Tenaga geoterma dan kaedah pengeluarannya. Tenaga Geoterma Hadapan

Bagi Rusia, tenaga haba Bumi boleh menjadi sumber yang berterusan dan boleh dipercayai untuk membekalkan elektrik dan haba yang murah dan mampu milik menggunakan teknologi tinggi dan mesra alam baharu untuk pengekstrakan dan bekalannya kepada pengguna. Ini benar terutamanya pada masa ini

Sumber terhad bahan mentah tenaga fosil

Permintaan untuk bahan mentah tenaga organik adalah hebat di negara-negara perindustrian dan membangun (AS, Jepun, negara-negara bersatu Eropah, China, India, dll.). Pada masa yang sama, sumber hidrokarbon mereka sendiri di negara ini sama ada tidak mencukupi atau terpelihara, dan negara, seperti Amerika Syarikat, membeli bahan mentah tenaga di luar negara atau membangunkan deposit di negara lain.

Di Rusia, salah satu negara terkaya dari segi sumber tenaga, keperluan ekonomi untuk tenaga masih dipenuhi dengan kemungkinan menggunakan sumber semula jadi. Walau bagaimanapun, pengekstrakan hidrokarbon fosil daripada tanah bawah berlaku pada kadar yang sangat pantas. Jika pada tahun 1940an-1960an. Kawasan pengeluar minyak utama ialah "Baku Kedua" di Volga dan Cis-Ural, kemudian, bermula dari tahun 1970-an, dan sehingga kini, Siberia Barat telah menjadi kawasan sedemikian. Tetapi di sini pun terdapat penurunan ketara dalam pengeluaran hidrokarbon fosil. Era gas Cenoman "kering" semakin berlalu. Tahap pembangunan meluas pengeluaran gas asli sebelum ini telah berakhir. Pengekstrakannya daripada deposit gergasi seperti Medvezhye, Urengoyskoye dan Yamburgskoye masing-masing berjumlah 84, 65 dan 50%. Bahagian rizab minyak yang sesuai untuk pembangunan juga berkurangan dari semasa ke semasa.

Disebabkan penggunaan aktif bahan api hidrokarbon, rizab minyak dan gas asli darat telah berkurangan dengan ketara. Kini rizab utama mereka tertumpu di pelantar benua. Dan walaupun asas bahan mentah industri minyak dan gas masih mencukupi untuk pengeluaran minyak dan gas di Rusia dalam jumlah yang diperlukan, dalam masa terdekat ia akan disediakan ke tahap yang semakin meningkat melalui pembangunan ladang dengan perlombongan yang kompleks dan keadaan geologi. Pada masa yang sama, kos pengeluaran hidrokarbon akan meningkat.

Kebanyakan sumber tidak boleh diperbaharui yang diekstrak daripada tanah bawah digunakan sebagai bahan api untuk loji kuasa. Pertama sekali, ini adalah bahagian yang dalam struktur bahan api adalah 64%.

Di Rusia, 70% tenaga elektrik dijana di loji kuasa haba. Perusahaan tenaga negara setiap tahun membakar kira-kira 500 juta tan c.e. tan untuk tujuan penjanaan elektrik dan haba, manakala pengeluaran haba menggunakan bahan api hidrokarbon 3-4 kali lebih banyak daripada penjanaan elektrik.

Jumlah haba yang diperoleh daripada pembakaran isipadu bahan mentah hidrokarbon ini adalah bersamaan dengan penggunaan ratusan tan bahan api nuklear - perbezaannya adalah besar. Walau bagaimanapun, kuasa nuklear memerlukan memastikan keselamatan alam sekitar (untuk mengelakkan pengulangan Chernobyl) dan melindunginya daripada kemungkinan serangan pengganas, serta penyahtauliahan yang selamat dan mahal bagi unit kuasa nuklear yang usang dan terpakai. Rizab uranium yang terbukti boleh diperolehi di dunia adalah kira-kira 3 juta 400 ribu tan.Untuk keseluruhan tempoh sebelumnya (sehingga 2007), kira-kira 2 juta tan telah dilombong.

RES sebagai masa depan tenaga global

Peningkatan minat di dunia dalam beberapa dekad kebelakangan ini dalam sumber tenaga boleh diperbaharui alternatif (RES) bukan sahaja disebabkan oleh kekurangan rizab bahan api hidrokarbon, tetapi juga oleh keperluan untuk menyelesaikan masalah alam sekitar. Faktor objektif (bahan api fosil dan rizab uranium, serta perubahan persekitaran yang berkaitan dengan penggunaan api tradisional dan tenaga nuklear) dan trend pembangunan tenaga menunjukkan bahawa peralihan kepada kaedah dan bentuk penjanaan tenaga baharu tidak dapat dielakkan. Sudah pada separuh pertama abad XXI. akan berlaku peralihan yang lengkap atau hampir lengkap kepada sumber tenaga bukan tradisional.

Lebih cepat kejayaan dibuat ke arah ini, semakin tidak menyakitkan bagi seluruh masyarakat dan lebih bermanfaat untuk negara, di mana langkah-langkah tegas akan diambil ke arah ini.

Ekonomi dunia telah pun menetapkan laluan untuk peralihan kepada gabungan rasional sumber tenaga tradisional dan baharu. Penggunaan tenaga di dunia pada tahun 2000 berjumlah lebih daripada 18 bilion tan setara bahan api. tan, dan penggunaan tenaga menjelang 2025 mungkin meningkat kepada 30–38 bilion tan setara bahan api. tan, menurut data ramalan, menjelang 2050 penggunaan pada tahap 60 bilion tan setara bahan api adalah mungkin. Trend ciri dalam pembangunan ekonomi dunia dalam tempoh yang ditinjau ialah penurunan sistematik dalam penggunaan bahan api fosil dan peningkatan yang sepadan dalam penggunaan sumber tenaga bukan tradisional. Tenaga haba Bumi menduduki salah satu tempat pertama di kalangan mereka.

Pada masa ini, Kementerian Tenaga Persekutuan Rusia telah menerima pakai program untuk pembangunan tenaga bukan tradisional, termasuk 30 projek besar untuk penggunaan unit pam haba (HPU), yang prinsipnya berdasarkan penggunaan rendah- tenaga haba berpotensi Bumi.

Tenaga berpotensi rendah haba Bumi dan pam haba

Sumber tenaga berpotensi rendah haba Bumi adalah sinaran suria dan sinaran terma usus yang dipanaskan di planet kita. Pada masa ini, penggunaan tenaga sebegitu merupakan salah satu bidang tenaga yang paling dinamik membangun berdasarkan sumber tenaga boleh diperbaharui.

Haba Bumi boleh digunakan dalam pelbagai jenis bangunan dan struktur untuk pemanasan, bekalan air panas, penghawa dingin (penyejukan), serta untuk memanaskan trek pada musim sejuk, mencegah ais, medan pemanasan di stadium luar, dll. Dalam kesusasteraan teknikal bahasa Inggeris sistem yang menggunakan haba Bumi dalam sistem pemanasan dan penyaman udara dirujuk sebagai GHP - "pam haba geoterma" (pam haba geoterma). Ciri-ciri iklim negara-negara Eropah Tengah dan Utara, yang, bersama-sama dengan Amerika Syarikat dan Kanada, adalah kawasan utama untuk penggunaan haba gred rendah Bumi, menentukan ini terutamanya untuk tujuan pemanasan; penyejukan udara, walaupun pada musim panas, agak jarang diperlukan. Oleh itu, tidak seperti di Amerika Syarikat, pam haba di negara Eropah beroperasi terutamanya dalam mod pemanasan. Di AS, ia lebih kerap digunakan dalam sistem pemanasan udara digabungkan dengan pengudaraan, yang membolehkan kedua-dua pemanasan dan penyejukan udara luar. Di negara-negara Eropah, pam haba biasanya digunakan dalam sistem pemanasan air. Oleh kerana kecekapannya meningkat apabila perbezaan suhu antara penyejat dan pemeluwap berkurangan, sistem pemanasan bawah lantai sering digunakan untuk memanaskan bangunan, di mana penyejuk dengan suhu yang agak rendah (35-40 ° C) beredar.

Jenis sistem untuk penggunaan tenaga berpotensi rendah haba Bumi

Dalam kes umum, dua jenis sistem untuk menggunakan tenaga berpotensi rendah haba Bumi boleh dibezakan:

- sistem terbuka: sebagai sumber tenaga haba gred rendah, air bawah tanah digunakan, yang dibekalkan terus ke pam haba;

- sistem tertutup: penukar haba terletak di jisim tanah; apabila penyejuk dengan suhu lebih rendah daripada tanah beredar melaluinya, tenaga haba "ditanggalkan" dari tanah dan dipindahkan ke penyejat pam haba (atau apabila penyejuk dengan suhu yang lebih tinggi berbanding dengan tanah digunakan, ia disejukkan ).

Kelemahan sistem terbuka ialah telaga memerlukan penyelenggaraan. Di samping itu, penggunaan sistem sedemikian tidak mungkin di semua kawasan. Keperluan utama untuk tanah dan air bawah tanah adalah seperti berikut:

- kebolehtelapan air tanah yang mencukupi, membolehkan penambahan semula rizab air;

– kimia air bawah tanah yang baik (cth. kandungan besi rendah) untuk mengelakkan masalah skala paip dan kakisan.

Sistem tertutup untuk penggunaan tenaga berpotensi rendah haba Bumi

Sistem tertutup adalah mendatar dan menegak (Rajah 1).

nasi. 1. Skim pemasangan pam haba geoterma dengan: a - mendatar

dan b - penukar haba tanah menegak.

Penukar haba tanah mendatar

Di negara-negara Eropah Barat dan Tengah, penukar haba tanah mendatar biasanya merupakan paip berasingan yang diletakkan agak rapat dan bersambung antara satu sama lain secara bersiri atau selari (Rajah 2).

nasi. 2. Penukar haba tanah mendatar dengan: a - berjujukan dan

b - sambungan selari.

Untuk menyelamatkan kawasan tapak di mana haba dikeluarkan, jenis penukar haba yang lebih baik telah dibangunkan, sebagai contoh, penukar haba dalam bentuk lingkaran (Rajah 3), terletak secara mendatar atau menegak. Bentuk penukar haba ini adalah biasa di Amerika Syarikat.

tenaga geoterma- ini adalah tenaga haba yang dibebaskan dari zon dalaman Bumi selama ratusan juta tahun. Menurut kajian geologi dan geofizik, suhu dalam teras Bumi mencapai 3,000-6,000 °C, secara beransur-ansur menurun dalam arah dari pusat planet ke permukaannya. Letusan ribuan gunung berapi, pergerakan blok kerak bumi, gempa bumi membuktikan tindakan tenaga dalaman Bumi yang kuat. Para saintis percaya bahawa medan haba planet kita adalah disebabkan oleh pereputan radioaktif di kedalamannya, serta pemisahan graviti bahan teras.
Sumber utama memanaskan usus planet ini ialah uranium, torium dan kalium radioaktif. Proses pereputan radioaktif di benua berlaku terutamanya di lapisan granit kerak bumi pada kedalaman 20-30 km atau lebih, di lautan - di mantel atas. Diandaikan bahawa di bahagian bawah kerak bumi pada kedalaman 10-15 km, kemungkinan nilai suhu di benua adalah 600-800 ° C, dan di lautan - 150-200 ° C.
Seseorang boleh menggunakan tenaga geoterma hanya di mana ia menunjukkan dirinya hampir dengan permukaan Bumi, i.e. di kawasan aktiviti gunung berapi dan seismik. Kini tenaga geoterma digunakan dengan berkesan oleh negara seperti Amerika Syarikat, Itali, Iceland, Mexico, Jepun, New Zealand, Rusia, Filipina, Hungary, El Salvador. Di sini, haba dalaman bumi naik ke permukaan paling dalam dalam bentuk air panas dan wap dengan suhu sehingga 300 ° C dan sering terpancar sebagai haba sumber pancaran (geyser), contohnya, geiser yang terkenal. Taman Yellowstone di Amerika Syarikat, geiser Kamchatka, Iceland.
Sumber tenaga geoterma terbahagi kepada wap panas kering, wap panas basah dan air panas. Perigi itu, yang merupakan sumber tenaga penting untuk kereta api elektrik di Itali (berhampiran Larderello), telah dikuasakan oleh wap panas kering sejak 1904. Dua lagi tempat terkenal di dunia dengan wap kering panas ialah padang Matsukawa di Jepun dan medan geyser berhampiran San Francisco, di mana tenaga geoterma juga telah digunakan dengan berkesan sejak sekian lama. Kebanyakan dari semua dalam dunia wap panas basah terletak di New Zealand (Wairakei), medan geoterma kuasa kurang sedikit - di Mexico, Jepun, El Salvador, Nicaragua, Rusia.
Oleh itu, empat jenis utama sumber tenaga geoterma boleh dibezakan:
haba permukaan bumi yang digunakan oleh pam haba;
sumber tenaga wap, air panas dan suam berhampiran permukaan bumi, yang kini digunakan dalam pengeluaran tenaga elektrik;
haba tertumpu jauh di bawah permukaan bumi (mungkin tanpa ketiadaan air);
tenaga magma dan haba yang terkumpul di bawah gunung berapi.

Rizab haba geoterma (~ 8 * 1030J) adalah 35 bilion kali ganda penggunaan tenaga global tahunan. Hanya 1% daripada tenaga geoterma kerak bumi (kedalaman 10 km) dapat memberikan jumlah tenaga yang 500 kali ganda lebih besar daripada semua rizab minyak dan gas dunia. Walau bagaimanapun, hari ini hanya sebahagian kecil daripada sumber ini boleh digunakan, dan ini disebabkan terutamanya oleh sebab ekonomi. Permulaan pembangunan perindustrian sumber geoterma (tenaga perairan dalam panas dan wap) diletakkan pada tahun 1916, apabila loji kuasa geoterma pertama dengan kapasiti 7.5 MW telah mula beroperasi di Itali. Sepanjang masa lalu, banyak pengalaman telah terkumpul dalam bidang pembangunan praktikal sumber tenaga geoterma. Jumlah kapasiti terpasang bagi mengendalikan loji janakuasa geoterma (GeoTPP) ialah: 1975 - 1,278 MW, pada tahun 1990 - 7,300 MW. Amerika Syarikat, Filipina, Mexico, Itali, dan Jepun telah mencapai kemajuan terbesar dalam perkara ini.
Parameter teknikal dan ekonomi GeoTPP berbeza-beza dalam julat yang agak luas dan bergantung pada ciri geologi kawasan (kedalaman kejadian, parameter bendalir kerja, komposisinya, dsb.). Bagi majoriti GeoTPP yang ditauliahkan, kos elektrik adalah serupa dengan kos elektrik yang dihasilkan di TPP yang dijana arang batu, dan berjumlah 1200 ... 2000 dolar AS / MW.
Di Iceland, 80% bangunan kediaman dipanaskan dengan air panas yang diekstrak daripada telaga geoterma di bawah bandar Reykjavik. Di barat Amerika Syarikat, kira-kira 180 rumah dan ladang dipanaskan oleh air panas geoterma. Menurut pakar, antara 1993 dan 2000, penjanaan elektrik global daripada tenaga geoterma meningkat lebih daripada dua kali ganda. Terdapat begitu banyak rizab haba geoterma di Amerika Syarikat yang secara teorinya boleh memberikan tenaga 30 kali ganda lebih banyak daripada yang digunakan negara pada masa ini.
Pada masa hadapan, adalah mungkin untuk menggunakan haba magma di kawasan di mana ia terletak berhampiran dengan permukaan Bumi, serta haba kering batuan kristal yang dipanaskan. Dalam kes kedua, telaga digerudi selama beberapa kilometer, air sejuk dipam ke bawah, dan air panas dikembalikan.

Istilah "tenaga geoterma" berasal daripada perkataan Yunani bumi (geo) dan terma (terma). sebenarnya, tenaga geoterma berasal dari bumi sendiri. Haba daripada teras bumi, yang suhu puratanya ialah 3600 darjah Celsius, dipancarkan ke arah permukaan planet.

Pemanasan mata air dan geyser di bawah tanah pada kedalaman beberapa kilometer boleh dilakukan menggunakan telaga khas yang melaluinya air panas (atau wap daripadanya) mengalir ke permukaan, di mana ia boleh digunakan secara langsung sebagai haba atau secara tidak langsung untuk menjana elektrik dengan menghidupkan turbin berputar.

Oleh kerana air di bawah permukaan bumi sentiasa diisi semula, dan teras bumi akan terus menghasilkan haba berbanding kehidupan manusia selama-lamanya, tenaga geoterma akhirnya akan bersih dan boleh diperbaharui.

Kaedah untuk mengumpul sumber tenaga Bumi

Hari ini, terdapat tiga kaedah utama untuk menuai tenaga geoterma: wap kering, air panas, dan kitaran binari. Proses wap kering secara langsung memacu pemacu turbin penjana kuasa. Air panas masuk dari bawah ke atas, kemudian disembur ke dalam tangki untuk menghasilkan wap untuk menggerakkan turbin. Kedua-dua kaedah ini adalah yang paling biasa, menjana ratusan megawatt elektrik di AS, Iceland, Eropah, Rusia dan negara lain. Tetapi lokasi adalah terhad, kerana loji ini hanya beroperasi di kawasan tektonik di mana ia lebih mudah untuk mengakses air yang dipanaskan.

Dengan teknologi kitaran binari, air suam (tidak semestinya panas) diekstrak ke permukaan dan digabungkan dengan butana atau pentana, yang mempunyai takat didih yang rendah. Cecair ini dipam melalui penukar haba, di mana ia menyejat dan dihantar melalui turbin sebelum diedarkan semula ke dalam sistem. Teknologi kitaran binari menyediakan berpuluh-puluh megawatt elektrik di AS: California, Nevada dan Kepulauan Hawaii.

Prinsip mendapatkan tenaga

Kelemahan mendapatkan tenaga geoterma

Pada peringkat utiliti, loji janakuasa geoterma mahal untuk dibina dan dikendalikan. Mencari lokasi yang sesuai memerlukan tinjauan telaga yang mahal tanpa jaminan untuk mencapai titik panas bawah tanah yang produktif. Bagaimanapun, penganalisis menjangkakan kapasiti ini akan meningkat hampir dua kali ganda dalam tempoh enam tahun akan datang.

Selain itu, kawasan dengan suhu tinggi sumber bawah tanah terletak di kawasan yang mempunyai gunung berapi geologi dan kimia yang aktif. "Titik panas" ini terbentuk di sempadan plat tektonik di tempat di mana keraknya agak nipis. Pasifik sering dirujuk sebagai cincin api untuk banyak gunung berapi di mana terdapat banyak titik panas, termasuk di Alaska, California dan Oregon. Nevada mempunyai ratusan titik panas yang meliputi sebahagian besar utara AS.

Terdapat kawasan lain yang aktif secara seismik. Gempa bumi dan pergerakan magma membolehkan air beredar. Di sesetengah tempat air naik ke permukaan dan mata air panas dan geiser semulajadi berlaku, seperti di Kamchatka. Air di geyser Kamchatka mencapai 95°C.

Salah satu masalah dengan sistem geyser terbuka ialah pembebasan bahan pencemar udara tertentu. Hidrogen sulfida - gas toksik dengan bau "telur busuk" yang sangat dikenali - sejumlah kecil arsenik dan mineral yang dibebaskan dengan wap. Garam juga boleh menimbulkan masalah alam sekitar.

Di loji kuasa geoterma luar pesisir, sejumlah besar garam mengganggu terkumpul di dalam paip. Dalam sistem tertutup, tiada pelepasan dan semua cecair yang dibawa ke permukaan dikembalikan.

Potensi ekonomi sumber tenaga

Titik aktif secara seismik bukanlah satu-satunya tempat di mana tenaga geoterma boleh ditemui. Terdapat bekalan berterusan haba yang boleh digunakan untuk tujuan pemanasan terus pada kedalaman mana-mana dari 4 meter hingga beberapa kilometer di bawah permukaan hampir di mana-mana sahaja di bumi. Malah tanah di halaman rumah sendiri atau di sekolah tempatan mempunyai potensi ekonomi untuk memberikan haba kepada rumah atau bangunan lain.

Di samping itu, terdapat sejumlah besar tenaga haba dalam formasi batuan kering sangat dalam di bawah permukaan (4 - 10 km).

Penggunaan teknologi baharu boleh mengembangkan sistem geoterma di mana orang ramai boleh menggunakan haba itu untuk menjana elektrik pada skala yang lebih besar daripada teknologi konvensional. Projek demonstrasi pertama prinsip penjanaan elektrik ini ditunjukkan di Amerika Syarikat dan Australia seawal 2013.

Sekiranya potensi ekonomi penuh sumber geoterma dapat direalisasikan, ia akan mewakili sumber elektrik yang besar untuk kapasiti pengeluaran. Para saintis mencadangkan bahawa sumber geoterma konvensional mempunyai potensi 38,000 MW, yang boleh menghasilkan 380 juta MW elektrik setahun.

Batuan kering panas berlaku pada kedalaman 5 hingga 8 km di mana-mana di bawah tanah dan pada kedalaman yang lebih cetek di tempat tertentu. Akses kepada sumber ini melibatkan pengenalan air sejuk yang beredar melalui batuan panas dan penyingkiran air yang dipanaskan. Pada masa ini tiada aplikasi komersial teknologi ini. Teknologi sedia ada belum membenarkan memulihkan tenaga haba secara langsung daripada magma, sangat dalam, tetapi ini adalah sumber tenaga geoterma yang paling berkuasa.

Dengan gabungan sumber tenaga dan ketekalannya, tenaga geoterma boleh memainkan peranan yang amat diperlukan sebagai sistem tenaga yang lebih bersih dan mampan.

Pembinaan loji kuasa geoterma

Tenaga geoterma ialah haba yang bersih dan mampan daripada Bumi. Sumber yang lebih besar terdiri daripada beberapa kilometer di bawah permukaan bumi, dan lebih dalam lagi, kepada batu cair suhu tinggi yang dipanggil magma. Tetapi seperti yang diterangkan di atas, orang masih belum mencapai magma.

Tiga Reka Bentuk Loji Kuasa Geoterma

Teknologi aplikasi ditentukan oleh sumber. Jika air datang dari perigi sebagai wap, ia boleh digunakan terus. Jika air panas cukup tinggi, ia mesti melalui penukar haba.

Telaga pertama untuk penjanaan kuasa telah digerudi sebelum tahun 1924. Telaga yang lebih dalam telah digerudi pada tahun 1950-an, tetapi pembangunan sebenar berlaku pada tahun 1970-an dan 1980-an.

Penggunaan langsung haba geoterma

Sumber geoterma juga boleh digunakan secara langsung untuk tujuan pemanasan. Air panas digunakan untuk memanaskan bangunan, menanam tumbuhan di rumah hijau, mengeringkan ikan dan tanaman, meningkatkan pengeluaran minyak, membantu proses perindustrian seperti pempasteur susu, dan memanaskan air di ladang ikan. Di AS, Klamath Falls, Oregon dan Boise, Idaho telah menggunakan air geoterma untuk memanaskan rumah dan bangunan selama lebih satu abad. Di pantai timur, bandar Warm Springs, Virginia menerima haba terus dari mata air menggunakan sumber haba di salah satu pusat peranginan tempatan.

Di Iceland, hampir setiap bangunan di negara ini dipanaskan oleh mata air panas. Malah, Iceland mendapat lebih daripada 50 peratus tenaga utamanya daripada sumber geoterma. Di Reykjavik, sebagai contoh (pop. 118,000), air panas disalurkan 25 kilometer di sepanjang penghantar, dan penduduk menggunakannya untuk pemanasan dan keperluan semula jadi.

New Zealand mendapat tambahan 10% daripada tenaga elektriknya. kurang dibangunkan, walaupun terdapat air terma.

Doktor sains teknikal PADA. Saya bersumpah, profesor,
Ahli akademik Akademi Sains Teknologi Rusia, Moscow

Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, dunia telah mempertimbangkan arah penggunaan tenaga haba Bumi yang lebih cekap untuk menggantikan sebahagian gas asli, minyak dan arang batu. Ini akan menjadi mungkin bukan sahaja di kawasan yang mempunyai parameter geoterma yang tinggi, tetapi juga di mana-mana kawasan di dunia apabila menggerudi suntikan dan telaga pengeluaran dan mewujudkan sistem peredaran di antara mereka.

Peningkatan minat terhadap sumber tenaga alternatif di dunia dalam beberapa dekad kebelakangan ini disebabkan oleh kehabisan rizab bahan api hidrokarbon dan keperluan untuk menyelesaikan beberapa masalah alam sekitar. Faktor objektif (rizab bahan api fosil dan uranium, serta perubahan dalam persekitaran yang disebabkan oleh kebakaran tradisional dan tenaga nuklear) membolehkan kita menegaskan bahawa peralihan kepada kaedah dan bentuk pengeluaran tenaga baru tidak dapat dielakkan.

Ekonomi dunia kini sedang menuju ke arah peralihan kepada gabungan rasional sumber tenaga tradisional dan baharu. Haba Bumi menduduki salah satu tempat pertama di kalangan mereka.

Sumber tenaga geoterma dibahagikan kepada hidrogeologi dan petrogeoterma. Yang pertama diwakili oleh pembawa haba (hanya terdiri daripada 1% daripada jumlah sumber tenaga geoterma) - campuran air bawah tanah, wap dan air wap. Yang kedua ialah tenaga geoterma yang terkandung dalam batuan panas.

Teknologi air pancut (tumpahan sendiri) yang digunakan di negara kita dan di luar negara untuk pengekstrakan wap semula jadi dan perairan geoterma adalah mudah, tetapi tidak cekap. Dengan kadar aliran rendah telaga mengalir sendiri, pengeluaran habanya boleh menampung kos penggerudian hanya pada kedalaman cetek takungan geoterma dengan suhu tinggi di kawasan anomali haba. Hayat perkhidmatan telaga sedemikian di banyak negara tidak mencapai 10 tahun.

Pada masa yang sama, pengalaman mengesahkan bahawa dengan kehadiran pengumpul wap semulajadi yang cetek, pembinaan loji kuasa Geoterma adalah pilihan yang paling menguntungkan untuk menggunakan tenaga geoterma. Pengendalian GeoTPP tersebut telah menunjukkan daya saingnya berbanding dengan jenis loji kuasa lain. Oleh itu, penggunaan rizab perairan geoterma dan hidroterma wap di negara kita di Semenanjung Kamchatka dan di pulau-pulau rantaian Kuril, di wilayah Caucasus Utara, dan juga mungkin di kawasan lain, adalah wajar dan tepat pada masanya. Tetapi deposit wap jarang berlaku, rizabnya yang diketahui dan diramalkan adalah kecil. Mendapan haba dan air kuasa yang lebih biasa tidak selalu terletak cukup dekat dengan pengguna - objek bekalan haba. Ini tidak termasuk kemungkinan skala besar penggunaan berkesan mereka.

Selalunya, isu memerangi penskalaan berkembang menjadi masalah yang kompleks. Penggunaan geoterma, sebagai peraturan, sumber mineral sebagai pembawa haba membawa kepada pertumbuhan berlebihan zon lubang gerudi dengan oksida besi, kalsium karbonat dan pembentukan silikat. Di samping itu, masalah hakisan-kakisan dan penskalaan menjejaskan operasi peralatan. Masalahnya, juga, ialah pembuangan air mineral dan sisa yang mengandungi kekotoran toksik. Oleh itu, teknologi air pancut yang paling mudah tidak boleh berfungsi sebagai asas untuk pembangunan sumber geoterma yang meluas.

Menurut anggaran awal di wilayah Persekutuan Rusia, rizab air terma yang diramalkan dengan suhu 40-250 °C, kemasinan 35-200 g/l dan kedalaman sehingga 3000 m adalah 21-22 juta. m3/hari, yang bersamaan dengan pembakaran 30–40 juta tan air. .t. dalam tahun.

Cadangan rizab campuran wap-udara dengan suhu 150-250 °C di Semenanjung Kamchatka dan Kepulauan Kuril ialah 500 ribu m3/hari. dan rizab air terma dengan suhu 40-100 ° C - 150 ribu m3 / hari.

Rizab air terma dengan kadar aliran kira-kira 8 juta m3/hari, dengan kemasinan sehingga 10 g/l dan suhu melebihi 50 °C dianggap keutamaan utama untuk pembangunan.

Kepentingan yang lebih besar untuk tenaga masa depan ialah pengekstrakan tenaga haba, sumber petrogeoterma yang hampir tidak habis-habis. Tenaga geoterma ini, tertutup dalam batuan panas pepejal, adalah 99% daripada jumlah sumber tenaga haba bawah tanah. Pada kedalaman sehingga 4-6 km, jisim dengan suhu 300-400 °C boleh didapati hanya berhampiran ruang perantaraan beberapa gunung berapi, tetapi batuan panas dengan suhu 100-150 °C diedarkan hampir di mana-mana di kedalaman ini, dan dengan suhu 180-200 °C di sebahagian wilayah yang agak ketara di Rusia.

Selama berbilion tahun, nuklear, graviti dan proses lain di dalam Bumi telah menjana dan terus menjana tenaga haba. Sebahagian daripadanya dipancarkan ke angkasa lepas, dan haba terkumpul di kedalaman, i.e. kandungan haba fasa pepejal, cecair dan gas bahan daratan dipanggil tenaga geoterma.

Penjanaan berterusan haba antara bumi mengimbangi kerugian luarannya, berfungsi sebagai sumber pengumpulan tenaga geoterma dan menentukan bahagian sumbernya yang boleh diperbaharui. Jumlah penyingkiran haba dari pedalaman ke permukaan bumi adalah tiga kali lebih tinggi daripada kapasiti semasa loji janakuasa di dunia dan dianggarkan sebanyak 30 TW.

Walau bagaimanapun, adalah jelas bahawa kebolehbaharuan hanya penting untuk sumber semula jadi yang terhad, dan jumlah potensi tenaga geoterma boleh dikatakan tidak habis-habis, kerana ia harus ditakrifkan sebagai jumlah jumlah haba yang tersedia untuk Bumi.

Bukan kebetulan bahawa dalam beberapa dekad kebelakangan ini, dunia telah mempertimbangkan arah penggunaan tenaga haba Bumi yang lebih cekap untuk menggantikan sebahagian gas asli, minyak dan arang batu. Ini akan menjadi mungkin bukan sahaja di kawasan yang mempunyai parameter geoterma yang tinggi, tetapi juga di mana-mana kawasan di dunia apabila menggerudi suntikan dan telaga pengeluaran dan mewujudkan sistem peredaran di antara mereka.

Sudah tentu, dengan kekonduksian terma batu yang rendah, untuk operasi sistem peredaran yang berkesan, adalah perlu untuk mempunyai atau mencipta permukaan pertukaran haba yang cukup maju dalam zon pengekstrakan haba. Permukaan sedemikian sering dijumpai dalam formasi berliang dan zon rintangan patah semula jadi, yang sering dijumpai pada kedalaman di atas, kebolehtelapan yang memungkinkan untuk mengatur penapisan paksa penyejuk dengan pengekstrakan tenaga batu yang cekap, serta ciptaan tiruan permukaan pertukaran haba yang luas dalam jisim berliang telap rendah oleh keretakan hidraulik (lihat rajah).

Pada masa ini, keretakan hidraulik digunakan dalam industri minyak dan gas sebagai satu cara untuk meningkatkan kebolehtelapan takungan untuk meningkatkan pemulihan minyak dalam pembangunan medan minyak. Teknologi moden memungkinkan untuk mencipta retakan yang sempit tetapi panjang, atau yang pendek tetapi lebar. Contoh patah hidraulik dengan patah sehingga 2-3 km panjang diketahui.

Idea domestik untuk mengekstrak sumber geoterma utama yang terkandung dalam batuan pepejal telah dinyatakan seawal tahun 1914 oleh K.E. Obruchev.

Pada tahun 1963, GCC pertama telah dicipta di Paris untuk mengekstrak haba daripada batuan pembentukan berliang untuk pemanasan dan penghawa dingin di premis kompleks Broadcasting Chaos. Pada tahun 1985, 64 GCC telah beroperasi di Perancis dengan jumlah kapasiti haba 450 MW, dengan penjimatan tahunan kira-kira 150,000 tan minyak. Pada tahun yang sama, GCC pertama seperti itu dicipta di USSR di lembah Khankala berhampiran bandar Grozny.

Pada tahun 1977, menurut projek Makmal Kebangsaan Los Alamos Amerika Syarikat, ujian GCC eksperimen dengan keretakan hidraulik jisim hampir tidak telap bermula di tapak Fenton Hill di negeri New Mexico. Air tawar sejuk yang disuntik melalui telaga (injection) dipanaskan akibat pertukaran haba dengan jisim batuan (185 OC) dalam rekahan menegak seluas 8000 m2, dibentuk oleh rekahan hidraulik pada kedalaman 2.7 km. Dalam perigi lain (pengeluaran), juga melintasi retakan ini, air panas lampau datang ke permukaan dalam bentuk pancutan wap. Apabila beredar dalam litar tertutup di bawah tekanan, suhu air panas lampau di permukaan mencapai 160-180 °C, dan kuasa terma sistem - 4-5 MW. Kebocoran bahan pendingin ke dalam jisim sekeliling berjumlah kira-kira 1% daripada jumlah aliran. Kepekatan kekotoran mekanikal dan kimia (sehingga 0.2 g/l) sepadan dengan keadaan air minuman segar. Patah hidraulik tidak memerlukan penetapan dan disimpan terbuka oleh tekanan hidrostatik bendalir. Perolakan bebas yang berkembang di dalamnya memastikan penyertaan yang berkesan dalam pertukaran haba hampir keseluruhan permukaan singkapan jisim batu panas.

Pengekstrakan tenaga haba bawah tanah daripada batuan tak telap panas, berdasarkan kaedah penggerudian condong dan keretakan hidraulik yang telah dikuasai dan diamalkan dalam industri minyak dan gas untuk masa yang lama, tidak menyebabkan aktiviti seismik atau sebarang kesan berbahaya yang lain pada persekitaran.

Pada tahun 1983, saintis British mengulangi pengalaman Amerika dengan mencipta GCC eksperimen dengan patah hidraulik granit di Carnwell. Kerja serupa telah dijalankan di Jerman, Sweden. Lebih daripada 224 projek pemanasan geoterma telah dilaksanakan di Amerika Syarikat. Walau bagaimanapun, diandaikan bahawa sumber geoterma boleh menyediakan sebahagian besar keperluan tenaga haba bukan elektrik masa depan AS. Di Jepun, kapasiti GeoTPP pada tahun 2000 mencapai kira-kira 50 GW.

Pada masa ini, penyelidikan dan penerokaan sumber geoterma dijalankan di 65 negara. Di dunia, berdasarkan tenaga geoterma, stesen dengan jumlah kapasiti kira-kira 10 GW telah dicipta. Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu secara aktif menyokong pembangunan tenaga geoterma.

Pengalaman yang terkumpul di banyak negara di dunia dalam penggunaan penyejuk geoterma menunjukkan bahawa dalam keadaan yang menggalakkan mereka adalah 2-5 kali lebih menguntungkan daripada loji kuasa haba dan nuklear. Pengiraan menunjukkan bahawa satu telaga geoterma boleh menggantikan 158 ribu tan arang batu setahun.

Oleh itu, haba Bumi mungkin satu-satunya sumber tenaga boleh diperbaharui utama, pembangunan rasional yang menjanjikan untuk mengurangkan kos tenaga berbanding tenaga bahan api moden. Dengan potensi tenaga yang tidak habis-habisnya, pemasangan solar dan termonuklear, malangnya, akan lebih mahal daripada yang sedia ada.

Walaupun sejarah perkembangan haba Bumi yang sangat panjang, teknologi geoterma hari ini masih belum mencapai perkembangannya yang tinggi. Pembangunan tenaga haba Bumi mengalami kesukaran yang besar dalam pembinaan telaga dalam, yang merupakan saluran untuk membawa penyejuk ke permukaan. Oleh kerana suhu tinggi di lubang bawah (200-250 °C), alat pemotong batu tradisional tidak sesuai untuk bekerja dalam keadaan sedemikian, terdapat keperluan khas untuk pilihan paip gerudi dan selongsong, buburan simen, teknologi penggerudian, selongsong telaga dan selesai. Peralatan pengukur domestik, kelengkapan operasi bersiri dan peralatan dihasilkan dalam reka bentuk yang membenarkan suhu tidak lebih tinggi daripada 150-200 ° C. Penggerudian telaga mekanikal dalam tradisional kadangkala tertangguh selama bertahun-tahun dan memerlukan kos kewangan yang besar. Dalam aset pengeluaran utama, kos telaga adalah dari 70 hingga 90%. Masalah ini boleh dan harus diselesaikan hanya dengan mencipta teknologi progresif untuk pembangunan bahagian utama sumber geoterma, i.e. pengekstrakan tenaga daripada batuan panas.

Kumpulan saintis dan pakar Rusia kami telah menangani masalah mengekstrak dan menggunakan tenaga haba dalam yang tidak habis-habis dan boleh diperbaharui dari batuan panas Bumi di wilayah Persekutuan Rusia selama lebih daripada satu tahun. Tujuan kerja ini adalah untuk mencipta, berdasarkan teknologi domestik, teknologi tinggi, cara teknikal untuk penembusan mendalam ke dalam perut kerak bumi. Pada masa ini, beberapa varian alat penggerudian (BS) telah dibangunkan, yang tidak mempunyai analog dalam amalan dunia.

Operasi versi pertama BS dikaitkan dengan teknologi penggerudian telaga konvensional semasa. Kelajuan penggerudian batu keras (ketumpatan purata 2500-3300 kg/m3) sehingga 30 m/j, diameter lubang 200-500 mm. Varian kedua BS melakukan penggerudian telaga dalam mod autonomi dan automatik. Pelancaran dijalankan dari platform pelancaran dan penerimaan khas, dari mana pergerakannya dikawal. Satu ribu meter BS dalam batuan keras akan dapat melepasi dalam beberapa jam. Diameter telaga dari 500 hingga 1000 mm. Varian BS boleh guna semula mempunyai keberkesanan kos yang hebat dan nilai potensi yang besar. Pengenalan BS ke dalam pengeluaran akan membuka peringkat baharu dalam pembinaan telaga dan menyediakan akses kepada sumber tenaga haba Bumi yang tidak habis-habis.

Untuk keperluan bekalan haba, kedalaman telaga yang diperlukan di seluruh negara terletak dalam julat sehingga 3-4.5 ribu meter dan tidak melebihi 5-6 ribu meter. Suhu pembawa haba untuk perumahan dan bekalan haba komunal tidak tidak melebihi 150 °C. Untuk kemudahan perindustrian, suhu, sebagai peraturan, tidak melebihi 180-200 °C.

Tujuan mewujudkan GCC adalah untuk menyediakan haba yang berterusan, berpatutan, murah ke kawasan terpencil, sukar dicapai dan belum dibangunkan di Persekutuan Rusia. Tempoh operasi GCS ialah 25-30 tahun atau lebih. Tempoh bayaran balik stesen (dengan mengambil kira teknologi penggerudian terkini) ialah 3-4 tahun.

Penciptaan di Persekutuan Rusia pada tahun-tahun akan datang kapasiti yang sesuai untuk penggunaan tenaga geoterma untuk keperluan bukan elektrik akan menggantikan kira-kira 600 juta tan bahan api yang setara. Penjimatan boleh sehingga 2 trilion rubel.

Sehingga 2030, ia menjadi mungkin untuk mencipta kapasiti tenaga untuk menggantikan tenaga api sehingga 30%, dan sehingga 2040 untuk hampir sepenuhnya menghapuskan bahan mentah organik sebagai bahan api daripada imbangan tenaga Persekutuan Rusia.

kesusasteraan

1. Goncharov S.A. Termodinamik. Moscow: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 hlm.

2. Dyadkin Yu.D. dll. Fizik terma geoterma. St Petersburg: Nauka, 1993. 255 hlm.

3. Pangkalan sumber mineral kompleks bahan api dan tenaga Rusia. Status dan prognosis / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko dan lain-lain Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004. 548 hlm.

4. Novikov G. P. et al. Telaga penggerudian untuk perairan terma. M.: Nedra, 1986. 229 hlm.

MEREKA. Kapitonov

Haba nuklear bumi

Panas bumi

Bumi adalah jasad yang agak panas dan merupakan sumber haba. Ia menjadi panas terutamanya disebabkan oleh sinaran suria yang diserapnya. Tetapi Bumi juga mempunyai sumber haba sendiri yang setanding dengan haba yang diterima daripada Matahari. Adalah dipercayai bahawa tenaga Bumi sendiri ini mempunyai asal-usul berikut. Bumi timbul kira-kira 4.5 bilion tahun yang lalu berikutan pembentukan Matahari daripada cakera habuk gas protoplanet yang berputar di sekelilingnya dan terkondensasi. Pada peringkat awal pembentukannya, bahan bumi telah dipanaskan kerana mampatan graviti yang agak perlahan. Peranan penting dalam keseimbangan haba Bumi juga dimainkan oleh tenaga yang dikeluarkan semasa kejatuhan jasad kosmik kecil di atasnya. Oleh itu, Bumi muda telah cair. Menyejukkan, ia beransur-ansur menjadi keadaan semasa dengan permukaan pepejal, sebahagian besar daripadanya dilitupi oleh lautan dan perairan laut. Lapisan luar yang keras ini dipanggil kerak bumi dan secara purata, di darat, ketebalannya adalah kira-kira 40 km, dan di bawah perairan lautan - 5-10 km. Lapisan bumi yang lebih dalam, dipanggil mantel juga terdiri daripada pepejal. Ia meluas hingga kedalaman hampir 3000 km dan mengandungi sebahagian besar jirim Bumi. Akhirnya, bahagian paling dalam Bumi adalah nukleus. Ia terdiri daripada dua lapisan - luaran dan dalaman. teras luar ini adalah lapisan besi cair dan nikel pada suhu 4500-6500 K dengan ketebalan 2000-2500 km. teras dalam dengan radius 1000-1500 km adalah aloi besi-nikel pepejal yang dipanaskan pada suhu 4000-5000 K dengan ketumpatan kira-kira 14 g / cm 3, yang timbul pada tekanan besar (hampir 4 juta bar).
Sebagai tambahan kepada haba dalaman Bumi, yang diwarisi dari peringkat panas terawal pembentukannya, dan jumlahnya akan berkurangan dengan masa, terdapat satu lagi - jangka panjang, dikaitkan dengan pereputan radioaktif nukleus dengan separuh panjang. -hidup - pertama sekali, 232 Th, 235 U , 238 U dan 40 K. Tenaga yang dibebaskan dalam pereputan ini - ia menyumbang hampir 99% daripada tenaga radioaktif bumi - sentiasa mengisi semula rizab haba Bumi. Nukleus di atas terkandung dalam kerak dan mantel. Pereputan mereka membawa kepada pemanasan kedua-dua lapisan luar dan dalam Bumi.
Sebahagian daripada haba besar yang terkandung di dalam Bumi sentiasa keluar ke permukaannya, selalunya dalam proses gunung berapi berskala sangat besar. Aliran haba yang mengalir dari kedalaman Bumi melalui permukaannya diketahui. Ia adalah (47±2)·10 12 watt, yang bersamaan dengan haba yang boleh dijana oleh 50 ribu loji kuasa nuklear (purata kuasa satu loji kuasa nuklear ialah kira-kira 10 9 watt). Persoalan timbul sama ada tenaga radioaktif memainkan peranan penting dalam jumlah belanjawan haba Bumi, dan jika ya, apakah peranannya? Jawapan kepada soalan-soalan ini kekal tidak diketahui untuk masa yang lama. Sekarang ada peluang untuk menjawab soalan-soalan ini. Peranan utama di sini adalah milik neutrino (antineutrinos), yang dilahirkan dalam proses pereputan radioaktif nukleus yang membentuk jirim Bumi dan yang dipanggil geo-neutrino.

Geo-neutrino

Geo-neutrino ialah nama gabungan untuk neutrino atau antineutrino, yang dipancarkan hasil daripada pereputan beta nukleus yang terletak di bawah permukaan bumi. Jelas sekali, disebabkan oleh keupayaan penembusan yang belum pernah berlaku sebelum ini, pendaftaran ini (dan hanya mereka) oleh pengesan neutrino berasaskan tanah boleh memberikan maklumat objektif tentang proses pereputan radioaktif yang berlaku jauh di dalam Bumi. Contoh pereputan sedemikian ialah pereputan β bagi nukleus 228 Ra, yang merupakan hasil daripada pereputan α nukleus 232 Th yang berumur panjang (lihat jadual):

Separuh hayat (T 1/2) nukleus 228 Ra ialah 5.75 tahun, dan tenaga yang dibebaskan adalah kira-kira 46 keV. Spektrum tenaga antineutrino adalah berterusan dengan had atas yang hampir dengan tenaga yang dibebaskan.
Pereputan nukleus 232 Th, 235 U, 238 U adalah rantaian pereputan berturut-turut yang membentuk apa yang dipanggil siri radioaktif. Dalam rantaian sedemikian, pereputan α diselang-seli dengan pereputan β −, kerana dalam pereputan α nukleus akhir bertukar daripada garis kestabilan β ke kawasan nukleus yang terlebih beban dengan neutron. Selepas rantaian pereputan berturut-turut pada penghujung setiap baris, nukleus stabil terbentuk dengan bilangan proton dan neutron hampir atau sama dengan nombor ajaib (Z = 82,N= 126). Nukleus akhir tersebut adalah isotop stabil plumbum atau bismut. Oleh itu, pereputan T 1/2 berakhir dengan pembentukan nukleus ajaib berganda 208 Pb, dan pada laluan 232 Th → 208 Pb, enam pereputan α berlaku, berselang seli dengan empat β - pereputan (dalam rantai 238 U → 206 Pb, lapan α- dan enam β - - pereputan; terdapat tujuh pereputan α- dan empat β − dalam rantai 235 U → 207 Pb). Oleh itu, spektrum tenaga antineutrino daripada setiap siri radioaktif ialah superposisi spektrum separa daripada pereputan β - individu yang membentuk siri ini. Spektrum antineutrino yang dihasilkan dalam 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K pereputan ditunjukkan dalam Rajah. 1. Pereputan 40 K ialah pereputan β − tunggal (lihat jadual). Antineutrino mencapai tenaga tertinggi mereka (sehingga 3.26 MeV) dalam pereputan
214 Bi → 214 Po, iaitu pautan dalam siri radioaktif 238 U. Jumlah tenaga yang dibebaskan semasa laluan semua pautan pereputan dalam siri 232 Th → 208 Pb ialah 42.65 MeV. Untuk siri radioaktif 235 U dan 238 U, tenaga ini masing-masing ialah 46.39 dan 51.69 MeV. Tenaga yang dibebaskan dalam pereputan
40 K → 40 Ca ialah 1.31 MeV.

Ciri-ciri nukleus 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Nukleus	Kongsi dalam % dalam campuran isotop	Bilangan teras mengaitkan. Si nukleus	T 1/2 bilion tahun
ke-232	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

Anggaran fluks geo-neutrino, yang dibuat berdasarkan pereputan nukleus 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K yang terkandung dalam komposisi jirim Bumi, membawa kepada nilai susunan 10 6 cm -2 saat -1 . Dengan mendaftarkan geo-neutrino ini, seseorang boleh mendapatkan maklumat tentang peranan haba radioaktif dalam jumlah keseimbangan haba Bumi dan menguji idea kita tentang kandungan radioisotop yang berumur panjang dalam jirim daratan.

nasi. 1. Spektrum tenaga antineutrino daripada pereputan nuklear

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K dinormalkan kepada satu pereputan nukleus induk

Tindak balas digunakan untuk mendaftarkan antineutrino elektron

P → e ++ n, (1)

di mana zarah ini sebenarnya ditemui. Ambang untuk tindak balas ini ialah 1.8 MeV. Oleh itu, hanya geo-neutrino yang terbentuk dalam rantaian pereputan bermula dari nukleus 232 Th dan 238 U boleh didaftarkan dalam tindak balas di atas. Keratan rentas berkesan bagi tindak balas yang dibincangkan adalah sangat kecil: σ ≈ 10 -43 cm 2. Oleh itu, pengesan neutrino dengan isipadu sensitif 1 m 3 akan mendaftar tidak lebih daripada beberapa peristiwa setahun. Jelas sekali, untuk penetapan aliran geo-neutrino yang boleh dipercayai, pengesan neutrino volum besar diperlukan, terletak di makmal bawah tanah untuk perlindungan maksimum dari latar belakang. Idea untuk menggunakan pengesan yang direka untuk mengkaji neutrino suria dan reaktor untuk pendaftaran geo-neutrino timbul pada tahun 1998. Pada masa ini, terdapat dua pengesan neutrino isipadu besar menggunakan scintillator cecair dan sesuai untuk menyelesaikan masalah. Ini ialah pengesan neutrino bagi eksperimen KamLAND (Jepun, ) dan Borexino (Itali, ). Di bawah ini kami mempertimbangkan peranti pengesan Borexino dan keputusan yang diperoleh pada pengesan ini pada pendaftaran geo-neutrino.

Pengesan Borexino dan pendaftaran geo-neutrino

Pengesan neutrino Borexino terletak di tengah Itali dalam makmal bawah tanah di bawah banjaran gunung Gran Sasso, yang puncak gunungnya mencapai 2.9 km (Rajah 2).

nasi. Rajah 2. Gambar rajah lokasi makmal neutrino di bawah banjaran gunung Gran Sasso (tengah Itali)

Borexino ialah pengesan masif tidak bersegmen yang medium aktifnya
280 tan scintillator cecair organik. Ia mengisi bekas sfera nilon berdiameter 8.5 m (Rajah 3). Sintilator itu adalah pseudocumene (C 9 H 12) dengan bahan tambahan PPO yang boleh beralih spektrum (1.5 g/l). Cahaya daripada scintillator dikumpul oleh 2212 lapan-inci photomultipliers (PMT) diletakkan pada sfera keluli tahan karat (SSS).

nasi. 3. Skim peranti pengesan Borexino

Sebuah kapal nilon dengan pseudocumene ialah pengesan dalaman yang tugasnya adalah untuk mendaftarkan neutrino (antineutrino). Pengesan dalam dikelilingi oleh dua zon penampan sepusat yang melindunginya daripada sinar gamma luaran dan neutron. Zon dalam diisi dengan medium tidak berkilauan yang terdiri daripada 900 tan pseudocumene dengan aditif dimetil ftalat untuk memadamkan kilauan. Zon luar terletak di atas SNS dan merupakan pengesan air Cherenkov yang mengandungi 2000 tan air ultratulen dan memotong isyarat daripada muon yang memasuki kemudahan dari luar. Bagi setiap interaksi yang berlaku dalam pengesan dalaman, tenaga dan masa ditentukan. Penentukuran pengesan menggunakan pelbagai sumber radioaktif memungkinkan untuk menentukan skala tenaga dan tahap kebolehulangan isyarat cahaya dengan sangat tepat.
Borexino ialah pengesan ketulenan sinaran yang sangat tinggi. Semua bahan telah dipilih dengan teliti, dan scintillator telah dibersihkan untuk meminimumkan latar belakang dalaman. Kerana ketulenan sinaran yang tinggi, Borexino adalah pengesan yang sangat baik untuk mengesan antineutrino.
Dalam tindak balas (1), positron memberikan isyarat serta-merta, yang selepas beberapa lama diikuti oleh penangkapan neutron oleh nukleus hidrogen, yang membawa kepada kemunculan γ-kuantum dengan tenaga 2.22 MeV, yang mencipta isyarat tertunda berbanding yang pertama. Dalam Borexino, masa penangkapan neutron adalah kira-kira 260 μs. Isyarat serta-merta dan tertunda dikaitkan dalam ruang dan masa, memberikan pengiktirafan tepat tentang peristiwa yang disebabkan oleh e .
Ambang untuk tindak balas (1) ialah 1.806 MeV dan, seperti yang boleh dilihat daripada Rajah. 1, semua geo-neutrino daripada pereputan 40 K dan 235 U berada di bawah ambang ini, dan hanya sebahagian daripada geo-neutrino yang berasal dari pereputan 232 Th dan 238 U boleh dikesan.
Pengesan Borexino mula-mula mengesan isyarat daripada geo-neutrino pada 2010 dan baru-baru ini menerbitkan keputusan baharu berdasarkan pemerhatian selama 2056 hari dari Disember 2007 hingga Mac 2015. Di bawah ini kami membentangkan data yang diperoleh dan hasil perbincangan mereka, berdasarkan artikel.
Hasil daripada analisis data eksperimen, 77 calon antineutrino elektron yang melepasi semua kriteria pemilihan telah dikenal pasti. Latar belakang daripada peristiwa simulasi e dianggarkan oleh . Oleh itu, nisbah isyarat/latar belakang ialah ≈100.
Sumber latar belakang utama ialah antineutrino reaktor. Bagi Borexino, keadaannya agak menggalakkan, kerana tidak ada reaktor nuklear berhampiran makmal Gran Sasso. Di samping itu, antineutrino reaktor lebih bertenaga daripada geo-neutrino, yang memungkinkan untuk memisahkan antineutrino ini daripada positron dengan kekuatan isyarat. Keputusan analisis sumbangan geo-neutrino dan antineutrino reaktor kepada jumlah kejadian yang direkodkan daripada e ditunjukkan dalam Rajah. 4. Bilangan geo-neutrino berdaftar yang diberikan oleh analisis ini (kawasan berlorek sepadan dengannya dalam Rajah 4) adalah sama dengan . Dalam spektrum geo-neutrino yang diekstrak sebagai hasil analisis, dua kumpulan kelihatan - kurang bertenaga, lebih sengit dan lebih bertenaga, kurang sengit. Pengarang kajian yang diterangkan mengaitkan kumpulan ini dengan pereputan torium dan uranium, masing-masing.
Dalam analisis yang dibincangkan, kami menggunakan nisbah jisim torium dan uranium dalam perkara Bumi.
m(Th)/m(U) = 3.9 (dalam jadual nilai ini ialah ≈3.8). Angka ini mencerminkan kandungan relatif unsur kimia ini dalam kondrit - kumpulan meteorit yang paling biasa (lebih daripada 90% meteorit yang jatuh ke Bumi tergolong dalam kumpulan ini). Adalah dipercayai bahawa komposisi kondrit, kecuali gas ringan (hidrogen dan helium), mengulangi komposisi sistem suria dan cakera protoplanet dari mana Bumi terbentuk.

nasi. Rajah 4. Spektrum keluaran cahaya daripada positron dalam unit bilangan fotoelektron untuk acara calon antineutrino (titik eksperimen). Kawasan berlorek adalah sumbangan geo-neutrino. Garis pepejal adalah sumbangan antineutrino reaktor.