Doktor tehničkih znanosti NA. Kunem se, profesore,
Akademik Ruske akademije tehnoloških znanosti, Moskva

Posljednjih desetljeća svijet razmišlja o smjeru učinkovitijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelomično zamijenili prirodni plin, nafta i ugljen. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem području svijeta kada se buši injekcijske i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sustavi između njih.

Pojačani interes za alternativne izvore energije u svijetu posljednjih desetljeća uzrokovan je iscrpljivanjem rezervi ugljikovodičnih goriva i potrebom rješavanja niza ekoloških problema. Objektivni čimbenici (zalihe fosilnih goriva i urana, kao i promjene u okolišu uzrokovane tradicionalnim požarom i nuklearnom energijom) omogućuju nam da tvrdimo da je prijelaz na nove metode i oblike proizvodnje energije neizbježan.

Svjetsko gospodarstvo trenutno ide prema prijelazu na racionalnu kombinaciju tradicionalnih i novih izvora energije. Toplina Zemlje zauzima jedno od prvih mjesta među njima.

Izvori geotermalne energije dijele se na hidrogeološke i petrogeotermalne. Prvi od njih predstavljaju nositelji topline (koji čine samo 1% ukupnih geotermalnih energetskih resursa) - podzemne vode, pare i mješavine pare i vode. Drugi su geotermalna energija sadržana u vrućim stijenama.

Tehnologija fontane (samoizlijevanje) koja se koristi u našoj zemlji i inozemstvu za vađenje prirodne pare i geotermalnih voda je jednostavna, ali neučinkovita. Uz niski protok samoprotočnih bušotina, njihova proizvodnja topline može nadoknaditi troškove bušenja samo na maloj dubini geotermalnih ležišta s visokim temperaturama u područjima toplinskih anomalija. Vijek trajanja takvih bušotina u mnogim zemljama ne doseže ni 10 godina.

Istodobno, iskustvo potvrđuje da je u prisutnosti plitkih kolektora prirodne pare izgradnja geotermalne elektrane najisplativija opcija korištenja geotermalne energije. Rad takvih GeoTE je pokazao njihovu konkurentnost u usporedbi s drugim tipovima elektrana. Stoga je korištenje rezervi geotermalnih voda i parnih hidrotermi u našoj zemlji na poluotoku Kamčatki i na otocima Kurilskog lanca, u regijama Sjevernog Kavkaza, a moguće i u drugim područjima, svrsishodno i pravovremeno. Ali nalazišta pare su rijetkost, njene poznate i vjerojatne rezerve su male. Mnogo češći depoziti toplinske i električne vode nisu uvijek locirani dovoljno blizu potrošača - objekta opskrbe toplinom. To isključuje mogućnost velikih razmjera njihove učinkovite uporabe.

Često se pitanja borbe protiv skaliranja razvijaju u složen problem. Korištenje geotermalnih, u pravilu, mineraliziranih izvora kao nosača topline dovodi do zarastanja zona bušotina s formacijama željeznog oksida, kalcijevog karbonata i silikata. Osim toga, problemi erozije-korozije i skaliranja negativno utječu na rad opreme. Problem je, također, ispuštanje mineraliziranih i otpadnih voda koje sadrže otrovne nečistoće. Stoga najjednostavnija tehnologija fontana ne može poslužiti kao osnova za rašireni razvoj geotermalnih resursa.

Prema preliminarnim procjenama na području Ruske Federacije, predviđene rezerve termalnih voda s temperaturom od 40-250 °C, salinitetom od 35-200 g/l i dubinom do 3000 m iznose 21-22 milijuna m3 /dan, što je ekvivalentno spaljivanju 30-40 milijuna tona .t. u godini.

Predviđene rezerve mješavine pare i zraka s temperaturom od 150-250 °C na poluotoku Kamčatki i Kurilskim otocima iznose 500 tisuća m3/dan. i rezerve termalne vode s temperaturom od 40-100 ° C - 150 tisuća m3 / dan.

Zalihe termalnih voda s protokom od oko 8 milijuna m3/dan, sa salinitetom do 10 g/l i temperaturom iznad 50 °C smatraju se glavnim prioritetom razvoja.

Za energetiku budućnosti puno je važnije vađenje toplinske energije, praktički neiscrpnih petrogeotermalnih resursa. Ova geotermalna energija, zatvorena u čvrste vruće stijene, čini 99% ukupnih resursa podzemne toplinske energije. Na dubini do 4-6 km, masivi s temperaturom od 300-400 °C mogu se naći samo u blizini međuodora nekih vulkana, ali vruće stijene s temperaturom od 100-150 °C rasprostranjene su gotovo posvuda na ove dubine, i s temperaturom od 180-200 °C na prilično značajnom dijelu teritorija Rusije.

Milijardama godina nuklearni, gravitacijski i drugi procesi unutar Zemlje stvarali su i nastavljaju stvarati toplinsku energiju. Dio toga se zrači u svemir, a toplina se akumulira u dubinama, t.j. toplinski sadržaj čvrste, tekuće i plinovite faze zemaljske tvari naziva se geotermalna energija.

Kontinuirano stvaranje unutarzemaljske topline kompenzira njezine vanjske gubitke, služi kao izvor akumulacije geotermalne energije i određuje obnovljivi dio njezinih resursa. Ukupno odvođenje topline iz unutrašnjosti na površinu zemlje je tri puta veće od trenutnog kapaciteta elektrana u svijetu i procjenjuje se na 30 TW.

Međutim, jasno je da je obnovljivost važna samo za ograničene prirodne resurse, a ukupni potencijal geotermalne energije je praktički neiscrpan, budući da ga treba definirati kao ukupnu količinu topline koja je dostupna Zemlji.

Nije slučajno da se posljednjih desetljeća u svijetu razmišlja o smjeru učinkovitijeg korištenja energije duboke topline Zemlje kako bi se djelomično zamijenili prirodni plin, nafta i ugljen. To će postati moguće ne samo u područjima s visokim geotermalnim parametrima, već iu bilo kojem području svijeta kada se buši injekcijske i proizvodne bušotine i stvaraju cirkulacijski sustavi između njih.

Naravno, uz nisku toplinsku vodljivost stijena, za učinkovit rad cirkulacijskih sustava potrebno je imati ili stvoriti dovoljno razvijenu površinu za izmjenu topline u zoni izvlačenja topline. Takva površina se često nalazi u poroznim formacijama i zonama prirodnog otpora loma, koje se često nalaze na gore navedenim dubinama, čija propusnost omogućuje organiziranje prisilne filtracije rashladne tekućine uz učinkovito izvlačenje energije stijena, kao i umjetno stvaranje opsežne površine za izmjenu topline u niskopropusnim poroznim masivima hidrauličkim frakturiranjem (vidi sliku).

Trenutno se hidrauličko frakturiranje koristi u industriji nafte i plina kao način povećanja propusnosti ležišta kako bi se poboljšao oporavak nafte u razvoju naftnih polja. Moderna tehnologija omogućuje stvaranje uske, ali dugačke pukotine, ili kratke, ali široke. Poznati su primjeri hidrauličnih lomova s ​​lomovima dužine do 2-3 km.

Domaću ideju o vađenju glavnih geotermalnih resursa sadržanih u čvrstim stijenama izrazio je još 1914. K.E. Obručev.

Godine 1963. u Parizu je stvoren prvi GCC za izvlačenje topline iz poroznih stijena za grijanje i klimatizaciju u prostorijama kompleksa Broadcasting Chaos. Godine 1985. u Francuskoj su već radila 64 GCC-a s ukupnim toplinskim kapacitetom od 450 MW, uz godišnju uštedu od približno 150.000 tona nafte. Iste godine stvoren je prvi takav GCC u SSSR-u u dolini Khankala u blizini grada Groznog.

Godine 1977., prema projektu Los Alamos National Laboratory of USA, započela su ispitivanja eksperimentalnog GCC-a s hidrauličkim lomljenjem gotovo nepropusnog masiva na lokalitetu Fenton Hill u državi New Mexico. Hladna slatka voda injektirana kroz bušotinu (injektiranje) zagrijavana je zbog izmjene topline sa stijenskom masom (185 OC) u vertikalnom lomu površine 8000 m2, nastalom hidrauličkim lomljenjem na dubini od 2,7 km. U drugoj bušotini (proizvodnoj), također prelazeći ovu pukotinu, pregrijana voda je izašla na površinu u obliku parnog mlaza. Pri kruženju u zatvorenom krugu pod tlakom, temperatura pregrijane vode na površini dosegla je 160-180 °C, a toplinska snaga sustava - 4-5 MW. Propuštanje rashladne tekućine u okolni masiv iznosilo je oko 1% ukupnog protoka. Koncentracija mehaničkih i kemijskih nečistoća (do 0,2 g/l) odgovarala je uvjetima svježe pitke vode. Hidraulički lom nije zahtijevao fiksiranje i držao se otvorenim hidrostatskim tlakom tekućine. Slobodna konvekcija koja se razvijala u njemu osiguravala je učinkovito sudjelovanje u izmjeni topline gotovo cijele površine izdanaka vruće stijenske mase.

Ekstrahiranje podzemne toplinske energije iz vrućih nepropusnih stijena, temeljeno na metodama kosog bušenja i hidrauličkog frakturiranja koje su dugo ovladane i prakticirane u industriji nafte i plina, nije izazvalo seizmičku aktivnost niti bilo koje druge štetne učinke na okoliš.

Godine 1983. britanski znanstvenici ponovili su američko iskustvo stvarajući eksperimentalni GCC s hidrauličkim lomljenjem granita u Carnwellu. Sličan posao obavljen je u Njemačkoj, Švedskoj. U SAD-u je provedeno više od 224 projekta geotermalnog grijanja. Međutim, pretpostavlja se da geotermalni resursi mogu osigurati većinu budućih potreba SAD-a za neelektričnom toplinskom energijom. U Japanu je kapacitet GeoTPP-a 2000. godine dosegao približno 50 GW.

Trenutno se istraživanja i istraživanja geotermalnih resursa provode u 65 zemalja. U svijetu su na bazi geotermalne energije stvorene stanice ukupnog kapaciteta oko 10 GW. Ujedinjeni narodi aktivno podupiru razvoj geotermalne energije.

Iskustvo akumulirano u mnogim zemljama svijeta u korištenju geotermalnih rashladnih tekućina pokazuje da su pod povoljnim uvjetima 2-5 puta isplativije od termo i nuklearnih elektrana. Proračuni pokazuju da jedna geotermalna bušotina može zamijeniti 158 tisuća tona ugljena godišnje.

Dakle, toplina Zemlje je, možda, jedini veliki obnovljivi izvor energije, čiji racionalni razvoj obećava smanjenje cijene energije u usporedbi s modernom energijom goriva. Uz jednako neiscrpan energetski potencijal, solarne i termonuklearne instalacije, nažalost, bit će skuplje od postojećih gorivnih.

Unatoč vrlo dugoj povijesti razvoja Zemljine topline, geotermalna tehnologija danas još nije dostigla svoj visoki razvoj. Razvoj toplinske energije Zemlje doživljava velike poteškoće u izgradnji dubokih bunara, koji su kanal za dovođenje rashladne tekućine na površinu. Zbog visoke temperature u dnu rupe (200-250 °C) tradicionalni alati za rezanje stijena su neprikladni za rad u takvim uvjetima, postoje posebni zahtjevi za izbor bušaćih i obložnih cijevi, cementne suspenzije, tehnologije bušenja, oplate i završetka bušotine. Domaća mjerna oprema, serijski operativni pribor i oprema proizvedeni su u izvedbi koja dopušta temperature ne veće od 150-200°C. Tradicionalno duboko mehaničko bušenje bušotina ponekad se povlači godinama i zahtijeva značajne financijske troškove. U glavnim proizvodnim sredstvima trošak bušotina je od 70 do 90%. Taj se problem može i treba riješiti samo stvaranjem progresivne tehnologije za razvoj glavnog dijela geotermalnih resursa, tj. vađenje energije iz vrućih stijena.

Naša skupina ruskih znanstvenika i stručnjaka više od godinu dana bavi se problemom vađenja i korištenja neiscrpne, obnovljive duboke toplinske energije Zemljinih vrućih stijena na području Ruske Federacije. Svrha rada je stvaranje, na temelju domaćih, visokih tehnologija, tehničkih sredstava za duboko prodiranje u utrobu zemljine kore. Trenutno je razvijeno nekoliko varijanti alata za bušenje (BS) koji nemaju analoga u svjetskoj praksi.

Rad prve verzije BS-a povezan je s trenutnom konvencionalnom tehnologijom bušenja bušotina. Brzina bušenja tvrdog kamena (prosječna gustoća 2500-3300 kg/m3) do 30 m/h, promjer rupe 200-500 mm. Druga varijanta BS-a izvodi bušenje bušotina u autonomnom i automatskom načinu rada. Lansiranje se vrši s posebne platforme za lansiranje i prihvat, s koje se kontrolira njegovo kretanje. Tisuću metara BS u tvrdim stijenama moći će proći za nekoliko sati. Promjer bušotine od 500 do 1000 mm. Višekratne BS varijante imaju veliku ekonomsku učinkovitost i veliku potencijalnu vrijednost. Uvođenjem BS-a u proizvodnju otvorit će se nova faza u izgradnji bušotina i omogućiti pristup neiscrpnim izvorima toplinske energije Zemlje.

Za potrebe opskrbe toplinom potrebna je dubina bunara u cijeloj zemlji u rasponu od 3-4,5 tisuća metara i ne prelazi 5-6 tisuća metara. Temperatura nosača topline za stambeno-komunalnu opskrbu toplinom ne prelazi ne prelazi 150 °C. Za industrijske objekte temperatura u pravilu ne prelazi 180-200 °C.

Svrha stvaranja GCC-a je osigurati stalnu, pristupačnu, jeftinu toplinu udaljenim, teško dostupnim i nerazvijenim regijama Ruske Federacije. Trajanje rada GCS-a je 25-30 godina ili više. Razdoblje povrata postaja (uzimajući u obzir najnovije tehnologije bušenja) je 3-4 godine.

Stvaranje u Ruskoj Federaciji u narednim godinama odgovarajućih kapaciteta za korištenje geotermalne energije za neelektrične potrebe zamijenit će oko 600 milijuna tona ekvivalentnog goriva. Uštede mogu biti do 2 trilijuna rubalja.

Do 2030. godine postaje moguće stvoriti energetske kapacitete za zamjenu energije požara do 30%, a do 2040. godine gotovo potpuno izbaciti organske sirovine kao gorivo iz energetske bilance Ruske Federacije.

Književnost

1. Goncharov S.A. Termodinamika. Moskva: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 str.

2. Dyadkin Yu.D. itd. Geotermalna toplinska fizika. Sankt Peterburg: Nauka, 1993. 255 str.

3. Baza mineralnih resursa gorivnog i energetskog kompleksa Rusije. Status i prognoza / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinjenko i dr. Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004. 548 str.

4. Novikov G. P. i dr. Bušenje bušotina za termalne vode. M.: Nedra, 1986. 229 str.

Toplina zemlje. Mogući izvori unutarnje topline

Geotermija- znanost koja proučava toplinsko polje Zemlje. Prosječna površinska temperatura Zemlje ima opću tendenciju pada. Prije tri milijarde godina prosječna temperatura na Zemljinoj površini bila je 71 o, sada je 17 o. Izvori topline (toplinski ) Zemljina polja su unutarnji i vanjski procesi. Toplina Zemlje uzrokovana je sunčevim zračenjem i nastaje u utrobi planeta. Vrijednosti dotoka topline iz oba izvora su kvantitativno izrazito različite i njihove uloge u životu planeta su različite. Sunčevo grijanje Zemlje čini 99,5% ukupne količine topline koju prima njezina površina, a unutarnje grijanje čini 0,5%. Osim toga, priljev unutarnje topline vrlo je neravnomjerno raspoređen na Zemlji i koncentriran je uglavnom na mjestima manifestacije vulkanizma.

Vanjski izvor je sunčevo zračenje . Polovicu sunčeve energije apsorbira površina, vegetacija i pripovršinski sloj zemljine kore. Druga polovica se reflektira u svjetski prostor. Sunčevo zračenje održava temperaturu Zemljine površine u prosjeku na oko 0 0 C. Sunce zagrijava pripovršinski sloj Zemlje do prosječne dubine od 8 - 30 m, s prosječnom dubinom od 25 m, učinak sunčeva toplina prestaje i temperatura postaje konstantna (neutralni sloj). Ova dubina je minimalna u područjima s primorskom klimom, a najveća u subpolarnom području. Ispod ove granice nalazi se pojas stalne temperature koji odgovara prosječnoj godišnjoj temperaturi područja. Tako, na primjer, u Moskvi na području poljoprivrede. akademija. Timiryazeva, na dubini od 20 m, temperatura je uvijek ostala jednaka 4,2 o C od 1882. U Parizu, na dubini od 28 m, termometar je konstantno pokazivao 11,83 o C više od 100 godina. Sloj sa stalna temperatura je najdublja gdje je višegodišnja (vječni mraz. Ispod pojasa konstantne temperature nalazi se geotermalna zona, koju karakterizira toplina koju stvara sama Zemlja.

Unutarnji izvori su utrobe Zemlje. Zemlja zrači više topline u svemir nego što prima od Sunca. Unutarnji izvori uključuju preostalu toplinu iz vremena kada je planet otopljen, toplinu termonuklearnih reakcija koje se događaju u utrobi Zemlje, toplinu gravitacijskog kompresije Zemlje pod djelovanjem gravitacije, toplinu kemijskih reakcija i procesa kristalizacije , itd. (na primjer, trenje plime). Toplina iz crijeva dolazi uglavnom iz pokretnih zona. Povećanje temperature s dubinom povezano je s postojanjem unutarnjih izvora topline - raspadom radioaktivnih izotopa - U, Th, K, gravitacijskom diferencijacijom tvari, plimnim trenjem, egzotermnim redoks kemijskim reakcijama, metamorfizmom i faznim prijelazima. Brzina porasta temperature s dubinom određena je brojnim čimbenicima - toplinskom vodljivošću, propusnošću stijena, blizinom vulkanskih komora itd.

Ispod pojasa konstantnih temperatura dolazi do porasta temperature, u prosjeku 1 o na 33 m ( geotermalna faza) ili 3 o svakih 100 m ( geotermalni gradijent). Ove vrijednosti su pokazatelji toplinskog polja Zemlje. Jasno je da su te vrijednosti prosječne i različite po veličini u različitim područjima ili zonama Zemlje. Geotermalni korak je različit u različitim točkama na Zemlji. Na primjer, u Moskvi - 38,4 m, u Lenjingradu 19,6, u Arkhangelsku - 10. Dakle, prilikom bušenja duboke bušotine na poluotoku Kola na dubini od 12 km pretpostavljena je temperatura od 150 °, u stvarnosti se pokazalo da biti oko 220 stupnjeva. Prilikom bušenja bušotina u sjevernom Kaspijskom moru na dubini od 3000 m pretpostavljeno je da je temperatura 150 stupnjeva, ali se pokazalo da je 108 stupnjeva.

Treba napomenuti da klimatske značajke područja i prosječna godišnja temperatura ne utječu na promjenu vrijednosti geotermalnog koraka, a razlozi su u sljedećem:

1) u različitoj toplinskoj vodljivosti stijena koje čine određeno područje. Pod mjerom toplinske vodljivosti podrazumijeva se količina topline u kalorijama prenesena u 1 sekundi. Kroz presjek od 1 cm 2 s temperaturnim gradijentom od 1 o C;

2) u radioaktivnosti stijena, što je veća toplinska vodljivost i radioaktivnost, to je niži geotermalni korak;

3) u različitim uvjetima pojave stijena i starosti njihovog nastanka; opažanja su pokazala da temperatura raste brže u slojevima sakupljenim u naborima, često imaju kršenja (pukotine), kroz koje je olakšan pristup toplini iz dubine;

4) priroda podzemnih voda: vruća podzemna voda teče tople stijene, hladne hladne;

5) udaljenost od oceana: u blizini oceana zbog hlađenja stijena masom vode geotermalni korak je veći, a na kontaktu manji.

Poznavanje specifične vrijednosti geotermalnog koraka od velike je praktične važnosti.

1. Ovo je važno kod projektiranja mina. U nekim slučajevima bit će potrebno poduzeti mjere za umjetno snižavanje temperature u dubokim radovima (temperatura - 50 ° C je granica za osobu na suhom zraku i 40 ° C u vlažnom zraku); u drugima će biti moguće raditi na velikim dubinama.

2. Procjena temperaturnih uvjeta tijekom tuneliranja u planinskim područjima od velike je važnosti.

3. Proučavanje geotermalnih uvjeta unutrašnjosti Zemlje omogućuje korištenje pare i toplih izvora koji izviru na površini Zemlje. Podzemna toplina se koristi, na primjer, u Italiji, na Islandu; u Rusiji je na Kamčatki izgrađena eksperimentalna industrijska elektrana na prirodnu toplinu.

Koristeći podatke o veličini geotermalne stepenice, mogu se napraviti neke pretpostavke o temperaturnim uvjetima dubokih zona Zemlje. Ako prosječnu vrijednost geotermalnog koraka uzmemo kao 33 m i pretpostavimo da se povećanje temperature s dubinom odvija ravnomjerno, tada će na dubini od 100 km biti temperatura od 3000 °C. Ova temperatura prelazi točke taljenja svih tvari poznate na Zemlji, stoga bi na ovoj dubini trebale biti rastaljene mase . Ali zbog ogromnog pritiska od 31.000 atm. Pregrijane mase nemaju karakteristike tekućina, ali su obdarene karakteristikama čvrstog tijela.

S dubinom se geotermalni korak očito mora značajno povećati. Ako pretpostavimo da se korak ne mijenja s dubinom, tada bi temperatura u središtu Zemlje trebala biti oko 200.000 stupnjeva, a prema izračunima ne može prelaziti 5000 - 10.000 stupnjeva.

Glavni izvori toplinske energije Zemlje su [ , ]:

• toplinska gravitacijska diferencijacija;
• radiogena toplina;
• toplina plimnog trenja;
• akrecijska toplina;
• toplina trenja koja se oslobađa zbog diferencijalne rotacije unutarnje jezgre u odnosu na vanjsku jezgru, vanjske jezgre u odnosu na plašt i pojedinačnih slojeva unutar vanjske jezgre.

Do danas su kvantificirana samo prva četiri izvora. U našoj zemlji glavna zasluga u tome pripada O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov. Sljedeći podaci uglavnom se temelje na izračunima ovih znanstvenika.

Toplina Zemljine gravitacijske diferencijacije

Jedan od najvažnijih zakona razvoja Zemlje je diferencijacija svoju supstancu, koja se nastavlja i danas. Ova diferencijacija rezultirala je formiranjem jezgra i kora, promjena u sastavu primarne ogrtači, dok je razdvajanje početno homogene tvari na frakcije različite gustoće popraćeno oslobađanjem Termalna energija, a do maksimalnog oslobađanja topline dolazi kada se kopnena tvar podijeli na gusta i teška jezgra i rezidualni upaljač silikatna ljuska zemljani plašt. Trenutno se većina te topline stvara na granici plašt – jezgra.

Energije Zemljine gravitacijske diferencijacije za cijelo vrijeme svog postojanja isticao se - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Dana energija najvećim dijelom prvi ide u kinetička energija konvektivne struje tvari plašta, a zatim u srdačno; drugi dio se troši na dodatne kompresija zemljine unutrašnjosti, koji nastaje zbog koncentracije gustih faza u središnjem dijelu Zemlje. Iz 1,46*10 38 erg energija Zemljine gravitacijske diferencijacije otišla je na njezino dodatno sabijanje 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J), te u obliku oslobođene topline 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). Veličina ove toplinske komponente značajno premašuje ukupno oslobađanje svih ostalih vrsta energije u Zemlji. Vremenska raspodjela ukupne vrijednosti i brzine oslobađanja toplinske komponente gravitacijske energije prikazana je na Sl. 3.6 .

Riža. 3.6.

Trenutna razina proizvodnje topline tijekom gravitacijske diferencijacije Zemlje - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), što ovisi o vrijednosti suvremenog toplinskog toka koji prolazi kroz površinu planeta u ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4,2-4,3)*10 13W), je ~ 70% .

radiogene topline

Uzrokovana radioaktivnim raspadom nestabilne izotopi. Energetski najintenzivniji i dugovječniji ( s vremenom poluraspada srazmjerno starosti Zemlje) su izotopi 238 U, 235 U, 232th i 40 tisuća. Većina ih je koncentrirana u kontinentalna kora. Moderna razina generacije radiogene topline:

• od strane američkog geofizičara V.Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
• prema ruskim geofizičarima O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .

Od vrijednosti suvremenog toplinskog toka, to je ~ 27-30%.

Od ukupne topline radioaktivnog raspada u 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) u zemljinoj kori se ističe - 0,91*10 20 erg/s, a u plaštu - 0,35*10 20 erg/s. Iz ovoga proizlazi da udio radiogene topline plašta ne prelazi 10% ukupnih suvremenih toplinskih gubitaka Zemlje i ne može biti glavni izvor energije za aktivne tektono-magmatske procese čija dubina može doseći 2900 km. ; a radiogena toplina koja se oslobađa u kori relativno se brzo gubi kroz zemljinu površinu i praktički ne sudjeluje u zagrijavanju duboke unutrašnjosti planeta.

U prošlim geološkim epohama količina radiogene topline koja se oslobađa u plaštu morala je biti veća. Njegove procjene u vrijeme nastanka Zemlje ( prije 4,6 milijardi godina) dati - 6,95*10 20 erg/s. Od tog vremena dolazi do stalnog smanjenja brzine oslobađanja radiogene energije (Sl. 3.7 ).

Za sva vremena na Zemlji se isticao ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) toplinska energija radioaktivnog raspada, koja je gotovo tri puta manja od ukupne vrijednosti topline gravitacijske diferencijacije.

Toplina plimnog trenja

Ističe se tijekom gravitacijske interakcije Zemlje, prvenstveno s Mjesecom, kao najbližim velikim kozmičkim tijelom. Zbog međusobnog gravitacijskog privlačenja u njihovim tijelima nastaju plimne deformacije - oteklina ili grbače. Plimne grbe planeta svojom dodatnom privlačnošću utječu na njihovo kretanje. Dakle, privlačenje obiju plimnih grba Zemlje stvara par sila koje djeluju i na samu Zemlju i na Mjesec. Međutim, utjecaj bliskog oteklina okrenutog prema Mjesecu nešto je jači od utjecaja udaljenog. Zbog činjenice da je kutna brzina rotacije moderne Zemlje ( 7,27*10 -5 s -1) premašuje orbitalnu brzinu Mjeseca ( 2,66*10 -6 s -1), a tvar planeta nije idealno elastična, tada su plimne grbe Zemlje, takoreći, odnesene njezinom rotacijom prema naprijed i primjetno su ispred kretanja Mjeseca. To dovodi do činjenice da se maksimalne plime Zemlje uvijek javljaju na njezinoj površini nešto kasnije od trenutka vrhunac Mjesec, a na Zemlju i Mjesec djeluje dodatni moment sila (sl. 3.8 ) .

Apsolutne vrijednosti sila interakcije plime i oseke u sustavu Zemlja-Mjesec sada su relativno male i plimne deformacije litosfere uzrokovane njima mogu doseći samo nekoliko desetaka centimetara, ali dovode do postupnog usporavanja Zemljinog rotacije i, obrnuto, do ubrzanja orbitalnog gibanja Mjeseca i njegovog udaljavanja od Zemlje. Kinetička energija kretanja zemljinih plimnih grba pretvara se u toplinsku energiju zbog unutarnjeg trenja tvari u plimnim izbočinama.

Trenutno je stopa oslobađanja energije plime i oseke po G. McDonald je ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), dok je njegov glavni dio (oko 2/3) vjerojatno raspršuje se(raspršeno) u hidrosferi. Posljedično, udio energije plime i oseke uzrokovan interakcijom Zemlje s Mjesecom i raspršen u čvrstoj Zemlji (prvenstveno u astenosferi) ne prelazi 2 % ukupna toplinska energija proizvedena u njegovim dubinama; a udio sunčevih plime i oseke ne prelazi 20 % od utjecaja mjesečeve plime. Stoga čvrste plime i oseke sada praktički ne igraju nikakvu ulogu u hranjenju tektonskih procesa energijom, ali u nekim slučajevima mogu djelovati kao "okidači", na primjer, potresi.

Veličina energije plime i oseke izravno je povezana s udaljenosti između svemirskih objekata. A ako udaljenost između Zemlje i Sunca ne pretpostavlja nikakve značajne promjene u geološkoj vremenskoj skali, tada je u sustavu Zemlja-Mjesec ovaj parametar promjenjiv. Bez obzira na ideje o tome, gotovo svi istraživači priznaju da je u ranim fazama razvoja Zemlje udaljenost do Mjeseca bila znatno manja od suvremene, dok se u procesu razvoja planeta, prema većini znanstvenika, postupno povećava , a prema Yu.N. Avsyuku ova udaljenost doživljava dugotrajne promjene u obliku ciklusa "dolazak - odlazak" mjeseca. To implicira da je u prošlim geološkim epohama uloga topline plime i oseke u ukupnoj toplinskoj bilanci Zemlje bila značajnija. Općenito se za cijelo vrijeme razvoja Zemlje isticao ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) toplinska energija plime i oseke (ovo je podložno uzastopnom uklanjanju Mjeseca sa Zemlje). Promjena u vremenu brzine oslobađanja ove topline prikazana je na Sl. 3.10 .

Više od polovice ukupne energije plime i oseke je oslobođeno katarchee (hellea)) - Prije 4,6-4,0 milijardi godina, a u to vrijeme, samo zahvaljujući toj energiji, Zemlja se mogla dodatno zagrijati za ~ 500 0 S. energetski intenzivni endogeni procesi .

akrecijska toplina

To je toplina koju je Zemlja pohranila od svog nastanka. Tijekom prirasline, koji je zbog sudara trajao nekoliko desetaka milijuna godina planetezimala Zemlja je doživjela značajno zagrijavanje. Istodobno, ne postoji konsenzus o veličini ovog zagrijavanja. Trenutno su istraživači skloni vjerovati da je u procesu akrecije Zemlja doživjela, ako ne potpuno, onda značajno djelomično topljenje, što je dovelo do početne diferencijacije Proto-Zemlje u tešku željeznu jezgru i lagani silikatni plašt, a do formacije "magma ocean" na njegovoj površini ili na malim dubinama. Iako se i prije 1990-ih smatrao praktički univerzalno priznatim model relativno hladne primarne Zemlje, koja se zbog navedenih procesa postupno zagrijavala, praćena oslobađanjem značajne količine toplinske energije.

Točna procjena primarne akrecijske topline i njezinog udjela koji je preživio do danas povezana je sa značajnim poteškoćama. Po O.G. Sorokhtin i S.A. Ushakov, koji su pristaše relativno hladne primarne Zemlje, vrijednost akreacijske energije pretvorene u toplinu je - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Ova energija u nedostatku gubitka topline bila bi dovoljna za potpuno isparavanje zemaljska materija, jer temperatura bi mogla porasti do 30 000 0 S. No, proces akrecije bio je relativno dug, a energija planetezimalnih udara oslobađala se samo u pripovršinskim slojevima rastuće Zemlje i brzo se gubila toplinskim zračenjem, tako da početno zagrijavanje planeta nije bilo veliko. Veličinu ovog toplinskog zračenja, koje ide paralelno s formiranjem (akrecijom) Zemlje, navedeni autori procjenjuju kao 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J) .

U suvremenoj energetskoj ravnoteži Zemlje, akrecijska toplina najvjerojatnije igra beznačajnu ulogu.

Za Rusiju, energija Zemljine topline može postati stalan, pouzdan izvor osiguravanja jeftine i pristupačne električne energije i topline korištenjem novih visokih, ekološki prihvatljivih tehnologija za njezino izdvajanje i opskrbu potrošača. Ovo je posebno istinito u ovom trenutku

Ograničeni resursi fosilnih energetskih sirovina

Potražnja za organskim energetskim sirovinama velika je u industrijaliziranim zemljama i zemljama u razvoju (SAD, Japan, države ujedinjene Europe, Kina, Indija itd.). Istodobno, vlastiti resursi ugljikovodika u tim zemljama su ili nedostatni ili rezervirani, a država, na primjer, Sjedinjene Američke Države, kupuje energetske sirovine u inozemstvu ili razvija nalazišta u drugim zemljama.

U Rusiji, jednoj od energetski najbogatijih zemalja, ekonomske potrebe za energijom još uvijek se zadovoljavaju mogućnostima korištenja prirodnih resursa. Međutim, vađenje fosilnih ugljikovodika iz podzemlja odvija se vrlo brzo. Ako je 1940-1960-ih. Glavne regije za proizvodnju nafte bile su "Drugi Baku" na Volgi i Cis-Uralu, zatim, počevši od 1970-ih, pa do danas, Zapadni Sibir je bio takvo područje. Ali čak i ovdje postoji značajan pad proizvodnje fosilnih ugljikovodika. Prolazi era "suhog" senomanskog plina. Prethodna faza ekstenzivnog razvoja proizvodnje prirodnog plina je završena. Njegovo vađenje iz divovskih ležišta kao što su Medvezhye, Urengoyskoye i Yamburgskoye iznosilo je 84, 65 odnosno 50%. S vremenom se smanjuje i udio rezervi nafte koje su povoljne za razvoj.

Zbog aktivne potrošnje ugljikovodičnih goriva značajno su smanjene kopnene rezerve nafte i prirodnog plina. Sada su njihove glavne rezerve koncentrirane na kontinentalnom pojasu. I premda je sirovinska baza naftne i plinske industrije još uvijek dovoljna za vađenje nafte i plina u Rusiji u potrebnim količinama, u bliskoj budućnosti ona će se u sve većoj mjeri osigurati razvojem polja sa složenim rudarstvom i geološki uvjeti. Istodobno će rasti troškovi proizvodnje ugljikovodika.

Većina neobnovljivih resursa izvađenih iz podzemlja koristi se kao gorivo za elektrane. Prije svega, to je udio koji u strukturi goriva iznosi 64%.

U Rusiji se 70% električne energije proizvodi u termoelektranama. Energetska poduzeća u zemlji godišnje spale oko 500 milijuna tona c.e. tona za dobivanje električne i toplinske energije, dok se za proizvodnju topline troši 3-4 puta više ugljikovodika nego za proizvodnju električne energije.

Količina topline dobivena izgaranjem ovih količina ugljikovodičnih sirovina jednaka je korištenju stotina tona nuklearnog goriva – razlika je ogromna. Međutim, nuklearna energija zahtijeva osiguranje zaštite okoliša (kako bi se spriječilo ponavljanje Černobila) i zaštitu od mogućih terorističkih napada, kao i sigurno i skupo razgradnju zastarjelih i istrošenih nuklearnih jedinica. Dokazane nadoknadive rezerve urana u svijetu iznose oko 3 milijuna 400 tisuća tona, au cijelom prethodnom razdoblju (do 2007. godine) iskopano je oko 2 milijuna tona.

OIE kao budućnost globalne energije

Pojačani interes u svijetu posljednjih desetljeća za alternativne obnovljive izvore energije (OIE) uzrokovan je ne samo iscrpljivanjem rezervi ugljikovodičnih goriva, već i potrebom rješavanja ekoloških problema. Objektivni čimbenici (zalihe fosilnog goriva i urana, kao i promjene okoliša povezane s korištenjem tradicionalne vatre i nuklearne energije) i trendovi razvoja energetike sugeriraju da je prijelaz na nove metode i oblike proizvodnje energije neizbježan. Već u prvoj polovici XXI stoljeća. doći će do potpunog ili gotovo potpunog prijelaza na netradicionalne izvore energije.

Što se prije napravi iskorak u tom smjeru, to će biti manje bolno za cijelo društvo, a korisnije za državu, gdje će se u tom smjeru poduzeti odlučni koraci.

Svjetsko gospodarstvo već je postavilo kurs za prijelaz na racionalnu kombinaciju tradicionalnih i novih izvora energije. Potrošnja energije u svijetu do 2000. godine iznosila je više od 18 milijardi tona ekvivalenta goriva. tona, a potrošnja energije do 2025. može porasti na 30–38 milijardi tona ekvivalenta goriva. tona, prema prognoznim podacima, do 2050. godine moguća je potrošnja na razini od 60 milijardi tona ekvivalenta goriva. t. Karakterističan trend razvoja svjetskog gospodarstva u promatranom razdoblju je sustavno smanjenje potrošnje fosilnih goriva i odgovarajuće povećanje korištenja netradicionalnih energetskih resursa. Toplinska energija Zemlje zauzima jedno od prvih mjesta među njima.

Trenutno je Ministarstvo energetike Ruske Federacije usvojilo program za razvoj netradicionalne energije, uključujući 30 velikih projekata za korištenje jedinica toplinske pumpe (HPU), čiji se princip rada temelji na potrošnji niskopotencijalna toplinska energija Zemlje.

Niskopotencijalna energija toplinskih i toplinskih pumpi Zemlje

Izvori niskopotencijalne energije Zemljine topline su sunčevo zračenje i toplinsko zračenje zagrijanih crijeva našeg planeta. Trenutno je korištenje takve energije jedno od područja energetike koja se temelji na obnovljivim izvorima energije koja se najdinamičnije razvija.

Toplina Zemlje može se koristiti u raznim vrstama zgrada i građevina za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), kao i za grijanje staza u zimskoj sezoni, sprječavanje zaleđivanja, grijanje polja na otvorenim stadionima itd. U tehničkoj literaturi na engleskom jeziku sustavi koji koriste Zemljinu toplinu u sustavima grijanja i klimatizacije nazivaju se GHP - "geotermalne toplinske pumpe" (geotermalne toplinske pumpe). Klimatske karakteristike zemalja srednje i sjeverne Europe, koje su, zajedno sa Sjedinjenim Američkim Državama i Kanadom, glavna područja za korištenje niske topline Zemlje, određuju to uglavnom za potrebe grijanja; hlađenje zraka, čak i ljeti, relativno je rijetko potrebno. Stoga, za razliku od SAD-a, dizalice topline u europskim zemljama rade uglavnom u načinu grijanja. U SAD-u se češće koriste u sustavima grijanja zraka u kombinaciji s ventilacijom, što omogućuje i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U europskim zemljama toplinske pumpe se obično koriste u sustavima grijanja vode. Budući da se njihova učinkovitost povećava kako se smanjuje temperaturna razlika između isparivača i kondenzatora, sustavi podnog grijanja često se koriste za grijanje zgrada, u kojima cirkulira rashladna tekućina relativno niske temperature (35-40 ° C).

Vrste sustava za korištenje niskopotencijalne energije Zemljine topline

U općem slučaju mogu se razlikovati dvije vrste sustava za korištenje niske potencijalne energije Zemljine topline:

- otvoreni sustavi: kao izvor toplinske energije niskog potencijala koristi se podzemna voda koja se dovodi izravno u dizalice topline;

- zatvoreni sustavi: izmjenjivači topline se nalaze u masivu tla; kada kroz njih cirkulira rashladna tekućina s temperaturom nižom od tla, toplinska energija se "skida" sa tla i prenosi na isparivač toplinske pumpe (ili kada se koristi rashladna tekućina s višom temperaturom u odnosu na tlo, ona se hladi ).

Nedostaci otvorenih sustava su što bušotine zahtijevaju održavanje. Osim toga, korištenje ovakvih sustava nije moguće u svim područjima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

- dovoljna vodopropusnost tla, što omogućuje nadopunjavanje zaliha vode;

– dobra kemija podzemnih voda (npr. nizak sadržaj željeza) kako bi se izbjegao kamenac u cijevima i problemi s korozijom.

Zatvoreni sustavi za korištenje niskopotencijalne energije Zemljine topline

Zatvoreni sustavi su horizontalni i vertikalni (slika 1.).

Riža. 1. Shema instalacije geotermalne toplinske pumpe s: a - horizontalnim

i b - vertikalni izmjenjivači topline tla.

Horizontalni izmjenjivač topline tla

U zemljama zapadne i srednje Europe horizontalni izmjenjivači topline tla obično su odvojene cijevi koje su relativno čvrsto položene i međusobno povezane u seriju ili paralelno (slika 2).

Riža. 2. Horizontalni izmjenjivači topline tla sa: a - sekvencijalnim i

b - paralelna veza.

Kako bi se spasilo područje mjesta gdje se toplina uklanja, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale (slika 3), smješteni vodoravno ili okomito. Ovaj oblik izmjenjivača topline uobičajen je u SAD-u.

IH. Kapitonov

Zemljina nuklearna toplina

Zemljina toplina

Zemlja je prilično jako zagrijano tijelo i izvor je topline. Zagrijava se prvenstveno zbog sunčevog zračenja koje apsorbira. Ali Zemlja također ima svoj toplinski resurs koji se može usporediti s toplinom koju prima od Sunca. Vjeruje se da ova vlastita energija Zemlje ima sljedeće porijeklo. Zemlja je nastala prije oko 4,5 milijardi godina nakon formiranja Sunca iz protoplanetarnog diska plina i prašine koji se vrtio oko njega i kondenzirao. U ranoj fazi svog nastanka, Zemljina se tvar zagrijala zbog relativno sporog gravitacijskog kompresije. Važnu ulogu u toplinskoj ravnoteži Zemlje imala je i energija oslobođena prilikom pada malih kozmičkih tijela na nju. Stoga je mlada Zemlja bila otopljena. Hladeći se, postupno je došao u sadašnje stanje s čvrstom površinom, čiji je značajan dio prekriven oceanskim i morskim vodama. Ovaj tvrdi vanjski sloj se zove zemljine kore a u prosjeku, na kopnu, njegova debljina je oko 40 km, a pod oceanskim vodama - 5-10 km. Dublji sloj zemlje, tzv plašt također se sastoji od čvrstog. Proteže se do dubine od gotovo 3000 km i sadrži najveći dio Zemljine materije. Konačno, najnutarnji dio Zemlje je njezin jezgra. Sastoji se od dva sloja - vanjskog i unutarnjeg. vanjska jezgra ovo je sloj rastaljenog željeza i nikla na temperaturi od 4500-6500 K debljine 2000-2500 km. unutarnja jezgra s radijusom od 1000-1500 km je čvrsta legura željeza i nikla zagrijana na temperaturu od 4000-5000 K s gustoćom od oko 14 g / cm 3, koja je nastala pri ogromnom (gotovo 4 milijuna bara) tlaku.
Osim unutarnje topline Zemlje, naslijeđene od najranije vruće faze njenog nastanka, a čija bi se količina s vremenom trebala smanjivati, postoji još jedna, dugotrajna, povezana s radioaktivnim raspadom jezgri s dugim polu- život - prije svega, 232 Th, 235 U , 238 U i 40 K. Energija koja se oslobađa u tim raspadima - oni čine gotovo 99% zemaljske radioaktivne energije - neprestano obnavlja toplinske rezerve Zemlje. Gore navedene jezgre nalaze se u kori i plaštu. Njihovo raspadanje dovodi do zagrijavanja i vanjskog i unutarnjeg sloja Zemlje.
Dio ogromne topline sadržane u Zemlji neprestano izlazi na njenu površinu, često u vulkanskim procesima vrlo velikih razmjera. Poznat je tok topline koji teče iz dubina Zemlje kroz njezinu površinu. To je (47±2)·10 12 vata, što je ekvivalent toplini koju može proizvesti 50 tisuća nuklearnih elektrana (prosječna snaga jedne nuklearne elektrane je oko 10 9 vata). Postavlja se pitanje igra li radioaktivna energija ikakvu značajnu ulogu u ukupnom toplinskom proračunu Zemlje, i ako ima, kakvu ulogu? Odgovor na ova pitanja dugo je ostao nepoznat. Sada postoje prilike za odgovor na ova pitanja. Ključnu ulogu ovdje imaju neutrini (antineutrini), koji se rađaju u procesima radioaktivnog raspada jezgri koje čine Zemljinu tvar i koje se nazivaju geo-neutrina.

Geo-neutrino

Geo-neutrino je kombinirani naziv za neutrine ili antineutrine, koji se emitiraju kao rezultat beta raspada jezgri smještenih ispod površine Zemlje. Očito, zbog neviđene sposobnosti prodiranja, registracija ovih (i samo njih) detektorima neutrina na zemlji može pružiti objektivne informacije o procesima radioaktivnog raspada koji se odvijaju duboko u Zemlji. Primjer takvog raspada je β - raspad jezgre 228 Ra, koji je proizvod α raspada dugovječne 232 Th jezgre (vidi tablicu):

Vrijeme poluraspada (T 1/2) jezgre 228 Ra je 5,75 godina, a oslobođena energija je oko 46 keV. Energetski spektar antineutrina je kontinuiran s gornjom granicom blizu oslobođene energije.
Raspadi jezgri 232 Th, 235 U, 238 U su lanci uzastopnih raspada koji tvore tzv. radioaktivne serije. U takvim lancima α-raspadi su prošarani β − -raspadima, budući da se kod α-raspada konačne jezgre pomaknu s linije β-stabilnosti u područje jezgri preopterećenih neutronima. Nakon niza uzastopnih raspada na kraju svakog retka, formiraju se stabilne jezgre s brojem protona i neutrona blizu ili jednakim magičnim brojevima (Z = 82,N= 126). Takve konačne jezgre su stabilni izotopi olova ili bizmuta. Dakle, raspad T 1/2 završava stvaranjem dvostruko magične jezgre 208 Pb, a na putu 232 Th → 208 Pb dolazi do šest α-raspada koji se izmjenjuju s četiri β - raspada (u lancu 238 U → 206 Pb, osam α- i šest β - - raspada; u lancu 235 U → 207 Pb postoji sedam α- i četiri β − raspada). Dakle, energetski spektar antineutrina iz svake radioaktivne serije je superpozicija parcijalnih spektra pojedinačnih β − raspada koji čine ovaj niz. Spektri antineutrina proizvedenih u raspadima 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K prikazani su na sl. 1. Raspad od 40 K je pojedinačni β − raspad (vidi tablicu). Antineutrini dostižu najveću energiju (do 3,26 MeV) u raspadu
214 Bi → 214 Po, što je karika u radioaktivnoj seriji 238 U. Ukupna energija oslobođena tijekom prolaska svih veza raspada u seriji 232 Th → 208 Pb iznosi 42,65 MeV. Za radioaktivne serije 235 U i 238 U te energije su 46,39 odnosno 51,69 MeV. Energija koja se oslobađa u raspadu
40 K → 40 Ca je 1,31 MeV.

Karakteristike 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K jezgri

Jezgra	Podijeli % u smjesi izotopi	Broj jezgri odnosi se. Si jezgre	T 1/2 milijardi godina	Prvi linkovi propadanje
232th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 tisuća	0.0117	0.440	1.25

Procjena toka geoneutrina, napravljena na temelju raspada jezgri 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sadržanih u sastavu Zemljine tvari, dovodi do vrijednosti reda veličine 10 6 cm. -2 s -1 . Registracijom ovih geo-neutrina može se dobiti informacija o ulozi radioaktivne topline u ukupnoj toplinskoj bilanci Zemlje i testirati naše predodžbe o sadržaju dugoživućih radioizotopa u sastavu zemaljske tvari.

Riža. 1. Energetski spektri antineutrina iz nuklearnog raspada

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizirano na jedan raspad matične jezgre

Reakcija se koristi za registraciju elektronskih antineutrina

P → e + + n, (1)

u kojem je ova čestica zapravo otkrivena. Prag za ovu reakciju je 1,8 MeV. Stoga se u gornjoj reakciji mogu registrirati samo geo-neutrini formirani u lancima raspada počevši od jezgri 232 Th i 238 U. Efektivni presjek reakcije o kojoj se raspravlja iznimno je mali: σ ≈ 10 -43 cm 2. Otuda slijedi da detektor neutrina osjetljivog volumena od 1 m 3 neće registrirati više od nekoliko događaja godišnje. Očito, za pouzdano fiksiranje tokova geo-neutrina potrebni su detektori neutrina velikog volumena, smješteni u podzemnim laboratorijima za maksimalnu zaštitu od pozadine. Ideja o korištenju detektora dizajniranih za proučavanje solarnih i reaktorskih neutrina za registraciju geo-neutrina pojavila se 1998. godine. Trenutno postoje dva detektora neutrina velikog volumena koji koriste tekući scintilator i prikladni su za rješavanje problema. To su detektori neutrina iz pokusa KamLAND (Japan, ) i Borexino (Italija, ). U nastavku razmatramo uređaj Borexino detektora i rezultate dobivene na ovom detektoru o registraciji geo-neutrina.

Borexino detektor i registracija geo-neutrina

Detektor neutrina Borexino nalazi se u središnjoj Italiji u podzemnom laboratoriju ispod planinskog lanca Gran Sasso, čiji planinski vrhovi dosežu 2,9 km (slika 2).

Riža. Slika 2. Dijagram lokacije neutrinskog laboratorija ispod planinskog lanca Gran Sasso (srednja Italija)

Borexino je nesegmentirani masivni detektor čiji je aktivni medij
280 tona organskog tekućeg scintilatora. Ispunila je najlonsku kuglastu posudu promjera 8,5 m (slika 3). Scintilator je bio pseudokumen (C 9 H 12) s dodatkom PPO koji pomiče spektar (1,5 g/l). Svjetlost iz scintilatora prikuplja se pomoću 2212 fotomultiplikatora (PMT) od osam inča koji su postavljeni na kuglu od nehrđajućeg čelika (SSS).

Riža. 3. Shema uređaja Borexino detektora

Najlonska posuda s pseudokumenom je unutarnji detektor čija je zadaća registracija neutrina (antineutrina). Unutarnji detektor okružen je s dvije koncentrične tampon zone koje ga štite od vanjskih gama zraka i neutrona. Unutarnja zona ispunjena je nescintilirajućim medijem koji se sastoji od 900 tona pseudokumena sa aditivima dimetil ftalata za gašenje scintilacije. Vanjska zona nalazi se na vrhu SNS-a i predstavlja detektor vode Čerenkov koji sadrži 2000 tona ultračiste vode i odsijeca signale miona koji ulaze u objekt izvana. Za svaku interakciju koja se događa u unutarnjem detektoru određuju se energija i vrijeme. Kalibracija detektora korištenjem različitih radioaktivnih izvora omogućila je vrlo precizno određivanje njegove energetske ljestvice i stupnja reproducibilnosti svjetlosnog signala.
Borexino je detektor vrlo visoke radijacijske čistoće. Svi materijali su rigorozno odabrani, a scintilator je očišćen kako bi se minimizirala unutarnja pozadina. Zbog svoje visoke čistoće zračenja, Borexino je izvrstan detektor za detekciju antineutrina.
U reakciji (1) pozitron daje trenutni signal koji nakon nekog vremena slijedi hvatanje neutrona jezgrom vodika, što dovodi do pojave γ-kvanta s energijom od 2,22 MeV, koji stvara signal kasni u odnosu na prvi. U Borexinu je vrijeme hvatanja neutrona oko 260 μs. Trenutačni i odgođeni signali su u korelaciji u prostoru i vremenu, osiguravajući točno prepoznavanje događaja uzrokovanog e .
Prag za reakciju (1) je 1,806 MeV i, kao što se može vidjeti na sl. 1, svi geo-neutrini iz raspada 40 K i 235 U su ispod ovog praga, a može se detektirati samo dio geo-neutrina koji je nastao u raspadima 232 Th i 238 U.
Detektor Borexino prvi je detektirao signale geo-neutrina 2010. godine, a nedavno je objavio nove rezultate na temelju promatranja tijekom 2056 dana od prosinca 2007. do ožujka 2015. U nastavku donosimo dobivene podatke i rezultate njihove rasprave, temeljene na članku.
Kao rezultat analize eksperimentalnih podataka, identificirano je 77 kandidata za elektronske antineutrine koji su prošli sve kriterije odabira. Pozadinu događaja koji simuliraju e procijenio je . Dakle, omjer signal/pozadina bio je ≈100.
Glavni izvor pozadine bili su reaktorski antineutrini. Za Borexino je situacija bila prilično povoljna, budući da u blizini laboratorija Gran Sasso nema nuklearnih reaktora. Osim toga, reaktorski antineutrini su energičniji od geo-neutrina, što je omogućilo da se ti antineutrini od pozitrona odvoje jačinom signala. Rezultati analize doprinosa geo-neutrina i reaktorskih antineutrina ukupnom broju zabilježenih događaja iz e prikazani su na sl. 4. Broj registriranih geo-neutrina dat ovom analizom (zasjenjeno područje im odgovara na slici 4) jednak je . U spektru geoneutrina izdvojenih kao rezultat analize, vidljive su dvije skupine - manje energični, intenzivniji i energičniji, manje intenzivni. Autori opisane studije ove skupine povezuju s raspadima torija, odnosno urana.
U analizi o kojoj se raspravlja koristili smo omjer masa torija i urana u materiji Zemlje
m(Th)/m(U) = 3,9 (u tablici ova vrijednost je ≈3,8). Ova brojka odražava relativni sadržaj ovih kemijskih elemenata u hondritima - najčešća skupina meteorita (više od 90% meteorita koji su pali na Zemlju pripada ovoj skupini). Vjeruje se da sastav hondrita, s izuzetkom lakih plinova (vodik i helij), ponavlja sastav Sunčevog sustava i protoplanetarnog diska od kojeg je nastala Zemlja.

Riža. Slika 4. Spektar izlazne svjetlosti iz pozitrona u jedinicama broja fotoelektrona za događaje kandidata za antineutrino (eksperimentalne točke). Zasjenjeno područje je doprinos geo-neutrina. Puna linija je doprinos reaktorskih antineutrina.