήματα δεν υπάρχουν εκπομπές και όλα τα υγρά που έρχονται στην επιφάνεια επιστρέφουν.

Οικονομικές δυνατότητες του ενεργειακού πόρου

Σεισμικά ενεργά σημείαδεν είναι τα μόνα μέρη όπου μπορεί να βρεθεί γεωθερμική ενέργεια. Υπάρχει μια συνεχής παροχή χρήσιμης θερμότητας για σκοπούς άμεσης θέρμανσης σε βάθη οπουδήποτε από 4 μέτρα έως αρκετά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια σχεδόν οπουδήποτε στη γη. Ακόμα και το χώμα στη δική σας αυλή ή στο τοπικό σχολείο έχει οικονομικές δυνατότητεςμε τη μορφή θερμότητας που θα απελευθερωθεί στο σπίτι ή σε άλλα κτίρια.

Επιπλέον υπάρχει μεγάλο ποσόθερμική ενέργεια σε ξηρούς βραχώδεις σχηματισμούς πολύ βαθιά κάτω από την επιφάνεια (4 – 10 km).

Η χρήση της νέας τεχνολογίας θα μπορούσε να επεκτείνει τα γεωθερμικά συστήματα, όπου οι άνθρωποι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη θερμότητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα από τις συμβατικές τεχνολογίες. Τα πρώτα έργα επίδειξης αυτής της αρχής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάστηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Αυστραλία το 2013.

Εάν το πλήρες οικονομικό δυναμικό των γεωθερμικών πόρων μπορεί να αξιοποιηθεί, θα αντιπροσωπεύει μια τεράστια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για παραγωγική ικανότητα. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι οι συμβατικές γεωθερμικές πηγές έχουν δυναμικό 38.000 MW, το οποίο μπορεί να παράγει 380 εκατομμύρια MW ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως.

Θερμοί ξηροί βράχοι εμφανίζονται σε βάθη 5 έως 8 km παντού υπόγεια και σε μικρότερα βάθη σε ορισμένα σημεία. Η πρόσβαση σε αυτούς τους πόρους απαιτεί την εισαγωγή κρύο νερό, που κυκλοφορεί μέσα από θερμούς βράχους και απορρίπτει θερμό νερό. Επί του παρόντος δεν υπάρχουν εμπορικές εφαρμογές για αυτήν την τεχνολογία. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες δεν επιτρέπουν ακόμη την αποκατάσταση θερμική ενέργειααπευθείας από το μάγμα, πολύ βαθιά, αλλά είναι ο πιο ισχυρός πόρος γεωθερμικής ενέργειας.

Με τον συνδυασμό των ενεργειακών πόρων και τη συνέπειά της, η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να διαδραματίσει απαραίτητο ρόλο ως ένα καθαρότερο, πιο βιώσιμο ενεργειακό σύστημα.

Κατασκευές γεωθερμικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής

Η γεωθερμική ενέργεια είναι καθαρή, βιώσιμη θερμότητα από τη Γη. Μεγάλοι πόροι βρίσκονται σε μια περιοχή αρκετών χιλιομέτρων κάτω από την επιφάνεια της γης, και ακόμη βαθύτερα, σε λιωμένο βράχο υψηλής θερμοκρασίας που ονομάζεται μάγμα. Αλλά όπως περιγράφηκε παραπάνω, οι άνθρωποι δεν έχουν φτάσει ακόμη στο μάγμα.

Τρία σχέδια γεωθερμικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής

Η τεχνολογία εφαρμογής καθορίζεται από τον πόρο. Εάν το νερό προέρχεται από το πηγάδι ως ατμός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας. Εάν το ζεστό νερό είναι σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία πρέπει να περάσει από έναν εναλλάκτη θερμότητας.

Το πρώτο πηγάδι για την παραγωγή ενέργειας έγινε πριν από το 1924. Στη δεκαετία του 1950 ανοίχτηκαν βαθύτερα πηγάδια, αλλά η πραγματική ανάπτυξη σημειώθηκε στις δεκαετίες του 1970 και του 1980.

Άμεση χρήση γεωθερμικής θερμότητας

Οι γεωθερμικές πηγές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν απευθείας για σκοπούς θέρμανσης. Το ζεστό νερό χρησιμοποιείται για τη θέρμανση κτιρίων, την καλλιέργεια φυτών σε θερμοκήπια, την αποξήρανση των ψαριών και τις καλλιέργειες, τη βελτίωση της παραγωγής λαδιού, τη βοήθεια βιομηχανικές διεργασίεςόπως παστεριωτές γάλακτος και θέρμανση νερού σε ιχθυοτροφεία. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι καταρράκτες Klamath, Oregon και Boise, Idaho, χρησιμοποιούν γεωθερμικό νερό για τη θέρμανση κατοικιών και κτιρίων για πάνω από έναν αιώνα. Στην ανατολική ακτή, το Warm Springs της Βιρτζίνια παίρνει τη θερμότητά του απευθείας από το νερό πηγής χρησιμοποιώντας πηγές θερμότητας σε ένα από τα τοπικά θέρετρα.

Στην Ισλανδία, σχεδόν κάθε κτίριο στη χώρα θερμαίνεται από ζεστό νερό πηγής. Στην πραγματικότητα, η Ισλανδία λαμβάνει περισσότερο από το 50 τοις εκατό της πρωτογενούς ενέργειας από γεωθερμικές πηγές. Στο Ρέικιαβικ, για παράδειγμα (πληθυσμός 118 χιλιάδες), το ζεστό νερό μεταφέρεται με μεταφορέα πάνω από 25 χιλιόμετρα και οι κάτοικοι το χρησιμοποιούν για θέρμανση και φυσικές ανάγκες.

Η Νέα Ζηλανδία λαμβάνει επιπλέον 10% της ηλεκτρικής της ενέργειας. είναι υπανάπτυκτη, παρά την παρουσία ιαματικών νερών.

Διδάκτωρ Τεχνικών Επιστημών ΣΤΟ. Το μισώ, καθηγητή,
ακαδημαϊκός Ρωσική ΑκαδημίαΤεχνολογικές Επιστήμες, Μόσχα

Τις τελευταίες δεκαετίες, ο κόσμος εξετάζει την κατεύθυνση της αποτελεσματικότερης χρήσης της ενέργειας της βαθιάς θερμότητας της Γης με στόχο τη μερική αντικατάσταση του φυσικού αερίου, του πετρελαίου και του άνθρακα. Αυτό θα καταστεί δυνατό όχι μόνο σε περιοχές με υψηλές γεωθερμικές παραμέτρους, αλλά και σε οποιεσδήποτε περιοχές σφαίρακατά τη διάνοιξη φρεατίων έγχυσης και παραγωγής και τη δημιουργία συστημάτων κυκλοφορίας μεταξύ τους.

Το αυξανόμενο ενδιαφέρον για εναλλακτικές πηγές ενέργειας στον κόσμο τις τελευταίες δεκαετίες προκαλείται από την εξάντληση των αποθεμάτων καυσίμων υδρογονανθράκων και την ανάγκη επίλυσης μιας σειράς περιβαλλοντικών προβλημάτων. Αντικειμενικοί παράγοντες (αποθέματα ορυκτών καυσίμων και ουρανίου, καθώς και αλλαγές στο περιβάλλον που προκαλούνται από την παραδοσιακή φωτιά και την πυρηνική ενέργεια) υποδηλώνουν ότι η μετάβαση σε νέες μεθόδους και μορφές παραγωγής ενέργειας είναι αναπόφευκτη.

Η παγκόσμια οικονομία οδεύει επί του παρόντος προς τη μετάβαση σε έναν ορθολογικό συνδυασμό παραδοσιακών και νέων πηγών ενέργειας. Η ζεστασιά της Γης κατέχει μια από τις πρώτες θέσεις ανάμεσά τους.

Οι γεωθερμικοί πόροι διακρίνονται σε υδρογεωλογικούς και πετρογεωθερμικούς. Τα πρώτα από αυτά αντιπροσωπεύονται από ψυκτικά (αποτελούν μόνο το 1% του κοινόχρηστους πόρουςγεωθερμική ενέργεια) - υπόγεια ύδατα, μίγματα ατμού και ατμού-νερού. Οι τελευταίες αντιπροσωπεύουν τη γεωθερμική ενέργεια που περιέχεται στο θερμό βράχουςΩ.

Η τεχνολογία σιντριβανιών (αυτοροή) που χρησιμοποιείται στη χώρα μας και στο εξωτερικό για την εξόρυξη φυσικού ατμού και γεωθερμικών νερών είναι απλή, αλλά αναποτελεσματική. Με χαμηλό ρυθμό ροής των αυτο-ρέον πηγαδιών, η παραγωγή θερμότητάς τους μπορεί να αποζημιώσει το κόστος της γεώτρησης μόνο σε μικρό βάθος γεωθερμικών ταμιευτήρων με υψηλές θερμοκρασίες σε περιοχές με θερμικές ανωμαλίες. Η διάρκεια ζωής τέτοιων πηγαδιών σε πολλές χώρες δεν φτάνει καν τα 10 χρόνια.

Ταυτόχρονα, η εμπειρία επιβεβαιώνει ότι με την παρουσία ρηχών φυσικών ταμιευτήρων ατμού, η κατασκευή γεωθερμικής μονάδας παραγωγής ενέργειας είναι η πιο κερδοφόρα επιλογή για τη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας. Η λειτουργία τέτοιων γεωθερμικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής έχει δείξει την ανταγωνιστικότητά τους σε σύγκριση με άλλους τύπους σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Ως εκ τούτου, η χρήση αποθεμάτων γεωθερμικών υδάτων και υδροθερμικού ατμού στη χώρα μας στη χερσόνησο Καμτσάτκα και στα νησιά της κορυφογραμμής των Κουρίλων, στις περιοχές του Βόρειου Καυκάσου, και ενδεχομένως και σε άλλες περιοχές είναι σκόπιμη και έγκαιρη. Αλλά τα κοιτάσματα ατμού είναι σπάνια· τα γνωστά και προβλεπόμενα αποθέματά του είναι μικρά. Πολύ πιο κοινές αποθέσεις νερού θερμικής ενέργειας δεν βρίσκονται πάντα αρκετά κοντά στον καταναλωτή - το αντικείμενο παροχής θερμότητας. Αυτό αποκλείει τη δυνατότητα αποτελεσματικής χρήσης τους σε μεγάλη κλίμακα.

Συχνά, τα ζητήματα καταπολέμησης των κοιτασμάτων αλατιού εξελίσσονται σε πολύπλοκο πρόβλημα. Η χρήση γεωθερμικών, συνήθως μεταλλοποιημένων, πηγών ως ψυκτικού μέσου οδηγεί σε υπερανάπτυξη ζωνών πηγαδιών με σχηματισμούς οξειδίου του σιδήρου, ανθρακικού ασβεστίου και πυριτικών. Επιπλέον, προβλήματα διάβρωσης-διάβρωσης και αποθέσεων αλάτων επηρεάζουν αρνητικά τη λειτουργία του εξοπλισμού. Το πρόβλημα είναι επίσης η απόρριψη μεταλλευμένων λυμάτων που περιέχουν τοξικές ακαθαρσίες. Επομένως, η απλούστερη τεχνολογία σιντριβανιών δεν μπορεί να χρησιμεύσει ως βάση για την ευρεία ανάπτυξη των γεωθερμικών πόρων.

Σύμφωνα με προκαταρκτικές εκτιμήσεις στην επικράτεια Ρωσική ΟμοσπονδίαΤα προβλεπόμενα αποθέματα ιαματικών νερών με θερμοκρασία 40-250 °C, αλατότητα 35-200 g/l και βάθος έως 3000 m είναι 21-22 εκατομμύρια m3/ημέρα, που ισοδυναμεί με καύση 30-40 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου καυσίμου. στο έτος.

Τα προβλεπόμενα αποθέματα του μίγματος ατμού-αέρα με θερμοκρασία 150-250 °C στη χερσόνησο Καμτσάτκα και στα νησιά Κουρίλ είναι 500 χιλιάδες m3/ημέρα. και αποθέματα ιαματικών νερών με θερμοκρασία 40-100 °C - 150 χιλιάδες m3/ημέρα.

Προτεραιότητα για ανάπτυξη θεωρούνται τα αποθέματα ιαματικού νερού με παροχή περίπου 8 εκατομμύρια m3/ημέρα, με αλατότητα έως 10 g/l και θερμοκρασία άνω των 50 °C.

Πολύ υψηλότερη τιμήΓια τον ενεργειακό τομέα του μέλλοντος, υπάρχει η εξόρυξη θερμικής ενέργειας, πρακτικά ανεξάντλητων πετρογεωθερμικών πόρων. Αυτή η γεωθερμική ενέργεια, που περιέχεται σε στερεά θερμά πετρώματα, αντιπροσωπεύει το 99% των συνολικών υπόγειων πόρων θερμικής ενέργειας. Σε βάθος 4-6 km, ορεινοί όγκοι με θερμοκρασία 300-400 °C μπορούν να βρεθούν μόνο κοντά στα ενδιάμεσα κέντρα ορισμένων ηφαιστείων, αλλά θερμοί βράχοι με θερμοκρασία 100-150 °C είναι κατανεμημένοι σχεδόν παντού σε αυτά τα βάθη , και με θερμοκρασία 180-200 °C σε ένα αρκετά μεγάλο τμήμα της επικράτειας της Ρωσίας.

Για δισεκατομμύρια χρόνια, πυρηνικές, βαρυτικές και άλλες διεργασίες στο εσωτερικό της Γης παράγουν και παράγουν θερμική ενέργεια. Μέρος του εκπέμπεται στο διάστημα και η θερμότητα συσσωρεύεται στα βάθη, δηλ. Η θερμική περιεκτικότητα των στερεών, υγρών και αέριων φάσεων της γήινης ύλης ονομάζεται γεωθερμική ενέργεια.

Η συνεχής παραγωγή ενδογήινης θερμότητας αντισταθμίζει τις εξωτερικές της απώλειες, χρησιμεύει ως πηγή συσσώρευσης γεωθερμικής ενέργειας και καθορίζει το ανανεώσιμο μέρος των πόρων της. Η συνολική μεταφορά θερμότητας από το υπόγειο σε η επιφάνεια της γηςτριπλάσια της τρέχουσας ισχύος των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής στον κόσμο και υπολογίζεται σε 30 TW.

Ωστόσο, είναι σαφές ότι η ανανεώσιμη δυνατότητα έχει μόνο περιορισμένη σημασία φυσικοί πόροικαι το συνολικό δυναμικό της γεωθερμικής ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητο, αφού θα πρέπει να οριστεί ως σύνολοθερμότητα διαθέσιμη στη Γη.

Δεν είναι τυχαίο ότι τις τελευταίες δεκαετίες, ο κόσμος εξετάζει την κατεύθυνση της αποτελεσματικότερης χρήσης της ενέργειας της βαθιάς θερμότητας της Γης με στόχο τη μερική αντικατάσταση του φυσικού αερίου, του πετρελαίου και του άνθρακα. Αυτό θα καταστεί δυνατό όχι μόνο σε περιοχές με υψηλές γεωθερμικές παραμέτρους, αλλά και σε οποιαδήποτε περιοχή του πλανήτη κατά τη γεώτρηση φρεατίων έγχυσης και παραγωγής και τη δημιουργία συστημάτων κυκλοφορίας μεταξύ τους.

Φυσικά, με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων, για την αποτελεσματική λειτουργία των συστημάτων κυκλοφορίας είναι απαραίτητο να υπάρχει ή να δημιουργηθεί μια επαρκώς ανεπτυγμένη επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας στη ζώνη εξαγωγής θερμότητας. Μια τέτοια επιφάνεια διακατέχεται από πορώδη στρώματα και ζώνες φυσικής αντίστασης σε θραύση που βρίσκονται συχνά στα παραπάνω βάθη, η διαπερατότητα των οποίων καθιστά δυνατή την οργάνωση της εξαναγκασμένης διήθησης του ψυκτικού με την αποτελεσματική εξαγωγή ενέργειας από πετρώματα, καθώς και τεχνητή δημιουργία μιας εκτεταμένης επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας σε πορώδεις ορεινούς όγκους χαμηλής διαπερατότητας με τη μέθοδο της υδραυλικής ρωγμής (βλ. σχήμα).

Επί του παρόντος, η υδραυλική ρωγμή χρησιμοποιείται στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου ως ένας τρόπος για την αύξηση της διαπερατότητας των σχηματισμών για την ενίσχυση της ανάκτησης πετρελαίου κατά την ανάπτυξη των κοιτασμάτων πετρελαίου. Η σύγχρονη τεχνολογία σάς επιτρέπει να δημιουργήσετε μια στενή αλλά μεγάλη ρωγμή ή μια μικρή αλλά φαρδιά. Υπάρχουν γνωστά παραδείγματα υδραυλικών ρωγμών με ρωγμές μήκους έως 2-3 km.

Η εγχώρια ιδέα της εξόρυξης των κύριων γεωθερμικών πόρων που περιέχονται σε στερεά πετρώματα εκφράστηκε το 1914 από τον K.E. Tsiolkovsky και το 1920 το σύστημα γεωθερμικής κυκλοφορίας (GCS) σε έναν καυτό γρανιτένιο όγκο περιγράφηκε από τον V.A. Ομπρούτσεφ.

Το 1963, το πρώτο GCS δημιουργήθηκε στο Παρίσι για την εξαγωγή θερμότητας από πορώδη πετρώματα για θέρμανση και κλιματισμό στις εγκαταστάσεις του συγκροτήματος Broadcasting Chaos. Το 1985 λειτουργούσαν ήδη 64 GCS στη Γαλλία με συνολική θερμική ισχύ 450 MW με ετήσια εξοικονόμηση περίπου 150 χιλιάδων τόνων πετρελαίου. Την ίδια χρονιά, το πρώτο παρόμοιο GVC δημιουργήθηκε στην ΕΣΣΔ στην κοιλάδα Khankala κοντά στην πόλη του Γκρόζνι.

Το 1977, στο πλαίσιο του έργου του Εθνικού Εργαστηρίου του Λος Άλαμος στις Ηνωμένες Πολιτείες, ξεκίνησε η δοκιμή ενός πειραματικού GVC με υδραυλική θραύση ενός σχεδόν αδιαπέραστου ορεινού όγκου στην τοποθεσία Fenton Hill στο Νέο Μεξικό. Εγχέεται μέσω ενός φρεατίου (ένεση) κρύου γλυκό νερόθερμάνθηκε λόγω ανταλλαγής θερμότητας με βραχόμαζα (185 OS) σε κάθετη ρωγμή επιφάνειας 8000 m2, που σχηματίστηκε από υδραυλική θραύση σε βάθος 2,7 km. Μέσα από ένα άλλο πηγάδι (παραγωγή), που επίσης τέμνει αυτή τη ρωγμή, υπερθερμασμένο νερό βγήκε στην επιφάνεια με τη μορφή πίδακα ατμού. Όταν κυκλοφορεί μέσα κλειστό βρόχουπό πίεση, η θερμοκρασία του υπέρθερμου νερού στην επιφάνεια έφτασε τους 160-180 °C και η θερμική ισχύς του συστήματος ήταν 4-5 MW. Οι διαρροές ψυκτικού στον περιβάλλοντα όγκο αντιπροσώπευαν περίπου το 1% του συνολικού ρυθμού ροής. Η συγκέντρωση των μηχανικών και χημικών προσμίξεων (έως 0,2 g/l) αντιστοιχούσε στις συνθήκες του γλυκού νερού πόσιμο νερό. Το υδραυλικό κάταγμα δεν απαιτούσε στήριξη και διατηρήθηκε ανοιχτό με πίεση υδροστατικού υγρού. Η ελεύθερη συναγωγή που αναπτύχθηκε σε αυτό εξασφάλισε την αποτελεσματική συμμετοχή στην ανταλλαγή θερμότητας σχεδόν ολόκληρης της επιφάνειας της εξόδου της θερμής πέτρας.

Η εξόρυξη υπόγειας θερμικής ενέργειας από θερμά αδιαπέραστα πετρώματα, βάσει των μεθόδων κεκλιμένης γεώτρησης και υδραυλικής ρωγμής που αναπτύχθηκαν και εφαρμόζονται επί μακρόν στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, δεν προκάλεσε σεισμική δραστηριότητα ή άλλες επιβλαβείς επιπτώσεις στο περιβάλλον.

Το 1983, Άγγλοι επιστήμονες επανέλαβαν την αμερικανική εμπειρία δημιουργώντας ένα πειραματικό GCS με υδραυλική θραύση γρανιτών στο Carnwell. Παρόμοιες εργασίες πραγματοποιήθηκαν στη Γερμανία και τη Σουηδία. Υπάρχουν περισσότερα από 224 έργα γεωθερμικής θέρμανσης στις Ηνωμένες Πολιτείες. Υποτίθεται ότι οι γεωθερμικοί πόροι μπορούν να παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος των μελλοντικών αναγκών των ΗΠΑ σε θερμική ενέργεια για μη ηλεκτρικές ανάγκες. Στην Ιαπωνία, η δυναμικότητα των σταθμών γεωθερμίας το 2000 έφτασε τα 50 GW περίπου.

Επί του παρόντος, η έρευνα και η εξερεύνηση των γεωθερμικών πόρων πραγματοποιείται σε 65 χώρες. Στον κόσμο έχουν δημιουργηθεί σταθμοί συνολικής ισχύος περίπου 10 GW με βάση τη γεωθερμική ενέργεια. Ο ΟΗΕ παρέχει ενεργή υποστήριξη για την ανάπτυξη της γεωθερμικής ενέργειας.

Η εμπειρία που αποκτήθηκε σε πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο στη χρήση γεωθερμικών ψυκτικών υγρών δείχνει ότι υπό ευνοϊκές συνθήκες είναι 2-5 φορές πιο κερδοφόρα από τα θερμικά και πυρηνικά εργοστάσια. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ένα γεωθερμικό πηγάδι μπορεί να αντικαταστήσει 158 χιλιάδες τόνους άνθρακα ετησίως.

Έτσι, η θερμότητα της Γης είναι ίσως η μόνη μεγάλη, ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η ορθολογική ανάπτυξη της οποίας υπόσχεται μείωση του κόστους ενέργειας σε σύγκριση με τη σύγχρονη ενέργεια καυσίμου. Με εξίσου ανεξάντλητο ενεργειακό δυναμικό, οι ηλιακές και θερμοπυρηνικές εγκαταστάσεις, δυστυχώς, θα είναι ακριβότερες από τις υπάρχουσες καύσιμα.

Παρά την πολύ μακρά ιστορία της αξιοποίησης της θερμότητας της Γης, σήμερα η γεωθερμική τεχνολογία δεν έχει φτάσει ακόμη στο δικό της υψηλή ανάπτυξη. Η ανάπτυξη της θερμικής ενέργειας της Γης αντιμετωπίζει μεγάλες δυσκολίες κατά την κατασκευή βαθιών φρεατίων, τα οποία αποτελούν κανάλι για να φέρει το ψυκτικό στην επιφάνεια. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας στο κάτω μέρος (200-250 °C), τα παραδοσιακά εργαλεία κοπής βράχου είναι ακατάλληλα για εργασία σε τέτοιες συνθήκες· επιβάλλονται ειδικές απαιτήσεις για την επιλογή σωλήνων διάτρησης και περιβλήματος, τσιμεντοπολτούς, τεχνολογία διάτρησης, περίβλημα και ολοκλήρωση των πηγαδιών. Ο οικιακός εξοπλισμός μέτρησης, τα σειριακά λειτουργικά εξαρτήματα και ο εξοπλισμός παράγονται σε εκδόσεις που επιτρέπουν θερμοκρασίες όχι μεγαλύτερες από 150-200 °C. Η παραδοσιακή βαθιά μηχανική γεώτρηση πηγαδιών διαρκεί μερικές φορές χρόνια και απαιτεί σημαντικές οικονομικό κόστος. Στα πάγια στοιχεία ενεργητικού παραγωγής, το κόστος των γεωτρήσεων κυμαίνεται από 70 έως 90%. Αυτό το πρόβλημα μπορεί και πρέπει να λυθεί μόνο με τη δημιουργία μιας προοδευτικής τεχνολογίας για την ανάπτυξη του κύριου μέρους των γεωθερμικών πόρων, δηλ. εξαγωγή ενέργειας από θερμούς βράχους.

Η ομάδα Ρώσων επιστημόνων και ειδικών μας ασχολείται με το πρόβλημα της εξόρυξης και χρήσης της ανεξάντλητης, ανανεώσιμης βαθιάς θερμικής ενέργειας των καυτών πετρωμάτων της Γης στο έδαφος της Ρωσικής Ομοσπονδίας εδώ και πολλά χρόνια. Στόχος της εργασίας είναι να δημιουργήσει, με βάση τις εγχώριες, ΥΨΗΛΗ τεχνολογια τεχνικά μέσαΓια βαθιά διείσδυσηστα βάθη του φλοιού της γης. Επί του παρόντος, έχουν αναπτυχθεί διάφορες παραλλαγές συγκροτημάτων γεώτρησης (DS), οι οποίες δεν έχουν ανάλογα στην παγκόσμια πρακτική.

Η λειτουργία της πρώτης έκδοσης του BS συνδέεται με την τρέχουσα παραδοσιακή τεχνολογία γεώτρησης φρέατος. Ταχύτητα διάτρησης σκληρού βράχου ( μέση πυκνότητα 2500-3300 kg/m3) έως 30 m/h, διάμετρος φρεατίου 200-500 mm. Η δεύτερη έκδοση του BS ανοίγει φρεάτια σε αυτόνομη και αυτόματη λειτουργία. Η εκτόξευση πραγματοποιείται από ειδική πλατφόρμα εκτόξευσης και αποδοχής, από την οποία ελέγχεται η κίνησή του. Χίλια μέτρα BS σε hard rock μπορούν να καλυφθούν μέσα σε λίγες ώρες. Η διάμετρος του φρεατίου είναι από 500 έως 1000 mm. Οι επαναχρησιμοποιούμενες επιλογές BS έχουν μεγάλο οικονομική αποτελεσματικότητακαι τεράστια δυνητική αξία. Η εισαγωγή του BS στην παραγωγή θα ανοίξει νέο στάδιοστην κατασκευή φρεατίων και παρέχουν πρόσβαση στην απόκτηση ανεξάντλητες πηγέςθερμική ενέργεια της Γης.

Για τις ανάγκες παροχής θερμότητας, το απαιτούμενο βάθος πηγαδιών σε όλη τη χώρα κυμαίνεται από 3-4,5 χιλιάδες m και δεν υπερβαίνει τα 5-6 χιλιάδες m. Η θερμοκρασία ψυκτικού για στέγαση και κοινόχρηστη παροχή θερμότητας δεν υπερβαίνει τους 150 °C. Για βιομηχανικές εγκαταστάσειςη θερμοκρασία, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνει τους 180-200 °C.

Ο σκοπός της δημιουργίας ενός GCS είναι να παρέχει σταθερή, προσβάσιμη, φθηνή θερμότητα σε απομακρυσμένες, δυσπρόσιτες και μη ανεπτυγμένες περιοχές της Ρωσικής Ομοσπονδίας. Η διάρκεια λειτουργίας του GCS είναι 25-30 χρόνια και άνω. Περίοδος απόσβεσης σταθμών (συμπεριλαμβανομένων τελευταίες τεχνολογίεςγεώτρηση) - 3-4 χρόνια.

Η δημιουργία στη Ρωσική Ομοσπονδία τα επόμενα χρόνια κατάλληλων δυνατοτήτων για τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας για μη ηλεκτρικές ανάγκες θα καταστήσει δυνατή την αντικατάσταση περίπου 600 εκατομμυρίων τόνων ισοδύναμου καυσίμου. Η εξοικονόμηση μπορεί να ανέλθει σε έως και 2 τρισεκατομμύρια ρούβλια.

Έως το 2030, καθίσταται δυνατή η δημιουργία ενεργειακών δυνατοτήτων για την αντικατάσταση της πυρκαγιάς έως και κατά 30% και έως το 2040, η σχεδόν πλήρης εξάλειψη των οργανικών πρώτων υλών ως καυσίμου από ενεργειακό ισοζύγιοΡωσική Ομοσπονδία.

Βιβλιογραφία

1. Goncharov S.A. Θερμοδυναμική. Μ.: MGTUim. Ν.Ε. Bauman, 2002. 440 σελ.

2. Dyadkin Yu.D. και άλλα.Γεωθερμική θερμοφυσική. Αγία Πετρούπολη: Nauka, 1993. 255 σελ.

3. Βάση ορυκτών πόρων του συγκροτήματος καυσίμων και ενέργειας της Ρωσίας. Κατάσταση και πρόγνωση / V.K. Branchugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko και άλλοι. V.Z. Garipova, Ε.Α. Κοζλόφσκι. Μ. 2004. 548 σελ.

4. Novikov G.P. et al. Διάνοιξη φρεατίων για ιαματικά νερά. Μ.: Νέδρα, 1986. 229 σελ.

ΤΟΥΣ. Καπιτόνοφ

Η πυρηνική θερμότητα της γης

Γήινη ζεστασιά

Η γη είναι ένα αρκετά ζεστό σώμα και είναι πηγή θερμότητας. Θερμαίνεται κυρίως λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφά. Αλλά η Γη έχει επίσης τη δική της θερμική πηγή συγκρίσιμη με τη θερμότητα που λαμβάνει από τον Ήλιο. Αυτή η αυτοενέργεια της Γης πιστεύεται ότι έχει την ακόλουθη προέλευση. Η Γη προέκυψε πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια μετά το σχηματισμό του Ήλιου από έναν πρωτοπλανητικό δίσκο αερίου και σκόνης που περιστρέφεται γύρω του και τον συμπυκνώνει. Στο πρώιμο στάδιο του σχηματισμού της, η ουσία της γης θερμάνθηκε λόγω της σχετικά αργής βαρυτικής συμπίεσης. Η ενέργεια που απελευθερώθηκε όταν έπεσαν πάνω του μικρά κοσμικά σώματα έπαιξε επίσης σημαντικό ρόλο στη θερμική ισορροπία της Γης. Επομένως, η νεαρή Γη ήταν λιωμένη. Ψύχοντας, έφτασε σταδιακά στη σημερινή του κατάσταση με μια συμπαγή επιφάνεια, σημαντικό μέρος της οποίας καλύπτεται από ωκεάνια και θαλασσινά νερά. Αυτό το σκληρό εξωτερικό στρώμα ονομάζεται φλοιός της γηςκαι κατά μέσο όρο, στην ξηρά, το πάχος του είναι περίπου 40 km, και κάτω από τα ωκεάνια νερά - 5-10 km. Το βαθύτερο στρώμα της Γης, που ονομάζεται μανδύας, αποτελείται επίσης από στερεός. Εκτείνεται σε βάθος σχεδόν 3000 km και περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της γήινης ουσίας. Τέλος, το πιο εσωτερικό μέρος της Γης είναι το δικό της πυρήνας. Αποτελείται από δύο στρώματα - εξωτερικό και εσωτερικό. Εξωτερικός πυρήναςαυτό είναι ένα στρώμα λιωμένου σιδήρου και νικελίου σε θερμοκρασία 4500-6500 K, πάχους 2000-2500 km. Εσωτερικός πυρήναςμε ακτίνα 1000-1500 km, είναι ένα συμπαγές κράμα σιδήρου-νικελίου που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 4000-5000 K με πυκνότητα περίπου 14 g/cm 3, που προέκυψε κάτω από τεράστια πίεση (σχεδόν 4 εκατομμύρια bar).
Εκτός από την εσωτερική θερμότητα της Γης, την οποία κληρονόμησε από το πιο πρώιμο θερμό στάδιο του σχηματισμού της, και η ποσότητα της οποίας θα πρέπει να μειώνεται με το χρόνο, υπάρχει μια άλλη - μακροπρόθεσμη, που σχετίζεται με τη ραδιενεργή διάσπαση των πυρήνων με μακρά χρόνος ημιζωής - κυρίως 232 Th, 235 U , 238 U και 40 K. Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτές τις διασπάσεις - αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 99% της ραδιενεργής ενέργειας της Γης - αναπληρώνει συνεχώς τα θερμικά αποθέματα της Γης. Οι παραπάνω πυρήνες περιέχονται στον φλοιό και τον μανδύα. Η αποσύνθεσή τους οδηγεί σε θέρμανση τόσο του εξωτερικού όσο και του εσωτερικού στρώματος της Γης.
Μέρος της τεράστιας θερμότητας που περιέχεται στη Γη απελευθερώνεται συνεχώς στην επιφάνειά της, συχνά σε πολύ μεγάλης κλίμακας ηφαιστειακές διεργασίες. Η ροή θερμότητας που ρέει από τα βάθη της Γης μέσω της επιφάνειάς της είναι γνωστή. Είναι (47±2)·10 12 Watt, που ισοδυναμεί με τη θερμότητα που μπορεί να παραχθεί από 50 χιλιάδες πυρηνικούς σταθμούς (η μέση ισχύς ενός πυρηνικού σταθμού είναι περίπου 10 9 Watt). Τίθεται το ερώτημα αν υπάρχουν Σημαντικός ρόλοςραδιενεργή ενέργεια στον συνολικό θερμικό προϋπολογισμό της Γης και αν παίζει, τι είδους; Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα παρέμενε άγνωστη για πολύ καιρό. Υπάρχουν τώρα ευκαιρίες να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα. Ο βασικός ρόλος εδώ ανήκει στα νετρίνα (αντινετρίνα), τα οποία γεννιούνται στις διαδικασίες ραδιενεργού διάσπασης των πυρήνων που αποτελούν τη γήινη ύλη και που ονομάζονται γεω-νετρίνο.

Γεω-νετρίνο

Γεω-νετρίνοείναι η συνδυασμένη ονομασία για τα νετρίνα ή τα αντινετρίνα, τα οποία εκπέμπονται ως αποτέλεσμα της βήτα διάσπασης των πυρήνων που βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια της γης. Προφανώς, χάρη στην άνευ προηγουμένου διεισδυτική τους ικανότητα, η καταγραφή τους (και μόνο αυτών) με επίγειους ανιχνευτές νετρίνων μπορεί να παρέχει αντικειμενικές πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες ραδιενεργής διάσπασης που συμβαίνουν βαθιά μέσα στη Γη. Ένα παράδειγμα τέτοιας διάσπασης είναι η διάσπαση β − του πυρήνα 228 Ra, η οποία είναι προϊόν της διάσπασης α του μακρόβιου πυρήνα 232 Th (βλ. πίνακα):

Ο χρόνος ημιζωής (T 1/2) του πυρήνα 228 Ra είναι 5,75 χρόνια, η εκλυόμενη ενέργεια είναι περίπου 46 keV. Το ενεργειακό φάσμα των αντινετρίνων είναι συνεχές με ένα ανώτερο όριο κοντά στην εκλυόμενη ενέργεια.
Οι διασπάσεις των πυρήνων 232 Th, 235 U, 238 U είναι αλυσίδες διαδοχικών διασπάσεων, που σχηματίζουν τα λεγόμενα ραδιενεργές σειρές. Σε τέτοιες αλυσίδες, οι α-διασπάσεις είναι διάσπαρτες με β--διασπάσεις, αφού κατά τη διάρκεια των α-διασπάσεων οι τελικοί πυρήνες μετατοπίζονται από τη γραμμή β-σταθερότητας στην περιοχή των πυρήνων που είναι υπερφορτωμένοι με νετρόνια. Μετά από μια αλυσίδα διαδοχικών διασπάσεων, στο τέλος κάθε σειράς, σχηματίζονται σταθεροί πυρήνες με έναν αριθμό πρωτονίων και νετρονίων κοντά ή ίσο με τους μαγικούς αριθμούς (Z = 82,Ν= 126). Τέτοιοι τελικοί πυρήνες είναι σταθερά ισότοπα μολύβδου ή βισμούθιου. Έτσι, η διάσπαση του T 1/2 τελειώνει με το σχηματισμό ενός διπλού μαγικού πυρήνα 208 Pb, και στη διαδρομή 232 Th → 208 Pb συμβαίνουν έξι α-διασπάσεις, διάσπαρτες με τέσσερις β − διασπάσεις (στο 238 U → 206 Pb αλυσίδα υπάρχουν οκτώ διασπάσεις α- και έξι β − - στην αλυσίδα 235 U → 207 Pb υπάρχουν επτά α- και τέσσερις β − διασπάσεις). Έτσι, το ενεργειακό φάσμα των αντινετρίνων από κάθε ραδιενεργή σειρά είναι μια υπέρθεση μερικών φασμάτων από μεμονωμένες β − διασπάσεις που περιλαμβάνονται σε αυτή τη σειρά. Τα φάσματα των αντινετρίνων που παράγονται στις διασπάσεις των 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K φαίνονται στο Σχήμα. 1. Η διάσπαση των 40 K είναι μια ενιαία διάσπαση β − (βλ. πίνακα). Τα αντινετρίνα φτάνουν στην υψηλότερη ενέργειά τους (μέχρι 3,26 MeV) στη διάσπαση
214 Bi → 214 Po, που είναι ένας σύνδεσμος στη ραδιενεργή σειρά 238 U. Η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διέλευση όλων των συνδέσμων διάσπασης της σειράς 232 Th → 208 Pb είναι ίση με 42,65 MeV. Για τις ραδιενεργές σειρές 235 U και 238 U, αυτές οι ενέργειες είναι 46,39 και 51,69 MeV, αντίστοιχα. Ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αποσύνθεση
40 K → 40 Ca, είναι 1,31 MeV.

Χαρακτηριστικά πυρήνων 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Πυρήνας	Κοινή χρήση σε % στο μείγμα ισότοπα	Αριθμός πυρήνων σχετίζεται Si πυρήνες	Τ 1/2 δισεκατομμύρια χρόνια	Πρώτοι σύνδεσμοι αποσύνθεση
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48·10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 Κ	0.0117	0.440	1.25

Μια εκτίμηση της ροής του γεωνετρίνου, που έγινε με βάση τη διάσπαση των πυρήνων 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K που περιέχονται στη γήινη ύλη, οδηγεί σε μια τιμή της τάξης των 10 6 cm -2 sec -1 . Καταγράφοντας αυτά τα γεωνετρίνα, είναι δυνατό να λάβουμε πληροφορίες για το ρόλο της ραδιενεργής θερμότητας στη συνολική θερμική ισορροπία της Γης και να ελέγξουμε τις ιδέες μας σχετικά με το περιεχόμενο μακρόβιων ραδιοϊσοτόπων στη σύνθεση της γήινης ύλης.

Ρύζι. 1. Ενεργειακά φάσματα αντινετρίνων από πυρηνική διάσπαση

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, κανονικοποιημένα σε μία διάσπαση του γονικού πυρήνα

Η αντίδραση χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ηλεκτρονικών αντινετρίνων

P → e + + n, (1)

στο οποίο ανακαλύφθηκε πράγματι αυτό το σωματίδιο. Το κατώφλι για αυτή την αντίδραση είναι 1,8 MeV. Επομένως, μόνο τα γεωνετρίνα που παράγονται σε αλυσίδες διάσπασης ξεκινώντας από τους πυρήνες 232 Th και 238 U μπορούν να καταχωρηθούν στην παραπάνω αντίδραση. Η αποτελεσματική διατομή για την υπό συζήτηση αντίδραση είναι εξαιρετικά μικρή: σ ≈ 10 -43 cm 2. Ως εκ τούτου, ένας ανιχνευτής νετρίνων με ευαίσθητο όγκο 1 m 3 δεν θα καταγράφει περισσότερα από μερικά συμβάντα ανά έτος. Προφανώς, για την αξιόπιστη ανίχνευση των ροών γεω-νετρίνων, απαιτούνται ανιχνευτές νετρίνων μεγάλου όγκου, που βρίσκονται σε υπόγεια εργαστήρια για μέγιστη προστασία από το φόντο. Η ιδέα της χρήσης ανιχνευτών σχεδιασμένων για τη μελέτη των ηλιακών νετρίνων και των νετρίνων αντιδραστήρων για την καταγραφή των γεωνετρίνων προέκυψε το 1998. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο μεγάλου όγκου ανιχνευτές νετρίνων που χρησιμοποιούν υγρό σπινθηριστή και είναι κατάλληλοι για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Αυτοί είναι ανιχνευτές νετρίνων από τα πειράματα KamLAND (Ιαπωνία) και Borexino (Ιταλία). Παρακάτω εξετάζουμε τη σχεδίαση του ανιχνευτή Borexino και τα αποτελέσματα που ελήφθησαν σε αυτόν τον ανιχνευτή για την καταγραφή γεωνετρίνων.

Ανιχνευτής Borexino και καταχώρηση γεωνετρίνων

Ο ανιχνευτής νετρίνων Borexino βρίσκεται στην κεντρική Ιταλία σε ένα υπόγειο εργαστήριο κάτω από την οροσειρά Gran Sasso, του οποίου οι βουνοκορφές φτάνουν τα 2,9 km σε ύψος (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Διάταξη του εργαστηρίου νετρίνων κάτω από την οροσειρά Gran Sasso (κεντρική Ιταλία)

Το Borexino είναι ένας μη τμηματοποιημένος ανιχνευτής μάζας του οποίου το ενεργό μέσο είναι
280 τόνοι οργανικού υγρού σπινθηριστή. Με αυτό γεμίζεται ένα νάιλον σφαιρικό δοχείο διαμέτρου 8,5 m (Εικ. 3). Ο σπινθηριστής είναι ψευδοκυμένιο (C 9 H 12) με το πρόσθετο μετατόπισης του φάσματος PPO (1,5 g/l). Το φως από τον σπινθηριστή συλλέγεται από σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή οκτώ ιντσών (PMTs) 2212 που τοποθετούνται σε μια σφαίρα από ανοξείδωτο χάλυβα (SSS).

Ρύζι. 3. Διάγραμμα του ανιχνευτή Borexino

Ένα νάιλον δοχείο με ψευδοκυμένιο είναι ένας εσωτερικός ανιχνευτής του οποίου η αποστολή είναι να καταγράφει τα νετρίνα (αντινετρίνα). Ο εσωτερικός ανιχνευτής περιβάλλεται από δύο ομόκεντρες ζώνες προστασίας που τον προστατεύουν από τις εξωτερικές ακτίνες γάμμα και τα νετρόνια. Η εσωτερική ζώνη είναι γεμάτη με ένα μη σπινθηριστικό μέσο που αποτελείται από 900 τόνους ψευδοκουμένιο με πρόσθετα φθαλικού διμεθυλεστέρα που σβήνουν τον σπινθηρισμό. Η εξωτερική ζώνη βρίσκεται στην κορυφή του SNS και είναι ένας ανιχνευτής νερού Cherenkov που περιέχει 2000 τόνους υπερκαθαρού νερού και διακόπτει τα σήματα από τα μιόνια που εισέρχονται στην εγκατάσταση από το εξωτερικό. Για κάθε αλληλεπίδραση που συμβαίνει στον εσωτερικό ανιχνευτή, προσδιορίζεται η ενέργεια και ο χρόνος. Η βαθμονόμηση του ανιχνευτή χρησιμοποιώντας διάφορες ραδιενεργές πηγές κατέστησε δυνατό τον ακριβή προσδιορισμό της ενεργειακής του κλίμακας και του βαθμού αναπαραγωγιμότητας του φωτεινού σήματος.
Το Borexino είναι ένας ανιχνευτής πολύ υψηλής καθαρότητας ακτινοβολίας. Όλα τα υλικά έχουν υποστεί αυστηρή επιλογή και ο σπινθηριστής έχει καθαριστεί για να ελαχιστοποιηθεί το εσωτερικό υπόβαθρο. Λόγω της υψηλής καθαρότητας ακτινοβολίας του, το Borexino είναι ένας εξαιρετικός ανιχνευτής για την ανίχνευση αντινετρίνων.
Στην αντίδραση (1), ένα ποζιτρόνιο δίνει ένα στιγμιαίο σήμα, το οποίο μετά από κάποιο χρονικό διάστημα ακολουθείται από τη σύλληψη ενός νετρονίου από έναν πυρήνα υδρογόνου, ο οποίος οδηγεί στην εμφάνιση ενός γ-κβαντικού με ενέργεια 2,22 MeV, δημιουργώντας ένα σήμα καθυστερημένη σε σχέση με την πρώτη. Στο Boreksino, ο χρόνος σύλληψης νετρονίων είναι περίπου 260 μs. Τα στιγμιαία και καθυστερημένα σήματα συσχετίζονται στο χώρο και στο χρόνο, επιτρέποντας την ακριβή αναγνώριση του γεγονότος που προκαλείται από π.
Το κατώφλι για την αντίδραση (1) είναι 1,806 MeV και, όπως φαίνεται από το Σχ. 1, όλα τα γεωνετρίνα από τις διασπάσεις των 40 K και 235 U βρίσκονται κάτω από αυτό το όριο, και μόνο ένα μέρος των γεωνετρίνων που παράγονται στις διασπάσεις των 232 Th και 238 U μπορεί να καταγραφεί.
Ο ανιχνευτής Borexino εντόπισε για πρώτη φορά σήματα από γεωνετρίνα το 2010 και πρόσφατα δημοσιεύθηκαν νέα αποτελέσματα με βάση παρατηρήσεις 2056 ημερών μεταξύ Δεκεμβρίου 2007 και Μαρτίου 2015. Παρακάτω παρουσιάζουμε τα δεδομένα που ελήφθησαν και τα αποτελέσματα της συζήτησής τους, βάσει άρθρου.
Ως αποτέλεσμα της ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων, εντοπίστηκαν 77 υποψήφιοι για ηλεκτρονιακά αντινετρίνα που πληρούσαν όλα τα κριτήρια επιλογής. Το υπόβαθρο από γεγονότα που προσομοιώνουν το e εκτιμήθηκε ως . Έτσι, η αναλογία σήματος προς φόντο ήταν ≈100.
Η κύρια πηγή του υποβάθρου ήταν τα αντινετρίνα του αντιδραστήρα. Για το Borexino, η κατάσταση ήταν αρκετά ευνοϊκή, καθώς δεν υπάρχουν πυρηνικοί αντιδραστήρες κοντά στο εργαστήριο Gran Sasso. Επιπλέον, τα αντινετρίνα του αντιδραστήρα είναι πιο ενεργητικά σε σύγκριση με τα γεωνετρίνα, γεγονός που κατέστησε δυνατό τον διαχωρισμό αυτών των αντινετρίνων από το ποζιτρόνιο με βάση το μέγεθος του σήματος. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης της συνεισφοράς των γεωνετρίνων και των αντινετρίνων του αντιδραστήρα στον συνολικό αριθμό των καταγεγραμμένων συμβάντων από το e φαίνονται στο Σχήμα. 4. Ο αριθμός των καταχωρημένων γεωνετρίνων που δίνεται από αυτή την ανάλυση (στο Σχ. 4 αντιστοιχούν στη σκοτεινή περιοχή) είναι ίσος με . Στο φάσμα γεω-νετρίνο που εξήχθη ως αποτέλεσμα της ανάλυσης, δύο ομάδες είναι ορατές - λιγότερο ενεργητικές, πιο έντονες και πιο ενεργητικές, λιγότερο έντονες. Οι συγγραφείς της περιγραφόμενης μελέτης συσχετίζουν αυτές τις ομάδες με τις διασπάσεις του θορίου και του ουρανίου, αντίστοιχα.
Η ανάλυση που συζητήθηκε χρησιμοποίησε την αναλογία των μαζών θορίου και ουρανίου στην ύλη της Γης
m(Th)/m(U) = 3,9 (στον πίνακα αυτή η τιμή είναι ≈3,8). Αυτός ο αριθμός αντικατοπτρίζει τη σχετική περιεκτικότητα αυτών των χημικών στοιχείων στους χονδρίτες, την πιο κοινή ομάδα μετεωριτών (περισσότερο από το 90% των μετεωριτών που έπεσαν στη Γη ανήκουν σε αυτήν την ομάδα). Πιστεύεται ότι η σύνθεση των χονδριτών, με εξαίρεση τα ελαφρά αέρια (υδρογόνο και ήλιο), επαναλαμβάνει τη σύνθεση του Ηλιακού συστήματος και του πρωτοπλανητικού δίσκου από τον οποίο σχηματίστηκε η Γη.

Ρύζι. 4. Φάσμα εξόδου φωτός από ποζιτρόνια σε μονάδες του αριθμού των φωτοηλεκτρονίων για υποψήφια συμβάντα αντινετρίνο (πειραματικά σημεία). Η σκιασμένη περιοχή είναι η συμβολή των γεωνετρίνων. Η συμπαγής γραμμή είναι η συμβολή των αντινετρίνων του αντιδραστήρα.