Doktor Sains Teknikal N.A. Saya benci, profesor,
ahli akademik Akademi Rusia sains teknologi, Moscow

DALAM dekad lepas dunia sedang mempertimbangkan arah penggunaan tenaga haba bumi yang lebih cekap dengan tujuan 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 glob apabila menggerudi suntikan dan telaga pengeluaran dan mewujudkan sistem peredaran di antara mereka.

Minat yang semakin meningkat dalam sumber tenaga alternatif di dunia dalam beberapa dekad kebelakangan ini disebabkan oleh penyusutan rizab bahan api hidrokarbon dan keperluan untuk menyelesaikan beberapa masalah alam sekitar. Faktor objektif (bahan api fosil dan rizab uranium, serta perubahan dalam persekitaran yang disebabkan oleh kebakaran tradisional dan tenaga nuklear) mencadangkan 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. Kehangatan Bumi menduduki salah satu tempat pertama di antara mereka.

Sumber tenaga geoterma dibahagikan kepada hidrogeologi dan petrogeoterma. Yang pertama daripada mereka diwakili oleh penyejuk (ia hanya membentuk 1% daripada sumber yang dikongsi tenaga geoterma) - campuran air bawah tanah, wap dan air wap. Yang terakhir mewakili tenaga geoterma yang terkandung dalam panas batu Oh.

Teknologi air pancut (aliran sendiri) yang digunakan di negara kita dan di luar negara untuk pengekstrakan wap semula jadi dan perairan geoterma adalah mudah, tetapi tidak berkesan. Dengan kadar aliran rendah telaga mengalir sendiri, pengeluaran habanya boleh menampung kos penggerudian hanya jika kedalaman 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 takungan wap semula jadi yang cetek, pembinaan loji kuasa geoterma adalah pilihan yang paling menguntungkan untuk menggunakan tenaga geoterma. Operasi loji janakuasa geoterma tersebut telah menunjukkan daya saingnya berbanding loji janakuasa jenis lain. Oleh itu, penggunaan rizab perairan geoterma dan wap hidroterma di negara kita di Semenanjung Kamchatka dan di pulau-pulau rabung Kuril, di kawasan Caucasus Utara, dan juga mungkin di kawasan lain adalah dinasihatkan dan tepat pada masanya. Tetapi deposit wap jarang berlaku; Mendapan air tenaga haba yang lebih biasa tidak selalu terletak cukup dekat dengan pengguna - objek bekalan haba. Ini tidak termasuk kemungkinan penggunaan berkesan mereka secara besar-besaran.

Selalunya, isu memerangi deposit garam berkembang menjadi masalah yang kompleks. Penggunaan sumber panas bumi, biasanya bermineral, sebagai penyejuk membawa kepada pertumbuhan terlalu banyak zon telaga dengan oksida besi, kalsium karbonat dan pembentukan silikat. Di samping itu, masalah hakisan-karat dan mendapan skala menjejaskan operasi peralatan secara negatif. Masalahnya juga menjadi pembuangan air sisa bermineral yang mengandungi kekotoran toksik. Oleh itu, teknologi air pancut yang paling mudah tidak boleh berfungsi sebagai asas untuk pembangunan sumber geoterma yang meluas.

Mengikut anggaran awal di wilayah itu Persekutuan Rusia Rizab ramalan air terma 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 setara bahan api. setiap tahun.

Rizab ramalan 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.

Keutamaan pembangunan dianggap sebagai rizab air terma dengan kadar aliran kira-kira 8 juta m3/hari, dengan kemasinan sehingga 10 g/l dan suhu melebihi 50 °C.

Kepentingan yang lebih besar bagi sektor tenaga masa hadapan ialah pengekstrakan tenaga haba, sumber petrogeoterma yang hampir tidak habis-habis. Tenaga geoterma ini, yang terkandung dalam batuan panas pepejal, menyumbang 99% daripada jumlah sumber tenaga haba bawah tanah. Pada kedalaman 4-6 km, jisim dengan suhu 300-400 °C hanya boleh ditemui berhampiran pusat 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 besar wilayah Rusia.

Selama berbilion tahun, nuklear, graviti dan proses lain di dalam Bumi telah menjana dan menjana tenaga haba. Sebahagian daripadanya dipancarkan ke angkasa lepas, dan haba terkumpul di kedalaman, i.e. Kandungan haba fasa pepejal, cecair dan gas bagi jirim bumi 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 pemindahan haba dari tanah bawah ke permukaan bumi adalah tiga kali ganda lebih tinggi daripada kapasiti semasa loji janakuasa di dunia dan dianggarkan sebanyak 30 TW.

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

Bukan kebetulan bahawa dalam beberapa dekad kebelakangan ini, dunia telah mempertimbangkan arah penggunaan tenaga haba bumi yang lebih cekap dengan tujuan 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 cekap adalah perlu untuk mempunyai atau mencipta permukaan pertukaran haba yang cukup maju di zon pengekstrakan haba. Lapisan berliang dan zon rintangan patah semula jadi, yang sering dijumpai pada kedalaman di atas, mempunyai permukaan sedemikian, kebolehtelapan yang memungkinkan untuk mengatur penapisan paksa penyejuk dengan pengekstrakan tenaga yang berkesan daripada batu, serta ciptaan buatan permukaan pertukaran haba yang luas dalam jisim berliang kebolehtelapan rendah menggunakan kaedah patah hidraulik (lihat rajah).

Pada masa ini, keretakan hidraulik digunakan dalam industri minyak dan gas sebagai satu cara untuk meningkatkan kebolehtelapan formasi untuk meningkatkan pemulihan minyak semasa pembangunan medan minyak. Teknologi moden membolehkan anda membuat retakan sempit tetapi panjang, atau retakan pendek tetapi lebar. Terdapat contoh keretakan hidraulik yang diketahui dengan rekahan sehingga 2-3 km panjang.

Idea domestik untuk mengekstrak sumber geoterma utama yang terkandung dalam batuan pepejal telah dinyatakan pada tahun 1914 oleh K.E. Tsiolkovsky, dan pada tahun 1920 sistem peredaran panas bumi (GCS) dalam jisim granit panas telah diterangkan oleh V.A. Obruchev.

Pada tahun 1963, GCS pertama dicipta di Paris untuk mengekstrak haba daripada batu berliang untuk pemanasan dan penghawa dingin di premis kompleks Broadcasting Chaos. Pada tahun 1985, sudah ada 64 GCS beroperasi di Perancis dengan jumlah kapasiti haba 450 MW dengan penjimatan tahunan kira-kira 150 ribu tan minyak. Pada tahun yang sama, GVC serupa pertama telah dicipta di USSR di Lembah Khankala berhampiran bandar Grozny.

Pada tahun 1977, di bawah projek Makmal Kebangsaan Los Alamos di Amerika Syarikat, ujian GVC eksperimen dengan keretakan hidraulik jisim hampir tidak telap bermula di tapak Fenton Hill di New Mexico. Disuntik melalui perigi (suntikan) sejuk air tawar telah dipanaskan kerana pertukaran haba dengan jisim batu (185 OS) dalam retak menegak dengan keluasan 8000 m2, dibentuk oleh keretakan hidraulik pada kedalaman 2.7 km. Melalui telaga lain (pengeluaran), juga melintasi retakan ini, air panas lampau datang ke permukaan dalam bentuk pancutan wap. Apabila beredar masuk gelung tertutup di bawah tekanan, suhu air panas lampau di permukaan mencapai 160-180 °C, dan kuasa terma sistem ialah 4-5 MW. Kebocoran bahan penyejuk ke dalam jisim sekeliling menyumbang kira-kira 1% daripada jumlah kadar aliran. Kepekatan kekotoran mekanikal dan kimia (sehingga 0.2 g/l) sepadan dengan keadaan air minuman segar. Patah hidraulik tidak memerlukan sokongan dan dikekalkan terbuka oleh tekanan bendalir hidrostatik. Perolakan bebas yang berkembang di dalamnya memastikan penyertaan berkesan dalam pertukaran haba hampir keseluruhan permukaan singkapan jisim batu panas.

Pengekstrakan tenaga haba bawah tanah daripada batuan tak telap panas berdasarkan kaedah penggerudian berarah dan keretakan hidraulik yang dibangunkan dan lama diamalkan dalam industri minyak dan gas tidak menyebabkan aktiviti seismik, mahupun yang lain kesan berbahaya pada alam sekitar.

Pada tahun 1983, saintis Inggeris mengulangi pengalaman Amerika dengan mencipta GCS eksperimen dengan patah hidraulik granit di Carnwell. Kerja serupa telah dijalankan di Jerman dan Sweden. Terdapat lebih daripada 224 projek pemanasan geoterma di Amerika Syarikat. Diandaikan bahawa sumber geoterma boleh menyediakan sebahagian besar keperluan masa depan AS untuk tenaga haba untuk keperluan bukan elektrik. Di Jepun, kapasiti loji kuasa geoterma pada tahun 2000 mencapai kira-kira 50 GW.

Pada masa ini, penyelidikan dan penerokaan sumber geoterma dijalankan di 65 negara. Di dunia, stesen dengan jumlah kapasiti kira-kira 10 GW telah dicipta berdasarkan tenaga geoterma. PBB menyediakan sokongan aktif untuk pembangunan tenaga geoterma.

Pengalaman yang diperoleh di banyak negara di seluruh 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 yang besar, 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 yang sangat panjang memanfaatkan haba Bumi, hari ini teknologi geoterma masih belum mencapai perkembangannya yang tinggi. Pembangunan tenaga haba Bumi mengalami kesukaran yang besar semasa pembinaan telaga dalam, yang merupakan saluran untuk membawa bahan penyejuk ke permukaan. Oleh kerana suhu tinggi di bahagian bawah (200-250 °C), alat pemotong batu tradisional tidak sesuai untuk bekerja dalam keadaan sedemikian, keperluan khas dikenakan pada pemilihan paip penggerudian dan selongsong, buburan simen, teknologi penggerudian, selongsong dan penyiapan; telaga. Peralatan pengukur domestik, kelengkapan operasi bersiri dan peralatan dihasilkan dalam versi yang membenarkan suhu tidak lebih tinggi daripada 150-200 °C. Penggerudian telaga mekanikal dalam tradisional kadang-kadang mengambil masa bertahun-tahun dan memerlukan ketara kos kewangan. Dalam aset pengeluaran tetap, kos telaga berkisar antara 70 hingga 90%. Masalah ini boleh dan harus diselesaikan hanya dengan mencipta teknologi progresif untuk membangunkan bahagian utama sumber geoterma, i.e. mengekstrak 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 bertahun-tahun. Matlamat kerja adalah untuk mencipta, berdasarkan domestik, teknologi tinggi cara teknikal untuk penembusan mendalam ke dalam kedalaman kerak bumi. Pada masa ini, beberapa varian pemasangan penggerudian (DS) telah dibangunkan, yang tidak mempunyai analog dalam amalan dunia.

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

Untuk keperluan bekalan haba, kedalaman telaga yang diperlukan di seluruh negara berkisar antara 3-4.5 ribu m dan tidak melebihi 5-6 ribu m Suhu penyejuk untuk perumahan dan bekalan haba komunal tidak melebihi 150 °C. Untuk kemudahan industri suhu, sebagai peraturan, tidak melebihi 180-200 °C.

Tujuan mewujudkan GCS adalah untuk menyediakan haba yang malar, boleh diakses, 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 (termasuk teknologi terkini penggerudian) - 3-4 tahun.

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

Menjelang 2030, adalah mungkin untuk mencipta kapasiti tenaga untuk menggantikan tenaga api sehingga 30%, dan menjelang 2040, hampir sepenuhnya menghapuskan bahan mentah organik sebagai bahan api daripada keseimbangan tenaga Persekutuan Rusia.

kesusasteraan

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

2. Dyadkin Yu.D. dan lain-lain termofizik geoterma. St Petersburg: Nauka, 1993. 255 hlm.

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

4. Novikov G.P. Menggerudi telaga perairan terma. M.: Nedra, 1986. 229 hlm.

Kehangatan Bumi. Sumber berkemungkinan kehangatan dalaman

Geothermy- sains yang mengkaji medan haba Bumi. Suhu purata permukaan bumi mempunyai kecenderungan umum untuk menurun. Tiga bilion tahun yang lalu suhu purata di permukaan bumi ialah 71 o, kini – 17 o. Sumber haba (termal ) Medan Bumi adalah proses dalaman dan luaran. Haba bumi disebabkan oleh sinaran matahari dan berasal dari perut planet ini. Magnitud kemasukan haba daripada kedua-dua sumber secara kuantitatif sangat tidak sama dan peranannya dalam kehidupan planet ini berbeza. Pemanasan suria Bumi menyumbang 99.5% daripada jumlah haba yang diterima oleh permukaannya, dan pemanasan dalaman menyumbang 0.5%. Di samping itu, kemasukan haba dalaman sangat tidak sekata di Bumi dan tertumpu terutamanya di tempat-tempat di mana gunung berapi berlaku.

Sumber luaran ialah sinaran suria. Separuh daripada tenaga matahari diserap oleh permukaan, tumbuh-tumbuhan dan lapisan bawah permukaan kerak bumi. Separuh lagi dipantulkan ke angkasa dunia. Sinaran suria mengekalkan suhu permukaan Bumi secara purata kira-kira 0 0 C. Matahari memanaskan lapisan hampir permukaan Bumi hingga kedalaman purata 8 - 30 m, dengan kedalaman purata 25 m, pengaruh haba suria terhenti dan suhu menjadi malar (lapisan neutral). Kedalaman ini adalah minimum di kawasan dengan iklim marin dan maksimum di kawasan Subpolar. Di bawah sempadan ini terdapat zon suhu malar yang sepadan dengan purata suhu tahunan kawasan itu. Sebagai contoh, di Moscow, di wilayah pertanian. Akademi dinamakan sempena Timiryazev, pada kedalaman 20 m, suhu sejak 1882 sentiasa kekal bersamaan dengan 4.2 o C. Di Paris, pada kedalaman 28 m, termometer secara konsisten menunjukkan 11.83 o C selama lebih daripada 100 tahun suhu malar adalah yang paling dalam di mana saka (permafrost. Di bawah zon suhu malar adalah zon geoterma, yang dicirikan oleh haba yang dihasilkan oleh Bumi itu sendiri.

Sumber dalaman adalah perut Bumi. Bumi memancarkan lebih banyak haba ke angkasa daripada yang diterima daripada Matahari. Sumber dalaman termasuk haba sisa dari masa planet itu cair, haba tindak balas termonuklear yang berlaku di dalam perut Bumi, haba mampatan graviti Bumi di bawah pengaruh graviti, haba tindak balas kimia dan proses penghabluran. , dsb. (contohnya, geseran pasang surut). Haba dari bahagian dalam datang terutamanya dari zon bergerak. Peningkatan suhu dengan kedalaman dikaitkan dengan kewujudan sumber dalaman haba - pereputan isotop radioaktif– U, Th, K, pembezaan graviti jirim, geseran pasang surut, redoks eksotermik tindak balas kimia, metamorfisme dan peralihan fasa. Kadar peningkatan suhu dengan kedalaman ditentukan oleh beberapa faktor - kekonduksian terma, kebolehtelapan batu, kedekatan sumber gunung berapi, dsb.

Di bawah tali pinggang suhu malar terdapat peningkatan suhu, secara purata 1 o setiap 33 m ( peringkat geoterma) atau 3 o setiap 100 m ( kecerunan geoterma). Nilai-nilai ini adalah penunjuk medan haba Bumi. Adalah jelas bahawa nilai-nilai ini adalah purata dan berbeza dalam magnitud pelbagai kawasan atau zon Bumi. Peringkat geoterma berbeza pada titik yang berbeza di Bumi. Sebagai contoh, di Moscow - 38.4 m, di Leningrad 19.6, di Arkhangelsk - 10. Jadi, apabila menggerudi telaga dalam di Semenanjung Kola pada kedalaman 12 km, suhu diandaikan 150 darjah, sebenarnya ia ternyata kira-kira 220 darjah. Apabila menggerudi telaga di wilayah Caspian utara pada kedalaman 3000 m, suhu diandaikan 150 o darjah, tetapi ternyata 108 o.

Perlu diingatkan bahawa ciri iklim kawasan dan purata suhu tahunan tidak menjejaskan perubahan nilai peringkat geoterma, sebabnya terletak pada perkara berikut:

1) dalam kekonduksian haba yang berbeza bagi batu yang membentuk kawasan tertentu. Ukuran kekonduksian terma ialah jumlah haba dalam kalori yang dipindahkan dalam 1 saat. Melalui keratan rentas 1 cm 2 dengan kecerunan suhu 1 o C;

2) dalam keradioaktifan batuan, semakin besar kekonduksian terma dan radioaktiviti, semakin rendah peringkat geoterma;

3) dalam keadaan yang berbeza kejadian batu dan umur gangguan kejadiannya; pemerhatian telah menunjukkan bahawa suhu meningkat lebih cepat dalam lapisan yang dikumpulkan dalam lipatan, ia sering mengandungi penyelewengan (retak), di mana akses haba dari kedalaman dipermudahkan;

4) watak air bawah tanah: aliran air bawah tanah yang panas memanaskan batu, yang sejuk menyejukkannya;

5) jarak dari lautan: berhampiran lautan kerana penyejukan batu oleh jisim air, langkah geoterma lebih besar, dan pada sentuhan ia kurang.

Pengetahuan nilai tertentu peringkat geoterma adalah amat penting secara praktikal.

1. Ini penting semasa mereka bentuk lombong. Dalam sesetengah kes, adalah perlu untuk mengambil langkah untuk menurunkan suhu secara buatan dalam kerja dalam (suhu - 50 o C adalah had untuk manusia di udara kering dan 40 o C dalam udara lembap); dalam yang lain, ia akan menjadi mungkin untuk menjalankan kerja dengan mendalam.

2. Nilai hebat mempunyai penilaian keadaan suhu semasa terowong di kawasan pergunungan.

3. Kajian tentang keadaan geoterma bahagian dalam Bumi memungkinkan penggunaan wap dan mata air panas yang muncul di permukaan Bumi. Haba bawah tanah digunakan, contohnya, di Itali, Iceland; Di Rusia, loji janakuasa industri eksperimen dibina menggunakan haba semula jadi di Kamchatka.

Menggunakan data tentang magnitud langkah geoterma, kita boleh membuat beberapa andaian tentang keadaan suhu zon dalam Bumi. Jika kita terima nilai purata peringkat geoterma selama 33 m dan andaikan suhu meningkat secara seragam dengan kedalaman, maka pada kedalaman 100 km akan terdapat suhu 3000 o C. Suhu ini melebihi takat lebur semua bahan yang diketahui di Bumi, oleh itu pada kedalaman ini terdapat mestilah jisim cair. Tetapi disebabkan tekanan yang sangat besar iaitu 31,000 atm. Jisim superheated tidak mempunyai ciri-ciri cecair, tetapi dikurniakan ciri-ciri pepejal.

Dengan kedalaman, peringkat geoterma nampaknya akan meningkat dengan ketara. Jika kita mengandaikan bahawa paras tidak berubah dengan kedalaman, maka suhu di tengah-tengah Bumi hendaklah kira-kira 200,000 o darjah, dan mengikut pengiraan ia tidak boleh melebihi 5,000 - 10,000 o.

Sumber utama tenaga haba Bumi ialah [, ]:

• haba pembezaan graviti;
• haba radiogenik;
• haba geseran pasang surut;
• haba pertambahan;
• haba geseran yang dibebaskan disebabkan oleh putaran pembezaan teras dalam berbanding teras luar, teras luar berbanding mantel dan lapisan individu dalam teras luar.

Sehingga kini, hanya empat sumber pertama telah dikira. Di negara kita, kredit utama untuk ini pergi kepada O.G. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov. Data di bawah terutamanya berdasarkan pengiraan saintis ini.

Haba pembezaan graviti Bumi

Salah satu corak terpenting dalam pembangunan Bumi ialah pembezaan kandungannya, yang berterusan hingga ke hari ini. Disebabkan pembezaan ini, pembentukan berlaku teras dan kerak, perubahan dalam komposisi primer mantel, sambil membahagikan bahan yang awalnya homogen kepada pecahan pelbagai kepadatan disertai dengan pelepasan tenaga haba, dan pelepasan haba maksimum berlaku apabila jirim bumi dibahagikan kepada teras padat dan berat dan baki lebih ringan cangkang silikat - mantel bumi. Pada masa ini, sebahagian besar haba ini dilepaskan di sempadan mantel - teras.

Tenaga pembezaan graviti Bumi sepanjang tempoh kewujudannya, ia menonjol - 1.46*10 38 erg (1.46*10 31 J). Tenaga ini untuk sebahagian besar mula-mula masuk ke tenaga kinetik arus perolakan jirim mantel, dan kemudian masuk hangat; bahagian lain dibelanjakan untuk tambahan mampatan bahagian dalam bumi, timbul akibat kepekatan fasa padat di bahagian tengah Bumi. daripada 1.46*10 38 erg tenaga pembezaan graviti Bumi masuk ke pemampatan tambahannya 0.23*10 38 erg (0.23*10 31 J), dan dibebaskan dalam bentuk haba 1.23*10 38 erg (1.23*10 31 J). Magnitud komponen haba ini dengan ketara melebihi jumlah pelepasan semua jenis tenaga lain di Bumi. Pengagihan masa jumlah nilai dan kadar pelepasan komponen haba tenaga graviti ditunjukkan dalam Rajah. 3.6 .

nasi. 3.6.

Tahap moden penjanaan haba semasa pembezaan graviti Bumi - 3*10 20 erg/s (3*10 13 W), iaitu dari saiz moden aliran haba, melalui permukaan planet di ( 4.2-4.3)*10 20 erg/s ((4.2-4.3)*10 13 W), ialah ~ 70% .

Haba radiogenik

Disebabkan oleh pereputan radioaktif yang tidak stabil isotop. Yang paling intensif tenaga dan tahan lama ( dengan separuh hayat, bersesuaian dengan umur Bumi) adalah isotop 238U, 235 U, 232 Th Dan 40 K. Jumlah utama mereka tertumpu di kerak benua. Tahap generasi semasa haba radiogenik:

• oleh ahli geofizik Amerika V. Vaquier - 1.14*10 20 erg/s (1.14*10 13 W) ,
• oleh ahli geofizik Rusia O.G. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov - 1.26*10 20 erg/s(1.26*10 13 W) .

Ini adalah ~ 27-30% daripada aliran haba semasa.

Daripada jumlah haba pereputan radioaktif V 1.26*10 20 erg/s (1.26*10 13 W) V kerak bumi menonjol - 0.91*10 20 erg/s, dan dalam mantel - 0.35*10 20 erg/s. Ia berikutan bahawa bahagian haba radiogenik mantel tidak melebihi 10% daripada jumlah kehilangan haba moden Bumi, dan ia tidak boleh menjadi sumber tenaga utama untuk proses tektono-magmatik aktif, yang kedalamannya boleh mencapai 2900 km; dan haba radiogenik yang dibebaskan dalam kerak hilang secara relatif cepat melalui permukaan bumi dan praktikalnya tidak mengambil bahagian dalam memanaskan bahagian dalam planet ini.

Pada zaman geologi yang lalu, jumlah haba radiogenik yang dibebaskan dalam mantel mestilah lebih tinggi. Anggarannya pada masa pembentukan Bumi ( 4.6 bilion tahun dahulu) memberi - 6.95*10 20 erg/s. Sejak masa ini, terdapat penurunan yang berterusan dalam kadar pelepasan tenaga radiogenik (Rajah 1). 3.7 ).

Sepanjang masa di Bumi, ia telah dikeluarkan ~4.27*10 37 erg(4.27*10 30 J) tenaga haba pereputan radioaktif, yang hampir tiga kali lebih rendah daripada jumlah haba pembezaan graviti.

Haba Geseran Pasang Surut

Ia menonjol semasa interaksi graviti Bumi terutamanya dengan Bulan, sebagai besar terdekat badan kosmik. Disebabkan tarikan graviti bersama, ubah bentuk pasang surut timbul dalam badan mereka - bengkak atau bonggol. Bonggol pasang surut planet, dengan tarikan tambahan mereka, mempengaruhi pergerakan mereka. Oleh itu, tarikan kedua-dua bonggol pasang surut Bumi mewujudkan sepasang daya yang bertindak di Bumi sendiri dan di Bulan. Walau bagaimanapun, pengaruh bengkak hampir, menghadap Bulan, agak lebih kuat daripada pengaruh jauh. Disebabkan fakta itu halaju sudut putaran Bumi moden (7.27*10 -5 s -1) melebihi kelajuan orbit Bulan ( 2.66*10 -6 s -1), dan bahan planet tidak elastik, maka bonggol pasang surut Bumi seolah-olah terbawa-bawa oleh putaran ke hadapan dan dengan ketara memajukan pergerakan Bulan. Ini membawa kepada fakta bahawa pasang surut maksimum Tanah sentiasa tiba di permukaannya lewat sedikit daripada masa ini klimaks Bulan, dan momen daya tambahan bertindak ke atas Bumi dan Bulan (Gamb. 3.8 ) .

Nilai mutlak Kuasa-kuasa interaksi pasang surut dalam sistem Bumi-Bulan kini agak kecil dan ubah bentuk pasang surut litosfera yang disebabkan olehnya boleh mencapai hanya beberapa puluh sentimeter, tetapi ia membawa kepada kelembapan beransur-ansur putaran Bumi dan, sebaliknya, kepada pecutan pergerakan orbit Bulan dan jaraknya dari Bumi. Tenaga kinetik pergerakan bonggol pasang surut bumi bertukar menjadi tenaga haba akibat geseran dalaman bahan dalam bonggol pasang surut.

Pada masa ini, kadar pelepasan tenaga pasang surut adalah G. MacDonald berjumlah ~0.25*10 20 erg/s (0.25*10 13 W), manakala bahagian utamanya (kira-kira 2/3) mungkin meresap(melesap) dalam hidrosfera. Akibatnya, pecahan tenaga pasang surut yang disebabkan oleh interaksi Bumi dengan Bulan dan terlesap dalam bumi pepejal(terutamanya dalam astenosfera), tidak melebihi 2 % jumlah tenaga haba yang dijana dalam kedalamannya; dan bahagian pasang surut matahari tidak melebihi 20 % daripada kesan pasang surut bulan. Oleh itu, air pasang padu kini hampir tidak memainkan peranan dalam memberi tenaga kepada proses tektonik, tetapi dalam dalam beberapa kes boleh bertindak sebagai "cetusan", seperti gempa bumi.

Jumlah tenaga pasang surut secara langsung berkaitan dengan jarak antara objek angkasa. Dan jika jarak antara Bumi dan Matahari tidak menganggap sebarang perubahan ketara pada skala masa geologi, maka dalam sistem Bumi-Bulan parameter ini adalah nilai pembolehubah. Terlepas dari idea mengenainya, hampir semua penyelidik mengakui bahawa pada peringkat awal pembangunan Bumi, jarak ke Bulan jauh lebih rendah daripada hari ini, tetapi dalam proses pembangunan planet, menurut kebanyakan saintis, ia secara beransur-ansur meningkat, dan Yu.N. Avsyuku jarak ini mengalami perubahan jangka panjang dalam bentuk kitaran "datang dan pergi" Bulan. Berikutan daripada ini bahawa pada zaman geologi yang lalu peranan haba pasang surut dalam keseimbangan haba keseluruhan Bumi adalah lebih penting. Secara umum, sepanjang tempoh pembangunan Bumi, ia telah berkembang ~3.3*10 37 erg (3.3*10 30 J) tenaga haba pasang surut (ini tertakluk kepada penyingkiran berturut-turut Bulan dari Bumi). Perubahan dalam kadar pelepasan haba ini dari semasa ke semasa ditunjukkan dalam Rajah. 3.10 .

Lebih separuh daripada jumlah tenaga pasang surut telah dikeluarkan catarchaea (sial)) - 4.6-4.0 bilion tahun yang lalu, dan pada masa itu hanya disebabkan tenaga ini, Bumi juga boleh memanaskan badan sebanyak ~500 0 C. Bermula dari Archean lewat, pasang surut bulan hanya mempunyai pengaruh yang kecil terhadap pembangunan. proses endogen intensif tenaga .

Haba pertambahan

Ini adalah haba yang dikekalkan oleh Bumi sejak pembentukannya. Sedang berlangsung pertambahan, yang berlangsung selama beberapa puluh juta tahun, terima kasih kepada perlanggaran itu planetesimal Bumi mengalami pemanasan yang ketara. Walau bagaimanapun, tiada konsensus mengenai magnitud pemanasan ini. Pada masa ini, penyelidik cenderung untuk mempercayai bahawa semasa proses pertambahan Bumi mengalami, jika tidak lengkap, maka lebur separa yang ketara, yang membawa kepada pembezaan awal Proto-Bumi menjadi teras besi berat dan mantel silikat ringan, dan pembentukan itu "lautan magma" pada permukaannya atau pada kedalaman cetek. Walaupun sebelum tahun 1990-an, model Bumi primer yang agak sejuk, yang secara beransur-ansur menjadi panas disebabkan oleh proses di atas, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga haba, dianggap hampir diterima secara universal.

Penilaian yang tepat terhadap haba pertambahan primer dan pecahannya yang dikekalkan sehingga hari ini dikaitkan dengan kesukaran yang ketara. Oleh O.G. Sorokhtin Dan S.A. Ushakov, yang merupakan penyokong Bumi primer yang agak sejuk, jumlah tenaga pertambahan yang ditukar kepada haba ialah - 20.13*10 38 erg (20.13*10 31 J). Tenaga ini, jika tiada kehilangan haba, akan mencukupi untuk penyejatan lengkap perkara duniawi, kerana suhu boleh meningkat kepada 30 000 0 С. Tetapi proses pertambahan adalah agak panjang, dan tenaga kesan planetesimal dikeluarkan hanya pada lapisan berhampiran permukaan Bumi yang semakin meningkat dan cepat hilang dengan sinaran terma, jadi pemanasan awal planet tidak bagus. Magnitud sinaran haba ini, yang berlaku selari dengan pembentukan (pertambahan) Bumi, dianggarkan oleh pengarang ini sebagai 19.4*10 38 erg (19.4*10 31 J) .

Dalam moden keseimbangan tenaga Di Bumi, haba pertambahan kemungkinan besar memainkan peranan kecil.

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

Sumber terhad bahan mentah tenaga fosil

Permintaan untuk bahan mentah tenaga organik sangat besar di negara-negara perindustrian dan membangun (AS, Jepun, negara-negara Eropah bersatu, China, India, dll.). Pada masa yang sama, sumber hidrokarbon negara ini sama ada tidak mencukupi atau terpelihara, dan sebuah negara, contohnya 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 setakat ini berpuas hati dengan kemungkinan menggunakan sumber semula jadi. Walau bagaimanapun, pengekstrakan bahan mentah hidrokarbon fosil daripada tanah bawah adalah sangat dengan pantas. Jika pada tahun 1940–1960an. Kawasan penghasil minyak utama ialah "Baku Kedua" di rantau Volga dan Ural, kemudian, dari tahun 1970-an hingga sekarang, kawasan sedemikian adalah Siberia Barat. Tetapi di sini juga, terdapat penurunan ketara dalam pengeluaran hidrokarbon fosil. Era gas Cenomanian "kering" menjadi perkara yang sudah berlalu. Tahap pembangunan meluas pengeluaran gas asli sebelum ini telah berakhir. Pemulihannya daripada deposit gergasi seperti Medvezhye, Urengoyskoye dan Yamburgskoye masing-masing berjumlah 84, 65 dan 50%. Bahagian rizab minyak yang sesuai untuk pembangunan juga semakin berkurangan dari semasa ke semasa.

Disebabkan penggunaan aktif bahan api hidrokarbon, rizab minyak darat dan gas asli telah menurun dengan ketara. Kini rizab utama mereka tertumpu pada pelantar benua. Dan walaupun asas bahan mentah industri minyak dan gas masih mencukupi untuk pengeluaran minyak dan gas di Rusia di volum yang diperlukan, dalam masa terdekat ia akan dipastikan ke tahap yang semakin meningkat melalui pembangunan deposit dengan keadaan perlombongan dan geologi yang kompleks. 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 , yang bahagiannya dalam struktur bahan api ialah 64%.

Di Rusia, 70% tenaga elektrik dijana di loji kuasa haba. Syarikat tenaga negara setiap tahun membakar kira-kira 500 juta tan mis. t. untuk menjana 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. Namun begitu kuasa nuklear memerlukan keselamatan keselamatan alam sekitar(untuk mengelakkan pengulangan Chernobyl) dan melindunginya daripada kemungkinan tindakan pengganas, serta menjalankan penyahtauliahan yang selamat dan mahal bagi unit loji tenaga nuklear yang usang dan tamat tempoh. Rizab uranium yang boleh diperoleh semula di dunia adalah kira-kira 3 juta 400 ribu tan Sepanjang tempoh sebelumnya (sehingga 2007), kira-kira 2 juta tan telah dilombong.

RES sebagai masa depan tenaga global

Minat yang semakin meningkat dalam sumber tenaga boleh diperbaharui alternatif (RES) di dunia dalam beberapa dekad kebelakangan ini 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 dikaitkan dengan penggunaan api tradisional dan tenaga nuklear) dan trend pembangunan tenaga mencadangkan bahawa peralihan kepada kaedah dan bentuk pengeluaran tenaga baru tidak dapat dielakkan. Sudah pada separuh pertama abad ke-21. Akan ada peralihan lengkap atau hampir lengkap kepada sumber tenaga bukan tradisional.

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

Ekonomi dunia kini 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 tce. t., dan penggunaan tenaga menjelang 2025 mungkin meningkat kepada 30–38 bilion tce. t., mengikut ramalan, menjelang 2050 penggunaan boleh mencapai 60 bilion tce. t. Trend ciri dalam pembangunan ekonomi dunia dalam tempoh yang ditinjau ialah penurunan sistematik dalam penggunaan bahan api fosil dan peningkatan yang sepadan dalam penggunaan bukan tradisional. sumber tenaga. 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), prinsip operasinya berdasarkan penggunaan rendah. -tenaga haba berpotensi Bumi.

Tenaga haba gred rendah Bumi dan pam haba

Sumber tenaga haba berpotensi rendah Bumi ialah sinaran suria dan sinaran haba bahagian dalam planet kita yang dipanaskan. 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 laluan pemanasan dalam masa musim sejuk tahun, mencegah aising, memanaskan medan di stadium terbuka, dsb. Dalam bahasa Inggeris kesusasteraan teknikal sistem yang menggunakan haba Bumi dalam sistem pemanasan dan penyaman udara ditetapkan 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 dari Bumi, menentukan ini terutamanya untuk tujuan pemanasan; Penyejukan udara diperlukan agak jarang walaupun pada musim panas. Oleh itu, tidak seperti Amerika Syarikat, pam haba masuk negara Eropah Mereka beroperasi terutamanya dalam mod pemanasan. Di Amerika Syarikat, ia lebih kerap digunakan dalam sistem pemanasan udara digabungkan dengan pengudaraan, yang membolehkan kedua-dua pemanasan dan penyejukan udara luar. Di 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 beredar pada suhu yang agak rendah (35–40 o C).

Jenis sistem untuk menggunakan tenaga haba berpotensi rendah dari Bumi

DALAM kes am Dua jenis sistem untuk menggunakan tenaga haba berpotensi rendah dari Bumi boleh dibezakan:

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

– sistem tertutup: penukar haba terletak di dalam jisim tanah; apabila penyejuk dengan suhu yang lebih rendah berbanding dengan tanah beredar melalui mereka, tenaga haba "dipilih" dari tanah dan dipindahkan ke penyejat pam haba (atau apabila menggunakan penyejuk dengan suhu yang lebih tinggi berbanding dengan tanah, ia adalah disejukkan).

Keburukan sistem terbuka adakah 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 tanah yang mencukupi, membolehkan rizab air diisi semula;

– komposisi kimia air bawah tanah yang baik (contohnya, kandungan besi yang rendah), yang mengelakkan masalah yang berkaitan dengan pembentukan mendapan pada dinding paip dan kakisan.

Sistem tertutup untuk menggunakan tenaga haba berpotensi rendah dari Bumi

Sistem tertutup boleh mendatar atau menegak (Rajah 1).

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

dan b – penukar haba tanah menegak.

Penukar haba tanah mendatar

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

nasi. 2. Penukar haba tanah mendatar dengan: a – bersiri dan

b – sambungan selari.

Untuk menyelamatkan kawasan 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.

MEREKA. Kapitonov

Haba nuklear bumi

Kehangatan duniawi

Bumi adalah badan 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. Tenaga diri Bumi ini dipercayai mempunyai asal-usul berikut. Bumi timbul kira-kira 4.5 bilion tahun yang lalu berikutan pembentukan Matahari daripada cakera protoplanet gas dan habuk yang berputar di sekelilingnya dan memadatkannya. Pada peringkat awal pembentukannya, bahan bumi dipanaskan kerana mampatan graviti yang agak perlahan. Tenaga yang dikeluarkan apabila jasad kosmik kecil jatuh ke atasnya juga memainkan peranan utama dalam keseimbangan haba Bumi. Oleh itu, Bumi muda telah cair. Menyejukkan, ia secara beransur-ansur datang ke keadaan sekarang dengan permukaan pepejal, sebahagian besar daripadanya ditutup dengan lautan dan perairan laut. Lapisan luar yang keras ini dipanggil kerak bumi dan secara purata di kawasan daratan ketebalannya adalah kira-kira 40 km, dan ke bawah perairan lautan– 5-10 km. Lapisan Bumi yang lebih dalam, dipanggil mantel, juga terdiri daripada padu. Ia meluas hingga kedalaman hampir 3000 km dan mengandungi sebahagian besar bahan Bumi. Akhirnya, bahagian paling dalam Bumi adalah teras. Ia terdiri daripada dua lapisan - luaran dan dalaman. Teras luar ini adalah lapisan besi cair dan nikel pada suhu 4500-6500 K, tebal 2000-2500 km. Teras dalaman dengan jejari 1000-1500 km, ia adalah aloi besi-nikel pepejal yang dipanaskan pada suhu 4000-5000 K dengan ketumpatan kira-kira 14 g/cm 3, yang timbul di bawah tekanan yang sangat 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, yang dikaitkan dengan pereputan radioaktif nukleus dengan panjang. separuh hayat - terutamanya 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 dilepaskan 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, iaitu bersamaan dengan haba yang boleh dijana oleh 50 ribu loji kuasa nuklear (purata kuasa satu loji kuasa nuklear ialah kira-kira 10 9 Watt). Persoalannya timbul: adakah tenaga radioaktif memainkan peranan penting dalam jumlah belanjawan haba Bumi dan, jika ya, apakah peranan yang dimainkannya? Jawapan kepada soalan-soalan ini kekal tidak diketahui untuk masa yang lama. Kini terdapat 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, terima kasih kepada keupayaan penembusan mereka yang belum pernah berlaku sebelum ini, merekodkannya (dan hanya mereka) dengan pengesan neutrino berasaskan tanah boleh memberikan maklumat objektif tentang proses pereputan radioaktif yang berlaku jauh di dalam Bumi. Contoh pereputan sedemikian ialah pereputan β − 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, 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 ialah rantaian pereputan berturut-turut, membentuk apa yang dipanggil siri radioaktif. Dalam rantai sedemikian, pereputan α diselang-seli dengan pereputan β, kerana semasa pereputan α nukleus akhir dialihkan dari garis kestabilan β ke kawasan nukleus yang terlebih beban dengan neutron. Selepas rantaian pereputan berturut-turut, pada akhir setiap siri, nukleus stabil terbentuk dengan bilangan proton dan neutron yang 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, diselangi dengan empat pereputan β − (dalam 238 U → 206 Pb rantaian terdapat lapan α- dan enam β − - pereputan dalam rantai 235 U → 207 Pb terdapat tujuh α- dan empat β − pereputan). Oleh itu, spektrum tenaga antineutrino daripada setiap siri radioaktif ialah superposisi spektrum separa daripada pereputan β - individu yang termasuk dalam siri ini. Spektrum antineutrino yang dihasilkan dalam pereputan 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K 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 siri 232 Th → 208 Pb adalah bersamaan dengan 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 teras 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

teras	Kongsi dalam % dalam adunan isotop	Bilangan teras mengaitkan Si nukleus	T 1/2 bilion tahun	Pautan pertama perpecahan
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Anggaran fluks geoneutrino, dibuat berdasarkan pereputan nukleus 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K yang terkandung dalam jirim Bumi, membawa kepada nilai tertib 10 6 cm -2 saat -1 . Dengan mendaftarkan geo-neutrino ini, adalah mungkin untuk mendapatkan maklumat tentang peranan haba radioaktif dalam keseimbangan terma keseluruhan Bumi dan menguji idea kami tentang kandungan radioisotop tahan lama dalam komposisi jirim bumi.

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 mengesan 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 dihasilkan dalam rantaian pereputan bermula dari nukleus 232 Th dan 238 U boleh didaftarkan dalam tindak balas di atas. Keratan rentas yang berkesan untuk tindak balas yang dibincangkan adalah sangat kecil: σ ≈ 10 -43 cm 2. Ia berikutan bahawa pengesan neutrino dengan isipadu sensitif 1 m 3 akan mendaftar tidak lebih daripada beberapa peristiwa setahun. Jelas sekali, untuk mengesan fluks geo-neutrino dengan pasti, pengesan neutrino volum besar diperlukan, terletak di makmal bawah tanah untuk perlindungan maksimum dari latar belakang. Idea menggunakan pengesan yang direka untuk mengkaji neutrino suria dan reaktor untuk mendaftarkan geoneutrino timbul pada tahun 1998. Pada masa ini, terdapat dua pengesan neutrino volum besar yang menggunakan scintillator cecair dan sesuai untuk menyelesaikan masalah ini. Ini adalah pengesan neutrino daripada eksperimen KamLAND (Jepun,) dan Borexino (Itali,). Di bawah ini kami mempertimbangkan reka bentuk pengesan Borexino dan keputusan yang diperoleh pada pengesan ini untuk mendaftarkan 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 ketinggian 2.9 km (Rajah 2).

nasi. 2. Susun atur makmal neutrino di bawah banjaran gunung Gran Sasso (tengah Itali)

Borexino ialah pengesan besar-besaran tidak bersegmen, medium aktif yang merupakan
280 tan scintillator cecair organik. Sebuah bekas sfera nilon dengan diameter 8.5 m diisi dengannya (Rajah 3). Scintilator ialah pseudocumene (C 9 H 12) dengan bahan tambahan pengalihan spektrum PPO (1.5 g/l). Cahaya daripada scintillator dikumpul oleh 2212 tiub photomultiplier (PMT) lapan inci yang diletakkan pada sfera keluli tahan karat (SSS).

nasi. 3. Gambar rajah pengesan Borexino

Sebuah kapal nilon dengan pseudocumene ialah pengesan dalaman yang tugasnya adalah untuk mendaftarkan neutrino (antineutrino). Pengesan dalaman dikelilingi oleh dua zon penampan sepusat yang melindunginya daripada sinar gamma dan neutron luaran. Zon dalaman diisi dengan medium tidak berkilauan yang terdiri daripada 900 tan pseudocumene dengan bahan tambahan dimetil ftalat yang 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 pemasangan 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 melalui pemilihan yang ketat, dan scintillator telah dimurnikan untuk meminimumkan latar belakang dalaman. Oleh 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, mewujudkan isyarat tertunda berbanding yang pertama. Di Boreksino, masa tangkapan neutron adalah kira-kira 260 μs. Isyarat serta-merta dan tertunda dikaitkan dalam ruang dan masa, membolehkan pengecaman tepat kejadian yang disebabkan oleh e.
Ambang untuk tindak balas (1) ialah 1.806 MeV dan, seperti yang boleh dilihat daripada Rajah. 1, semua geoneutrino daripada pereputan 40 K dan 235 U berada di bawah ambang ini, dan hanya sebahagian daripada geoneutrino yang dihasilkan dalam pereputan 232 Th dan 238 U boleh didaftarkan.
Pengesan Borexino mula-mula mengesan isyarat daripada geoneutrino pada tahun 2010, dan keputusan baharu telah diterbitkan baru-baru ini berdasarkan pemerhatian selama 2056 hari antara Disember 2007 dan Mac 2015. Di bawah ini kami membentangkan data yang diperoleh dan hasil perbincangan mereka, berdasarkan artikel.
Hasil daripada analisis data eksperimen, 77 calon untuk antineutrino elektron telah dikenal pasti yang melepasi semua kriteria pemilihan. Latar belakang daripada peristiwa simulasi e dianggarkan sebagai . Oleh itu, nisbah isyarat kepada latar belakang ialah ≈100.
Sumber utama latar belakang ialah antineutrino reaktor. Bagi Borexino, keadaannya agak menggalakkan, kerana tidak ada reaktor nuklear berhampiran makmal Gran Sasso. Di samping itu, antineutrino reaktor lebih bertenaga berbanding dengan geo-neutrino, yang memungkinkan untuk memisahkan antineutrino ini daripada positron mengikut magnitud isyarat. Keputusan analisis sumbangan geoneutrinos dan reaktor antineutrino kepada jumlah bilangan peristiwa berdaftar daripada e ditunjukkan dalam Rajah. 4. Bilangan geo-neutrino berdaftar yang diberikan oleh analisis ini (dalam Rajah 4 ia sepadan dengan kawasan gelap) 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.
Analisis yang dibincangkan menggunakan nisbah jisim torium dan uranium dalam jirim 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, dengan pengecualian gas ringan (hidrogen dan helium), mengulangi komposisi Sistem Suria dan cakera protoplanet dari mana Bumi terbentuk.

nasi. 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.