Doctor in de technische wetenschappen OP DE. Ik zweer het, professor,
Academicus van de Russische Academie voor Technologische Wetenschappen, Moskou

In de afgelopen decennia heeft de wereld nagedacht over de richting van een efficiënter gebruik van de energie van de diepe hitte van de aarde om aardgas, olie en kolen gedeeltelijk te vervangen. Dit wordt niet alleen mogelijk in gebieden met hoge geothermische parameters, maar ook in elk deel van de wereld bij het boren van injectie- en productieputten en het creëren van circulatiesystemen daartussen.

De toegenomen belangstelling voor alternatieve energiebronnen in de wereld in de afgelopen decennia wordt veroorzaakt door de uitputting van de brandstofreserves van koolwaterstoffen en de noodzaak om een ​​aantal milieuproblemen op te lossen. Objectieve factoren (reserves van fossiele brandstoffen en uranium, evenals veranderingen in het milieu veroorzaakt door traditioneel vuur en kernenergie) stellen ons in staat te stellen dat de overgang naar nieuwe methoden en vormen van energieproductie onvermijdelijk is.

De wereldeconomie stevent momenteel af op de transitie naar een rationele combinatie van traditionele en nieuwe energiebronnen. De hitte van de aarde neemt een van de eerste plaatsen onder hen in.

Geothermische energiebronnen zijn onderverdeeld in hydrogeologische en petrogeothermische. De eerste worden vertegenwoordigd door warmtedragers (die slechts 1% van de totale geothermische energiebronnen uitmaken) - grondwater-, stoom- en stoom-watermengsels. De tweede is geothermische energie in hete rotsen.

De fonteintechniek (self-spill) die in binnen- en buitenland wordt gebruikt voor de winning van natuurlijke stoom en aardwarmte is eenvoudig, maar inefficiënt. Met een laag debiet van zelfstromende putten, kan hun warmteproductie de kosten van het boren alleen terugverdienen op een ondiepe diepte van geothermische reservoirs met hoge temperaturen in gebieden met thermische anomalieën. De levensduur van dergelijke putten in veel landen bereikt niet eens 10 jaar.

Tegelijkertijd bevestigt de ervaring dat in aanwezigheid van ondiepe collectoren van natuurlijke stoom, de bouw van een aardwarmtecentrale de meest rendabele optie is om aardwarmte te gebruiken. De exploitatie van dergelijke GeoTPP's heeft hun concurrentiekracht bewezen in vergelijking met andere typen elektriciteitscentrales. Daarom is het gebruik van reserves van geothermische wateren en stoomhydrothermen in ons land op het schiereiland Kamtsjatka en op de eilanden van de Koerilenketen, in de regio's van de Noord-Kaukasus, en mogelijk ook in andere gebieden, opportuun en tijdig. Maar stoomafzettingen zijn een zeldzaamheid, de bekende en voorspelde reserves zijn klein. Veel voorkomende afzettingen van warmte- en stroomwater bevinden zich niet altijd dicht genoeg bij de verbruiker - het warmtevoorzieningsobject. Dit sluit de mogelijkheid van een grootschalig effectief gebruik ervan uit.

Vaak ontwikkelen de problematiek van het tegengaan van schaalvergroting zich tot een complex probleem. Het gebruik van geothermische, in de regel gemineraliseerde bronnen als warmtedrager leidt tot overgroei van boorgatzones met ijzeroxide-, calciumcarbonaat- en silicaatformaties. Bovendien hebben de problemen van erosie-corrosie en afzetting een nadelige invloed op de werking van de apparatuur. Het probleem is ook de lozing van gemineraliseerd en afvalwater dat giftige onzuiverheden bevat. Daarom kan de eenvoudigste fonteintechnologie niet dienen als basis voor de wijdverbreide ontwikkeling van geothermische bronnen.

Volgens voorlopige schattingen op het grondgebied van de Russische Federatie bedragen de voorspelde reserves van thermaal water met een temperatuur van 40-250 °C, een zoutgehalte van 35-200 g/l en een diepte tot 3000 m 21-22 miljoen m3 /dag, wat overeenkomt met het verbranden van 30-40 miljoen ton .t. in jaar.

De voorspelde reserves van het stoom-luchtmengsel met een temperatuur van 150-250 °C op het schiereiland Kamtsjatka en de Koerilen zijn 500 duizend m3/dag. en reserves van thermaal water met een temperatuur van 40-100 ° C - 150 duizend m3 / dag.

De reserves aan thermaal water met een stroomsnelheid van ongeveer 8 miljoen m3/dag, met een zoutgehalte tot 10 g/l en een temperatuur boven 50 °C worden als topprioriteit voor ontwikkeling beschouwd.

Van veel groter belang voor de energie van de toekomst is de winning van thermische energie, praktisch onuitputtelijke aardwarmtebronnen. Deze geothermische energie, ingesloten in vaste hete rotsen, is 99% van de totale bronnen van ondergrondse thermische energie. Op een diepte tot 4-6 km zijn massieven met een temperatuur van 300-400 °C alleen te vinden in de buurt van de tussenkamers van sommige vulkanen, maar hete rotsen met een temperatuur van 100-150 °C zijn bijna overal verspreid op deze diepten, en met een temperatuur van 180-200 ° C in een vrij aanzienlijk deel van het grondgebied van Rusland.

Gedurende miljarden jaren hebben nucleaire, zwaartekracht en andere processen in de aarde thermische energie gegenereerd en blijven ze genereren. Een deel ervan wordt de ruimte in gestraald en warmte wordt in de diepte verzameld, d.w.z. de warmte-inhoud van de vaste, vloeibare en gasvormige fasen van aardse materie wordt geothermische energie genoemd.

De continue opwekking van intra-aardse warmte compenseert de externe verliezen, dient als een bron van accumulatie van geothermische energie en bepaalt het hernieuwbare deel van zijn hulpbronnen. De totale afvoer van warmte van het binnenste naar het aardoppervlak is drie keer groter dan de huidige capaciteit van elektriciteitscentrales in de wereld en wordt geschat op 30 TW.

Het is echter duidelijk dat hernieuwbaarheid alleen van belang is voor beperkte natuurlijke hulpbronnen, en het totale potentieel van geothermische energie is praktisch onuitputtelijk, aangezien het moet worden gedefinieerd als de totale hoeveelheid warmte die beschikbaar is voor de aarde.

Het is geen toeval dat de wereld de afgelopen decennia heeft nagedacht over de richting van een efficiënter gebruik van de energie van de diepe hitte van de aarde om aardgas, olie en kolen gedeeltelijk te vervangen. Dit wordt niet alleen mogelijk in gebieden met hoge geothermische parameters, maar ook in elk deel van de wereld bij het boren van injectie- en productieputten en het creëren van circulatiesystemen daartussen.

Natuurlijk is het bij een lage thermische geleidbaarheid van gesteenten voor de effectieve werking van circulatiesystemen noodzakelijk om een ​​voldoende ontwikkeld warmtewisselingsoppervlak in de warmte-extractiezone te hebben of te creëren. Een dergelijk oppervlak wordt vaak aangetroffen in poreuze formaties en zones met natuurlijke breukweerstand, die vaak worden aangetroffen op de bovengenoemde diepten, waarvan de permeabiliteit het mogelijk maakt om geforceerde filtratie van het koelmiddel te organiseren met efficiënte extractie van steenenergie, evenals de kunstmatige creatie van een uitgebreid warmtewisselingsoppervlak in laagdoorlatende poreuze massieven door hydrofracturering (zie figuur).

Momenteel wordt hydraulisch breken gebruikt in de olie- en gasindustrie als een manier om de doorlaatbaarheid van reservoirs te vergroten om de oliewinning bij de ontwikkeling van olievelden te verbeteren. Moderne technologie maakt het mogelijk om een ​​smalle maar lange scheur te maken, of een korte maar brede. Voorbeelden van hydraulische breuken met breuken tot 2-3 km lang zijn bekend.

Het binnenlandse idee om de belangrijkste geothermische bronnen in vaste rotsen te winnen, werd al in 1914 uitgedrukt door K.E. Obruchev.

In 1963 werd in Parijs de eerste GCC opgericht om warmte te winnen uit poreuze formatiegesteenten voor verwarming en airconditioning in de gebouwen van het Broadcasting Chaos-complex. In 1985 waren in Frankrijk al 64 GCC's in bedrijf met een totaal thermisch vermogen van 450 MW, met een jaarlijkse besparing van ongeveer 150.000 ton olie. In hetzelfde jaar werd de eerste dergelijke GCC opgericht in de USSR in de Khankala-vallei nabij de stad Grozny.

In 1977 begonnen, volgens het project van het Los Alamos National Laboratory van de VS, tests van een experimentele GCC met hydrofracturering van een bijna ondoordringbaar massief op de locatie Fenton Hill in de staat New Mexico. Koud zoet water dat door de put werd geïnjecteerd (injectie) werd verwarmd door warmte-uitwisseling met een rotsmassa (185 OC) in een verticale breuk met een oppervlakte van 8000 m2, gevormd door hydraulisch breken op een diepte van 2,7 km. In een andere put (productie), eveneens over deze scheur, kwam oververhit water naar de oppervlakte in de vorm van een stoomstraal. Bij circulatie in een gesloten circuit onder druk bereikte de temperatuur van oververhit water aan het oppervlak 160-180 ° C en het thermische vermogen van het systeem - 4-5 MW. Koelvloeistoflekkage in het omringende massief bedroeg ongeveer 1% van de totale stroom. De concentratie van mechanische en chemische onzuiverheden (tot 0,2 g/l) kwam overeen met de omstandigheden van vers drinkwater. De hydraulische breuk hoefde niet te worden gerepareerd en werd opengehouden door de hydrostatische druk van de vloeistof. De vrije convectie die zich daarin ontwikkelde, zorgde voor een effectieve deelname aan de warmte-uitwisseling van bijna het gehele oppervlak van de ontsluiting van de hete rotsmassa.

De winning van ondergrondse thermische energie uit hete ondoordringbare rotsen, gebaseerd op de methodes van hellend boren en hydrofracturering die lange tijd in de olie- en gasindustrie werden beheerst en toegepast, veroorzaakte geen seismische activiteit of andere schadelijke effecten op de omgeving.

In 1983 herhaalden Britse wetenschappers de Amerikaanse ervaring door een experimentele GCC te creëren met hydraulisch breken van graniet in Carnwell. Vergelijkbaar werk werd uitgevoerd in Duitsland, Zweden. In de VS zijn meer dan 224 aardwarmteprojecten gerealiseerd. Er wordt echter aangenomen dat geothermische bronnen in het grootste deel van de toekomstige niet-elektrische thermische energiebehoeften van de VS kunnen voorzien. In Japan bereikte de capaciteit van GeoTPP in 2000 ongeveer 50 GW.

Momenteel wordt in 65 landen onderzoek en exploratie van geothermische hulpbronnen uitgevoerd. In de wereld zijn op basis van aardwarmte stations gerealiseerd met een totaal vermogen van zo'n 10 GW. De Verenigde Naties ondersteunen actief de ontwikkeling van geothermische energie.

De ervaring die in veel landen van de wereld is opgedaan met het gebruik van geothermische koelmiddelen, toont aan dat ze onder gunstige omstandigheden 2-5 keer winstgevender zijn dan thermische en kerncentrales. Uit berekeningen blijkt dat één geothermische bron 158 duizend ton steenkool per jaar kan vervangen.

Zo is de hitte van de aarde misschien de enige grote hernieuwbare energiebron, waarvan de rationele ontwikkeling belooft de kosten van energie te verlagen in vergelijking met moderne brandstofenergie. Met een even onuitputtelijk energiepotentieel zullen zonne- en thermonucleaire installaties helaas duurder zijn dan bestaande brandstofinstallaties.

Ondanks de zeer lange geschiedenis van de ontwikkeling van de aardwarmte, heeft de geothermische technologie vandaag haar hoge ontwikkeling nog niet bereikt. De ontwikkeling van de thermische energie van de aarde ondervindt grote moeilijkheden bij de constructie van diepe putten, die een kanaal zijn om het koelmiddel naar de oppervlakte te brengen. Vanwege de hoge bodemtemperatuur (200-250 °C) zijn traditionele steensnijgereedschappen niet geschikt om in dergelijke omstandigheden te werken. Er zijn speciale vereisten voor de selectie van boor- en verbuizingsbuizen, cementslurries, boortechnologie, putverbuizing en voltooiing. Huishoudelijke meetapparatuur, seriële operationele fittingen en apparatuur worden geproduceerd in een ontwerp dat temperaturen niet hoger dan 150-200 ° C toelaat. Traditioneel diep mechanisch boren van putten loopt soms jaren vertraging op en vereist aanzienlijke financiële kosten. In de belangrijkste productiemiddelen bedragen de kosten van putten 70 tot 90%. Dit probleem kan en moet alleen worden opgelost door het creëren van een vooruitstrevende technologie voor de ontwikkeling van het grootste deel van de geothermische hulpbronnen, d.w.z. winning van energie uit hete rotsen.

Onze groep Russische wetenschappers en specialisten houdt zich al meer dan een jaar bezig met het probleem van de winning en het gebruik van de onuitputtelijke, hernieuwbare diepe thermische energie van de hete rotsen van de aarde op het grondgebied van de Russische Federatie. Het doel van het werk is om, op basis van huishoudelijke, geavanceerde technologieën, technische middelen te creëren voor diepe penetratie in de ingewanden van de aardkorst. Momenteel zijn er verschillende varianten van boorgereedschap (BS) ontwikkeld, die in de wereldpraktijk geen analogen hebben.

De werking van de eerste versie van de BS is gekoppeld aan de huidige conventionele boortechnologie. Boorsnelheid in hard gesteente (gemiddelde dichtheid 2500-3300 kg/m3) tot 30 m/u, gatdiameter 200-500 mm. De tweede variant van de BS voert het boren van putten uit in een autonome en automatische modus. De lancering wordt uitgevoerd vanaf een speciaal lancerings- en acceptatieplatform, van waaruit de beweging wordt bestuurd. Duizend meter BS in harde rotsen kan binnen een paar uur passeren. Putdiameter van 500 tot 1000 mm. Herbruikbare BS-varianten hebben een grote kosteneffectiviteit en een enorme potentiële waarde. De introductie van BS in productie zal een nieuwe fase openen in de constructie van putten en toegang verschaffen tot onuitputtelijke bronnen van thermische energie van de aarde.

Voor de behoeften aan warmtetoevoer ligt de vereiste diepte van putten in het hele land in het bereik van maximaal 3-4,5 duizend meter en is niet groter dan 5-6 duizend meter.De temperatuur van de warmtedrager voor huisvesting en gemeenschappelijke warmtevoorziening is niet verder gaan dan 150 °C. Voor industriële installaties is de temperatuur in de regel niet hoger dan 180-200 °C.

Het doel van de oprichting van de GCC is om constante, betaalbare en goedkope warmte te leveren aan afgelegen, moeilijk bereikbare en onontwikkelde regio's van de Russische Federatie. De werkingsduur van de GCS is 25-30 jaar of meer. De terugverdientijd van de stations (rekening houdend met de nieuwste boortechnologieën) is 3-4 jaar.

De oprichting in de Russische Federatie in de komende jaren van geschikte capaciteiten voor het gebruik van geothermische energie voor niet-elektrische behoeften zal ongeveer 600 miljoen ton gelijkwaardige brandstof vervangen. Besparingen kunnen oplopen tot 2 biljoen roebel.

Tot 2030 wordt het mogelijk om energiecapaciteiten te creëren om brandenergie tot 30% te vervangen, en tot 2040 om organische grondstoffen als brandstof bijna volledig uit de energiebalans van de Russische Federatie te verwijderen.

Literatuur

1. Goncharov SA Thermodynamica. Moskou: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 p.

2. Dyadkin Yu.D. enz. Geothermische thermische fysica. St. Petersburg: Nauka, 1993. 255 p.

3. Minerale grondstofbasis van het brandstof- en energiecomplex van Rusland. Status en prognose / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko en anderen.Ed. VZ Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004. 548 d.

4. Novikov G. P. et al. Boorputten voor thermaal water. M.: Nedra, 1986. 229 p.

De warmte van de aarde. Mogelijke bronnen van interne warmte

geothermie- wetenschap die het thermische veld van de aarde bestudeert. De gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde heeft een algemene neiging om af te nemen. Drie miljard jaar geleden was de gemiddelde temperatuur op het aardoppervlak 71 o, nu is het 17 o. Warmtebronnen (thermisch) ) De velden van de aarde zijn interne en externe processen. De hitte van de aarde wordt veroorzaakt door zonnestraling en vindt zijn oorsprong in de ingewanden van de planeet. De waarden van de warmte-instroom uit beide bronnen zijn kwantitatief extreem verschillend en hun rol in het leven van de planeet is anders. Zonneverwarming van de aarde is 99,5% van de totale hoeveelheid warmte die door het oppervlak wordt ontvangen, en interne verwarming is goed voor 0,5%. Bovendien is de instroom van interne warmte zeer ongelijk verdeeld over de aarde en voornamelijk geconcentreerd op plaatsen waar vulkanisme zich manifesteert.

Externe bron is zonnestraling . De helft van de zonne-energie wordt geabsorbeerd door het oppervlak, de vegetatie en de nabije oppervlaktelaag van de aardkorst. De andere helft wordt weerspiegeld in de wereldruimte. Zonnestraling handhaaft de temperatuur van het aardoppervlak op een gemiddelde van ongeveer 0 0 C. De zon verwarmt de nabije oppervlaktelaag van de aarde tot een gemiddelde diepte van 8 - 30 m, met een gemiddelde diepte van 25 m, het effect van zonnewarmte stopt en de temperatuur wordt constant (neutrale laag). Deze diepte is minimaal in gebieden met een zeeklimaat en maximaal in het subpolaire gebied. Onder deze grens bevindt zich een gordel van constante temperatuur die overeenkomt met de gemiddelde jaartemperatuur van het gebied. Dus bijvoorbeeld in Moskou op het grondgebied van de landbouw. academie. Timiryazev, op een diepte van 20 m, is de temperatuur sinds 1882 steevast gelijk gebleven aan 4,2 ° C. In Parijs, op een diepte van 28 m, geeft een thermometer al meer dan 100 jaar consequent 11,83 ° C aan. constante temperatuur is het diepst waar vaste plant ( permafrost. Onder de gordel van constante temperatuur bevindt zich de geothermische zone, die wordt gekenmerkt door warmte die door de aarde zelf wordt gegenereerd.

Interne bronnen zijn de ingewanden van de aarde. De aarde straalt meer warmte de ruimte in dan ze van de zon ontvangt. Interne bronnen zijn onder meer restwarmte uit de tijd dat de planeet smolt, de hitte van thermonucleaire reacties die plaatsvonden in de ingewanden van de aarde, de hitte van de zwaartekrachtscompressie van de aarde onder invloed van de zwaartekracht, de hitte van chemische reacties en kristallisatieprocessen , enz. (bijvoorbeeld getijdenwrijving). De warmte van de darmen komt vooral van de bewegende zones. De temperatuurstijging met diepte wordt geassocieerd met het bestaan ​​van interne warmtebronnen - het verval van radioactieve isotopen - U, Th, K, zwaartekrachtdifferentiatie van materie, getijdenwrijving, exotherme redoxchemische reacties, metamorfisme en faseovergangen. De snelheid van temperatuurstijging met de diepte wordt bepaald door een aantal factoren: thermische geleidbaarheid, doorlaatbaarheid van rotsen, nabijheid van vulkanische kamers, enz.

Onder de gordel van constante temperaturen is er een temperatuurstijging, gemiddeld 1 o per 33 m ( geothermische fase) of 3 o elke 100 m ( geothermische gradiënt). Deze waarden zijn indicatoren van het thermische veld van de aarde. Het is duidelijk dat deze waarden gemiddeld zijn en verschillend van grootte in verschillende gebieden of zones van de aarde. De geothermische stap is verschillend op verschillende punten op aarde. Bijvoorbeeld in Moskou - 38,4 m, in Leningrad 19,6, in Arkhangelsk - 10. Dus bij het boren van een diepe put op het Kola-schiereiland op een diepte van 12 km werd een temperatuur van 150 ° aangenomen, in werkelijkheid bleek het ongeveer 220 graden zijn. Bij het boren van putten in de noordelijke Kaspische Zee op een diepte van 3000 m werd aangenomen dat de temperatuur 150 graden was, maar het bleek 108 graden te zijn.

Opgemerkt moet worden dat de klimatologische kenmerken van het gebied en de gemiddelde jaartemperatuur geen invloed hebben op de verandering in de waarde van de geothermische stap, de redenen liggen in de volgende:

1) in de verschillende thermische geleidbaarheid van de rotsen die een bepaald gebied vormen. Onder de maat voor thermische geleidbaarheid wordt verstaan ​​de hoeveelheid warmte in calorieën die in 1 seconde wordt overgedragen. Door een sectie van 1 cm 2 met een temperatuurgradiënt van 1 o C;

2) in de radioactiviteit van gesteenten, hoe groter de thermische geleidbaarheid en radioactiviteit, hoe lager de geothermische stap;

3) in verschillende omstandigheden van voorkomen van gesteenten en de leeftijd van hun voorkomen; waarnemingen hebben aangetoond dat de temperatuur sneller stijgt in de lagen die in plooien zijn verzameld, ze hebben vaak schendingen (scheuren), waardoor de toegang van warmte uit de diepte wordt vergemakkelijkt;

4) de aard van grondwater: warm grondwater stroomt warme rotsen, koude koude;

5) afgelegen ligging van de oceaan: in de buurt van de oceaan als gevolg van het afkoelen van rotsen door een massa water, is de geothermische stap groter en bij het contact kleiner.

Het kennen van de specifieke waarde van de aardwarmtetrap is van groot praktisch belang.

1. Dit is belangrijk bij het ontwerpen van mijnen. In sommige gevallen zal het nodig zijn om maatregelen te nemen om de temperatuur kunstmatig te verlagen in diepe werkzaamheden (temperatuur - 50 ° C is de limiet voor een persoon in droge lucht en 40 ° C in natte lucht); in andere zal het mogelijk zijn om op grote diepte te werken.

2. De beoordeling van de temperatuuromstandigheden tijdens het tunnelen in bergachtige gebieden is van groot belang.

3. De studie van de geothermische omstandigheden van het binnenste van de aarde maakt het mogelijk gebruik te maken van stoom en warmwaterbronnen die op het aardoppervlak ontstaan. Ondergrondse warmte wordt bijvoorbeeld gebruikt in Italië, IJsland; in Rusland werd in Kamtsjatka een experimentele industriële elektriciteitscentrale gebouwd op natuurlijke warmte.

Met behulp van gegevens over de grootte van de geothermische stap, kan men enkele aannames doen over de temperatuuromstandigheden van de diepe zones van de aarde. Als we de gemiddelde waarde van de geothermische stap op 33 m nemen en aannemen dat de temperatuurstijging met de diepte gelijkmatig verloopt, dan zal op een diepte van 100 km een ​​temperatuur van 3000 ° C zijn. Deze temperatuur overschrijdt de smeltpunten van alle stoffen die op aarde bekend zijn, daarom zouden er op deze diepte gesmolten massa's moeten zijn. Maar door de enorme druk van 31.000 atm. Oververhitte massa's hebben niet de eigenschappen van vloeistoffen, maar zijn begiftigd met de eigenschappen van een vast lichaam.

Met de diepte moet de geothermische stap blijkbaar aanzienlijk toenemen. Als we aannemen dat de stap niet verandert met de diepte, dan zou de temperatuur in het midden van de aarde ongeveer 200.000 graden moeten zijn en volgens berekeningen mag deze niet hoger zijn dan 5000 - 10.000 graden.

De belangrijkste bronnen van thermische energie van de aarde zijn [ , ]:

• warmte zwaartekracht differentiatie;
• radiogene warmte;
• hitte van getijdenwrijving;
• aanwas warmte;
• wrijvingswarmte die vrijkomt als gevolg van de differentiële rotatie van de binnenkern ten opzichte van de buitenkern, de buitenkern ten opzichte van de mantel en individuele lagen binnen de buitenkern.

Tot nu toe zijn alleen de eerste vier bronnen gekwantificeerd. In ons land is de belangrijkste verdienste hierin: OG Sorokhtin en SA Oesjakov. De volgende gegevens zijn voornamelijk gebaseerd op de berekeningen van deze wetenschappers.

Warmte van de zwaartekrachtdifferentiatie van de aarde

Een van de belangrijkste regelmatigheden in de ontwikkeling van de aarde is: differentiatie de inhoud ervan, die op dit moment voortduurt. Deze differentiatie resulteerde in de vorming kern en korst, verandering in de samenstelling van de primaire Jurken, terwijl de scheiding van een aanvankelijk homogene stof in fracties van verschillende dichtheden gepaard gaat met het vrijkomen thermische energie, en de maximale warmteafgifte treedt op wanneer de aardse materie wordt verdeeld in dichte en zware kern en residu aansteker silicaat shell aardmantel. Momenteel wordt de meeste van deze warmte gegenereerd aan de grens mantel - kern.

Aardse zwaartekrachtdifferentiatie-energieën voor de hele tijd van zijn bestaan ​​viel op - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). gegeven energie gaat voor het grootste deel eerst in op kinetische energie convectieve stromen van de mantelsubstantie, en dan in warm; een ander deel ervan wordt besteed aan extra compressie van het binnenste van de aarde, ontstaan ​​door de concentratie van dichte fasen in het centrale deel van de aarde. Van 1.46*10 38 erg energie van de zwaartekrachtdifferentiatie van de aarde ging naar de extra compressie 0.23*10 38 erg (0,23*10 31 J), en in de vorm van vrijgekomen warmte 1.23*10 38 erg (1.23*10 31 J). De omvang van deze thermische component overtreft aanzienlijk de totale afgifte in de aarde van alle andere soorten energie. De tijdsverdeling van de totale waarde en snelheid van afgifte van de thermische component van zwaartekrachtsenergie wordt getoond in Fig. 3.6 .

Rijst. 3.6.

Het huidige niveau van warmteontwikkeling tijdens de zwaartekrachtdifferentiatie van de aarde - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), die afhangt van de waarde van de moderne warmtestroom die door het oppervlak van de planeet gaat in ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4.2-4.3)*10 13W), is ~ 70% .

radiogene warmte

Veroorzaakt door het radioactieve verval van onstabiele isotopen. De meest energie-intensieve en langlevende ( met een halfwaardetijd evenredig met de leeftijd van de aarde) zijn isotopen 238 U, 235 U, 232Th en 40K. De meeste zijn geconcentreerd in continentale korst. Modern generatieniveau radiogene warmte:

• door Amerikaanse geofysicus V.Vakye - 1.14*10 20 erg/s (1.14*10 13W) ,
• volgens Russische geofysici OG Sorokhtin en SA Oesjakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .

Van de waarde van de moderne warmtestroom is dit ~ 27-30%.

Van de totale warmte van radioactief verval in 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) in de aardkorst valt op - 0,91*10 20 erg/s, en in de mantel - 0,35*10 20 erg/s. Hieruit volgt dat het aandeel radiogene warmte van de mantel niet groter is dan 10% van het totale moderne warmteverlies van de aarde, en het kan niet de belangrijkste energiebron zijn voor actieve tektono-magmatische processen, waarvan de diepte 2900 km kan bereiken ; en de radiogene warmte die vrijkomt in de korst gaat relatief snel verloren via het aardoppervlak en neemt praktisch niet deel aan de verwarming van het diepe binnenste van de planeet.

In vroegere geologische tijdperken moet de hoeveelheid radiogene warmte die in de mantel vrijkomt hoger zijn geweest. De schattingen ten tijde van de vorming van de aarde ( 4,6 miljard jaar geleden) verlenen - 6.95*10 20 erg/s. Sinds die tijd is er een gestage afname van de snelheid van afgifte van radiogene energie (Fig. 3.7 ).

Want de hele tijd op aarde viel op ~4.27*10 37 erg(4.27*10 30 J) de thermische energie van radioactief verval, die bijna drie keer lager is dan de totale waarde van de warmte van zwaartekrachtdifferentiatie.

Warmte van getijdenwrijving

Het valt op tijdens de zwaartekrachtinteractie van de aarde, voornamelijk met de maan, als het dichtstbijzijnde grote kosmische lichaam. Door wederzijdse aantrekkingskracht treden er getijdenvervormingen op in hun lichaam - zwelling of bulten. De getijdebulten van de planeten, met hun extra aantrekkingskracht, beïnvloeden hun beweging. De aantrekkingskracht van beide getijdenbulten van de aarde creëert dus een paar krachten die zowel op de aarde zelf als op de maan werken. De invloed van de nabije, naar de maan gerichte zwelling is echter iets sterker dan die van de verre. Vanwege het feit dat de hoeksnelheid van de rotatie van de moderne aarde ( 7,27*10 -5 s -1) groter is dan de baansnelheid van de maan ( 2,66*10 -6 s-1), en de substantie van de planeten niet ideaal elastisch is, dan worden de getijdebulten van de aarde als het ware meegesleurd door haar voorwaartse rotatie en lopen ze merkbaar voor op de beweging van de maan. Dit leidt ertoe dat de maximale getijden van de aarde altijd iets later dan het moment op het aardoppervlak plaatsvinden climax maan, en een extra krachtmoment werkt op de aarde en de maan (Fig. 3.8 ) .

De absolute waarden van de krachten van de getijdeninteractie in het aarde-maansysteem zijn nu relatief klein en de getijvervormingen van de lithosfeer die daardoor worden veroorzaakt, kunnen slechts enkele tientallen centimeters bedragen, maar ze leiden tot een geleidelijke vertraging van de aardse rotatie en, omgekeerd, de versnelling van de baanbeweging van de maan en zijn verwijdering van de aarde. De kinetische energie van de beweging van de getijdebulten van de aarde wordt omgezet in thermische energie door de interne wrijving van materie in de getijdebulten.

Op dit moment is de afgiftesnelheid van getijdenenergie door G. McDonald is ~0.25*10 20 erg/s (0.25*10 13W), terwijl het grootste deel (ongeveer 2/3) vermoedelijk is vervliegt(verspreid) in de hydrosfeer. Bijgevolg is de fractie van getijdenenergie die wordt veroorzaakt door de interactie van de aarde met de maan en die in de vaste aarde (voornamelijk in de asthenosfeer) wordt gedissipeerd, niet groter dan 2 % totale thermische energie die in de diepten wordt gegenereerd; en de fractie van zonnegetijden niet groter is dan 20 % van de invloed van de maangetijden. Daarom spelen vaste getijden nu praktisch geen rol bij het voeden van tektonische processen met energie, maar in sommige gevallen kunnen ze fungeren als "triggers", bijvoorbeeld aardbevingen.

De grootte van getijdenenergie is direct gerelateerd aan de afstand tussen ruimtevoorwerpen. En als de afstand tussen de aarde en de zon geen significante veranderingen in de geologische tijdschaal veronderstelt, dan is deze parameter in het aarde-maansysteem een ​​variabele. Ongeacht de ideeën over, bijna alle onderzoekers geven toe dat in de vroege stadia van de ontwikkeling van de aarde de afstand tot de maan aanzienlijk kleiner was dan de moderne, terwijl deze volgens de meeste wetenschappers tijdens het proces van planetaire ontwikkeling geleidelijk toeneemt , en volgens YuN Avsyuku deze afstand ervaart langdurige veranderingen in de vorm van cycli "aankomst - vertrek" van de maan. Dit impliceert dat in vroegere geologische tijdperken de rol van getijdenwarmte in de algehele warmtebalans van de aarde belangrijker was. Over het algemeen viel het gedurende de hele ontwikkeling van de aarde op ~3.3*10 37 erg (3,3*10 30 J) getijdenwarmte-energie (dit is afhankelijk van de opeenvolgende verwijdering van de maan van de aarde). De verandering in de tijd van de afgiftesnelheid van deze warmte wordt getoond in Fig. 3.10 .

Meer dan de helft van de totale getijdenenergie kwam vrij in katarchee (hellea)) - 4,6-4,0 miljard jaar geleden, en op dat moment, alleen dankzij deze energie, kon de aarde extra opwarmen met ~ 500 0 . energie-intensieve endogene processen .

aanwaswarmte

Dit is de warmte die de aarde sinds haar ontstaan ​​heeft opgeslagen. In het proces aangroeiingen, die door de aanvaring enkele tientallen miljoenen jaren heeft geduurd planetesimalen De aarde heeft een aanzienlijke opwarming ondergaan. Tegelijkertijd bestaat er geen consensus over de omvang van deze verwarming. Momenteel zijn onderzoekers geneigd te geloven dat de aarde tijdens het accretieproces, zo niet volledig, dan aanzienlijk gedeeltelijk smelten, wat leidde tot de initiële differentiatie van de proto-aarde in een zware ijzeren kern en een lichte silicaatmantel, en naar de formatie "magma oceaan" op het oppervlak of op ondiepe diepten. Hoewel zelfs vóór de jaren negentig het model van een relatief koude primaire aarde als praktisch universeel erkend werd beschouwd, die geleidelijk opwarmde als gevolg van de bovengenoemde processen, vergezeld van het vrijkomen van een aanzienlijke hoeveelheid thermische energie.

Een nauwkeurige schatting van de primaire accretiewarmte en het aandeel daarvan dat tot op heden bewaard is gebleven, brengt aanzienlijke moeilijkheden met zich mee. Door OG Sorokhtin en SA Oesjakov, die voorstander zijn van een relatief koude primaire aarde, is de waarde van de aangroei-energie die wordt omgezet in warmte - 20.13*10 38 erg (20.13*10 31 J). Deze energie zou bij afwezigheid van warmteverlies voldoende zijn voor: volledige verdamping aardse materie, omdat temperatuur kan oplopen tot 30 000 0. Maar het accretieproces duurde relatief lang en de energie van planetesimale inslagen kwam alleen vrij in de nabije oppervlaktelagen van de groeiende aarde en ging snel verloren met thermische straling, dus de initiële opwarming van de planeet was niet groot. De grootte van deze thermische straling, die parallel loopt met de vorming (aanwas) van de aarde, wordt door de aangegeven auteurs geschat als 19.4*10 38 erg (19,4*10 31 J) .

In de moderne energiebalans van de aarde speelt aanwaswarmte hoogstwaarschijnlijk een onbeduidende rol.

Voor Rusland kan de energie van de aardwarmte een constante, betrouwbare bron worden voor het leveren van goedkope en betaalbare elektriciteit en warmte met behulp van nieuwe hoogwaardige, milieuvriendelijke technologieën voor de winning en levering aan de consument. Dit geldt vooral op dit moment

Beperkte bronnen van fossiele energiegrondstoffen

De vraag naar organische energiegrondstoffen is groot in geïndustrialiseerde en ontwikkelingslanden (VS, Japan, staten van verenigd Europa, China, India, enz.). Tegelijkertijd zijn hun eigen koolwaterstofvoorraden in deze landen onvoldoende of gereserveerd, en een land, bijvoorbeeld de Verenigde Staten, koopt energiegrondstoffen in het buitenland of ontwikkelt deposito's in andere landen.

In Rusland, een van de rijkste landen op het gebied van energiebronnen, wordt de economische behoefte aan energie nog steeds bevredigd door de mogelijkheden om natuurlijke hulpbronnen te gebruiken. De winning van fossiele koolwaterstoffen uit de ondergrond gebeurt echter in een zeer hoog tempo. Als in de jaren 1940-1960. De belangrijkste olieproducerende regio's waren het "Tweede Bakoe" in de Wolga en de Cis-Oeral, en vanaf de jaren zeventig en tot op heden is West-Siberië zo'n gebied geweest. Maar ook hier is er een significante afname van de productie van fossiele koolwaterstoffen. Het tijdperk van "droog" Cenomanian gas gaat voorbij. De vorige fase van uitgebreide ontwikkeling van de aardgasproductie is tot een einde gekomen. De winning uit gigantische afzettingen als Medvezhye, Urengoyskoye en Yamburgskoye bedroeg respectievelijk 84, 65 en 50%. Ook het aandeel van de oliereserves dat gunstig is voor ontwikkeling neemt in de loop van de tijd af.

Door het actieve verbruik van koolwaterstofbrandstoffen zijn de onshore-reserves van olie en aardgas aanzienlijk verminderd. Nu zijn hun belangrijkste reserves geconcentreerd op het continentaal plat. En hoewel de grondstofbasis van de olie- en gasindustrie nog voldoende is voor de winning van olie en gas in Rusland in de vereiste volumes, zal deze in de nabije toekomst in toenemende mate worden voorzien door de ontwikkeling van velden met complexe mijnbouw en geologische omstandigheden. Tegelijkertijd zullen de kosten van de productie van koolwaterstoffen stijgen.

De meeste niet-hernieuwbare hulpbronnen die uit de ondergrond worden gewonnen, worden gebruikt als brandstof voor elektriciteitscentrales. Allereerst is dit het aandeel in de brandstofstructuur 64%.

In Rusland wordt 70% van de elektriciteit opgewekt in thermische centrales. Energiebedrijven van het land verbranden jaarlijks ongeveer 500 miljoen ton c.e. ton om elektriciteit en warmte te verkrijgen, terwijl de productie van warmte 3-4 keer meer koolwaterstofbrandstof verbruikt dan de opwekking van elektriciteit.

De hoeveelheid warmte die wordt verkregen bij de verbranding van deze hoeveelheden koolwaterstofgrondstoffen is gelijk aan het gebruik van honderden tonnen nucleaire brandstof - het verschil is enorm. Kernenergie vereist echter het waarborgen van de veiligheid van het milieu (om een ​​herhaling van Tsjernobyl te voorkomen) en het beschermen tegen mogelijke terroristische aanslagen, evenals de veilige en kostbare ontmanteling van verouderde en gebruikte kerncentrales. De bewezen winbare reserves aan uranium in de wereld bedragen ongeveer 3 miljoen 400 duizend ton.In de hele voorgaande periode (tot 2007) werd ongeveer 2 miljoen ton gedolven.

RES als de toekomst van wereldwijde energie

De toegenomen belangstelling in de wereld in de afgelopen decennia voor alternatieve hernieuwbare energiebronnen (RES) wordt niet alleen veroorzaakt door de uitputting van koolwaterstofreserves, maar ook door de noodzaak om milieuproblemen op te lossen. Objectieve factoren (fossiele brandstoffen en uraniumreserves, evenals veranderingen in het milieu die samenhangen met het gebruik van traditioneel vuur en kernenergie) en trends in de energieontwikkeling suggereren dat de overgang naar nieuwe methoden en vormen van energieproductie onvermijdelijk is. Al in de eerste helft van de eenentwintigste eeuw. er zal een volledige of bijna volledige overgang zijn naar niet-traditionele energiebronnen.

Hoe eerder een doorbraak in deze richting wordt gemaakt, hoe minder pijnlijk het zal zijn voor de hele samenleving en hoe gunstiger voor het land, waar beslissende stappen in deze richting zullen worden gezet.

De wereldeconomie heeft al een koers uitgezet voor de transitie naar een rationele combinatie van traditionele en nieuwe energiebronnen. Het energieverbruik in de wereld bedroeg in 2000 meer dan 18 miljard ton brandstofequivalent. ton, en het energieverbruik tegen 2025 kan toenemen tot 30-38 miljard ton brandstofequivalent. ton, volgens de prognosegegevens, tegen 2050 is een verbruik op het niveau van 60 miljard ton brandstofequivalent mogelijk. t) Een kenmerkende trend in de ontwikkeling van de wereldeconomie in de verslagperiode is een systematische afname van het verbruik van fossiele brandstoffen en een overeenkomstige toename van het gebruik van niet-traditionele energiebronnen. De thermische energie van de aarde neemt een van de eerste plaatsen onder hen in.

Momenteel heeft het ministerie van Energie van de Russische Federatie een programma aangenomen voor de ontwikkeling van niet-traditionele energie, waaronder 30 grote projecten voor het gebruik van warmtepompen (HPU), waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het verbruik van lage potentiële thermische energie van de aarde.

Energie met laag potentieel van de aardwarmte en warmtepompen

De bronnen van energie met een laag potentieel van de aardwarmte zijn zonnestraling en thermische straling van de verwarmde ingewanden van onze planeet. Op dit moment is het gebruik van dergelijke energie een van de meest dynamisch ontwikkelende gebieden van energie op basis van hernieuwbare energiebronnen.

De warmte van de aarde kan in verschillende soorten gebouwen en constructies worden gebruikt voor verwarming, warmwatervoorziening, airconditioning (koeling), maar ook voor het verwarmen van sporen in het winterseizoen, het voorkomen van ijsvorming, het verwarmen van velden in open stadions, enz. In de Engelstalige technische literatuur wordt het systeem dat gebruik maakt van de aardwarmte in verwarmings- en airconditioningsystemen GHP genoemd - "geothermische warmtepompen" (geothermische warmtepompen). De klimatologische kenmerken van de landen van Midden- en Noord-Europa, die samen met de Verenigde Staten en Canada de belangrijkste gebieden zijn voor het gebruik van laagwaardige aardwarmte, bepalen dit vooral voor verwarmingsdoeleinden; koeling van de lucht, zelfs in de zomer, is relatief zelden nodig. Daarom werken warmtepompen in Europese landen, in tegenstelling tot in de VS, voornamelijk in de verwarmingsmodus. In de VS worden ze vaker gebruikt in luchtverwarmingssystemen in combinatie met ventilatie, waarmee zowel de buitenlucht kan worden verwarmd als gekoeld. In Europese landen worden warmtepompen meestal gebruikt in waterverwarmingssystemen. Omdat hun efficiëntie toeneemt naarmate het temperatuurverschil tussen de verdamper en condensor kleiner wordt, worden vloerverwarmingssystemen vaak gebruikt voor het verwarmen van gebouwen, waarin een koelvloeistof met een relatief lage temperatuur (35-40 ° C) circuleert.

Soorten systemen voor het gebruik van energie met een laag potentieel van de aardwarmte

In het algemeen kunnen twee soorten systemen voor het gebruik van de laagpotentiële energie van de aardwarmte worden onderscheiden:

- open systemen: als bron van laagwaardige thermische energie wordt grondwater gebruikt dat rechtstreeks aan warmtepompen wordt geleverd;

- gesloten systemen: warmtewisselaars bevinden zich in het bodemmassief; wanneer een koelmiddel met een temperatuur lager dan de grond erdoorheen circuleert, wordt thermische energie van de grond "afgenomen" en overgebracht naar de warmtepompverdamper (of wanneer een koelmiddel met een hogere temperatuur ten opzichte van de grond wordt gebruikt, wordt deze gekoeld ).

De nadelen van open systemen zijn dat putten onderhoud nodig hebben. Bovendien is het gebruik van dergelijke systemen niet in alle gebieden mogelijk. De belangrijkste eisen voor bodem en grondwater zijn als volgt:

- voldoende waterdoorlatendheid van de bodem, waardoor de waterreserves kunnen worden aangevuld;

– goede grondwaterchemie (bijv. laag ijzergehalte) om ketelsteen- en corrosieproblemen te voorkomen.

Gesloten systemen voor het gebruik van laag-potentiële energie van aardwarmte

Gesloten systemen zijn horizontaal en verticaal (Figuur 1).

Rijst. 1. Schema van een geothermische warmtepompinstallatie met: a - horizontaal

en b - verticale bodemwarmtewisselaars.

Horizontale bodemwarmtewisselaar

In de landen van West- en Centraal-Europa zijn horizontale bodemwarmtewisselaars meestal afzonderlijke buizen die relatief strak zijn gelegd en in serie of parallel met elkaar zijn verbonden (Fig. 2).

Rijst. 2. Horizontale bodemwarmtewisselaars met: a - sequentiële en

b - parallelle verbinding.

Om het gebied van de locatie waar de warmte wordt verwijderd te redden, zijn verbeterde soorten warmtewisselaars ontwikkeld, bijvoorbeeld warmtewisselaars in de vorm van een spiraal (Fig. 3), horizontaal of verticaal geplaatst. Deze vorm van warmtewisselaars is gebruikelijk in de VS.

HEN. Kapitonov

Kernwarmte van de aarde

Aardwarmte

De aarde is een vrij sterk verwarmd lichaam en is een warmtebron. Het warmt voornamelijk op door de zonnestraling die het absorbeert. Maar de aarde heeft ook een eigen thermische bron die vergelijkbaar is met de warmte die van de zon wordt ontvangen. Er wordt aangenomen dat deze eigen energie van de aarde de volgende oorsprong heeft. De aarde ontstond ongeveer 4,5 miljard jaar geleden na de vorming van de zon uit een protoplanetaire gas-stofschijf die eromheen draait en condenseert. In een vroeg stadium van zijn vorming werd de substantie van de aarde opgewarmd door relatief langzame zwaartekrachtscompressie. Een belangrijke rol in de warmtebalans van de aarde werd ook gespeeld door de energie die vrijkwam bij de val van kleine kosmische lichamen erop. Daarom was de jonge aarde gesmolten. Toen het afkoelde, bereikte het geleidelijk zijn huidige staat met een stevig oppervlak, waarvan een aanzienlijk deel bedekt is met oceaan- en zeewater. Deze harde buitenlaag heet de aardkorst en gemiddeld, op het land, is de dikte ongeveer 40 km, en onder oceanische wateren - 5-10 km. De diepere laag van de aarde, genaamd mantel bestaat ook uit een vaste stof. Het strekt zich uit tot een diepte van bijna 3000 km en bevat het grootste deel van de materie van de aarde. Ten slotte is het binnenste deel van de aarde zijn kern. Het bestaat uit twee lagen - extern en intern. buitenste kern dit is een laag gesmolten ijzer en nikkel bij een temperatuur van 4500-6500 K met een dikte van 2000-2500 km. binnenste kern met een straal van 1000-1500 km is een solide ijzer-nikkel legering verhit tot een temperatuur van 4000-5000 K met een dichtheid van ongeveer 14 g/cm3, die ontstond bij een enorme (bijna 4 miljoen bar) druk.
Naast de interne warmte van de aarde, geërfd van de vroegste hete fase van zijn vorming, en waarvan de hoeveelheid in de loop van de tijd zou moeten afnemen, is er nog een, langdurig, geassocieerd met het radioactieve verval van kernen met een lange halfwaardetijd. leven - allereerst 232 Th, 235 U , 238 U en 40 K. De energie die vrijkomt bij dit verval - ze zijn goed voor bijna 99% van de radioactieve energie van de aarde - vult constant de thermische reserves van de aarde aan. De bovenstaande kernen bevinden zich in de korst en de mantel. Hun verval leidt tot verwarming van zowel de buitenste als de binnenste lagen van de aarde.
Een deel van de enorme hitte in de aarde komt constant naar het oppervlak, vaak in zeer grootschalige vulkanische processen. De warmtestroom die vanuit de diepten van de aarde door het oppervlak stroomt, is bekend. Het is (47±2)·10 12 watt, wat overeenkomt met de warmte die kan worden opgewekt door 50.000 kerncentrales (het gemiddelde vermogen van één kerncentrale is ongeveer 109 watt). De vraag rijst of radioactieve energie een rol van betekenis speelt in het totale thermische budget van de aarde, en zo ja, welke rol? Het antwoord op deze vragen bleef lange tijd onbekend. Nu zijn er mogelijkheden om deze vragen te beantwoorden. De sleutelrol is hier weggelegd voor neutrino's (antineutrino's), die worden geboren in de processen van radioactief verval van kernen die de materie van de aarde vormen en die worden genoemd geo-neutrino.

Geo-neutrino

Geo-neutrino is de gecombineerde naam voor neutrino's of antineutrino's, die worden uitgestoten als gevolg van het bètaverval van kernen die zich onder het aardoppervlak bevinden. Het is duidelijk dat, vanwege het ongekende penetratievermogen, de registratie van deze (en alleen hen) door neutrinodetectoren op de grond objectieve informatie kan verschaffen over de processen van radioactief verval die diep in de aarde plaatsvinden. Een voorbeeld van zo'n verval is het β-verval van de 228 Ra-kern, dat het product is van het α-verval van de langlevende 232 Th-kern (zie tabel):

De halfwaardetijd (T 1/2) van de 228 Ra-kern is 5,75 jaar en de vrijgekomen energie is ongeveer 46 keV. Het energiespectrum van antineutrino's is continu met een bovengrens dicht bij de vrijgekomen energie.
Het verval van 232 Th, 235 U, 238 U-kernen zijn ketens van opeenvolgende vervalsingen die de zogenaamde radioactieve serie. In dergelijke ketens worden α-decays afgewisseld met β −-decays, aangezien bij α-decays de uiteindelijke kernen verschoven blijken te zijn van de β-stabiliteitslijn naar het met neutronen overladen gebied van kernen. Na een reeks opeenvolgende vervalsingen aan het einde van elke rij, worden stabiele kernen gevormd met een aantal protonen en neutronen dichtbij of gelijk aan magische getallen (Z = 82,N= 126). Dergelijke eindkernen zijn stabiele isotopen van lood of bismut. Het verval van T 1/2 eindigt dus met de vorming van de dubbel magische kern 208 Pb, en op het pad 232 Th → 208 Pb vinden zes α-verval plaats, afgewisseld met vier β - verval (in de keten 238 U → 206 Pb, acht α- en zes β - - vervalt; er zijn zeven α- en vier β − verval in de 235 U → 207 Pb keten). Het energiespectrum van antineutrino's van elke radioactieve reeks is dus een superpositie van gedeeltelijke spectra van individuele β −-verval die deel uitmaken van deze reeks. De spectra van antineutrino's geproduceerd in 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K verval worden getoond in Fig. 1. Het verval van 40 K is een enkel β − verval (zie tabel). Antineutrino's bereiken hun hoogste energie (tot 3,26 MeV) in het verval
214 Bi → 214 Po, een schakel in de radioactieve reeks 238 U. De totale energie die vrijkomt bij de passage van alle vervalverbindingen in de reeks 232 Th → 208 Pb is 42,65 MeV. Voor de radioactieve reeksen 235 U en 238 U zijn deze energieën respectievelijk 46,39 en 51,69 MeV. Energie die vrijkomt bij verval
40 K → 40 Ca is 1,31 MeV.

Kenmerken van 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K kernen

Kern	Aandeel in % in een mengsel isotopen	Aantal kernen betreft. Si-kernen	T 1/2 miljard jaar	Eerste links verval
232Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

De schatting van de geo-neutrinoflux, gemaakt op basis van het verval van de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K kernen in de samenstelling van de aardse materie, leidt tot een waarde in de orde van 106 cm -2 seconden -1 . Door deze geo-neutrino's te registreren, kan men informatie verkrijgen over de rol van radioactieve warmte in de totale warmtebalans van de aarde en onze ideeën testen over het gehalte aan langlevende radio-isotopen in de samenstelling van terrestrische materie.

Rijst. 1. Energiespectra van antineutrino's van nucleair verval

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K genormaliseerd naar één verval van de ouderkern

De reactie wordt gebruikt om elektronen-antineutrino's te registreren

P → e + + n, (1)

waarin dit deeltje daadwerkelijk is ontdekt. De drempel voor deze reactie is 1,8 MeV. Daarom kunnen alleen geo-neutrino's gevormd in vervalketens vanaf 232 Th en 238 U-kernen worden geregistreerd in de bovenstaande reactie. De effectieve dwarsdoorsnede van de besproken reactie is extreem klein: σ ≈ 10 -43 cm 2. Hieruit volgt dat een neutrinodetector met een gevoelig volume van 1 m 3 niet meer dan enkele gebeurtenissen per jaar zal registreren. Het is duidelijk dat voor een betrouwbare fixatie van geo-neutrino-fluxen grote neutrino-detectoren nodig zijn, die zich in ondergrondse laboratoria bevinden voor maximale bescherming tegen de achtergrond. Het idee om detectoren te gebruiken die zijn ontworpen om zonne- en reactorneutrino's te bestuderen voor de registratie van geo-neutrino's ontstond in 1998. Momenteel zijn er twee neutrinodetectoren met groot volume die een vloeistofscintillator gebruiken en geschikt zijn om het probleem op te lossen. Dit zijn de neutrinodetectoren van de KamLAND-experimenten (Japan, ) en Borexino (Italië, ). Hieronder beschouwen we het apparaat van de Borexino-detector en de resultaten die met deze detector zijn verkregen over de registratie van geo-neutrino's.

Borexino-detector en registratie van geo-neutrino's

De Borexino-neutrino-detector bevindt zich in Midden-Italië in een ondergronds laboratorium onder het Gran Sasso-gebergte, waarvan de bergtoppen 2,9 km reiken (Fig. 2).

Rijst. Fig. 2. Schematische voorstelling van de locatie van het neutrino-laboratorium onder het Gran Sasso-gebergte (Midden-Italië)

Borexino is een niet-gesegmenteerde massieve detector waarvan het actieve medium is
280 ton organische vloeibare scintillator. Het vulde een nylon bolvormig vat met een diameter van 8,5 m (Fig. 3). De scintillator was pseudocumeen (C9H12) met een spectrumverschuivend PPO-additief (1,5 g/l). Het licht van de scintillator wordt opgevangen door 2212 8-inch photomultipliers (PMT's) die op een roestvrijstalen bol (SSS) zijn geplaatst.

Rijst. 3. Schema van het apparaat van de Borexino-detector

Een nylon vat met pseudocumeen is een interne detector die tot taak heeft neutrino's (antineutrino's) te registreren. De binnenste detector is omgeven door twee concentrische bufferzones die hem beschermen tegen externe gammastralen en neutronen. De binnenste zone is gevuld met een niet-scintillerend medium bestaande uit 900 ton pseudocumeen met scintillatie-quenchende dimethylftalaat-additieven. De buitenste zone bevindt zich bovenop de SNS en is een Cherenkov-waterdetector die 2000 ton ultrazuiver water bevat en signalen afsnijdt van muonen die de faciliteit van buitenaf binnenkomen. Voor elke interactie die optreedt in de interne detector worden energie en tijd bepaald. Kalibratie van de detector met behulp van verschillende radioactieve bronnen maakte het mogelijk om de energieschaal en de mate van reproduceerbaarheid van het lichtsignaal zeer nauwkeurig te bepalen.
Borexino is een detector met een zeer hoge stralingszuiverheid. Alle materialen werden streng geselecteerd en de scintillator werd schoongemaakt om de interne achtergrond te minimaliseren. Door zijn hoge stralingszuiverheid is Borexino een uitstekende detector voor het detecteren van antineutrino's.
In reactie (1) geeft het positron een ogenblikkelijk signaal, dat na enige tijd gevolgd wordt door de vangst van een neutron door een waterstofkern, wat leidt tot het verschijnen van een γ-quantum met een energie van 2,22 MeV, dat een signaal vertraagd ten opzichte van de eerste. In Borexino is de opnametijd van neutronen ongeveer 260 s. De onmiddellijke en vertraagde signalen zijn gecorreleerd in ruimte en tijd, waardoor een nauwkeurige herkenning van de gebeurtenis wordt verkregen die wordt veroorzaakt door e .
De drempel voor reactie (1) is 1,806 MeV en, zoals te zien is in Fig. 1, alle geo-neutrino's van het verval van 40 K en 235 U liggen onder deze drempel, en slechts een deel van de geo-neutrino's die ontstonden bij het verval van 232 Th en 238 U kan worden gedetecteerd.
De Borexino-detector detecteerde voor het eerst signalen van geo-neutrino's in 2010 en publiceerde onlangs nieuwe resultaten op basis van waarnemingen gedurende 2056 dagen van december 2007 tot maart 2015. Hieronder presenteren we de verkregen gegevens en de resultaten van hun discussie, gebaseerd op artikel.
Als resultaat van de analyse van experimentele gegevens werden 77 kandidaten voor elektronen-antineutrino's geïdentificeerd die aan alle selectiecriteria voldeden. De achtergrond van gebeurtenissen die e simuleren, werd geschat met . De signaal/achtergrondverhouding was dus -100.
De belangrijkste achtergrondbron was antineutrino's uit de reactor. Voor Borexino was de situatie vrij gunstig, aangezien er geen kernreactoren in de buurt van het Gran Sasso-laboratorium zijn. Bovendien zijn reactor-antineutrino's energieker dan geo-neutrino's, wat het mogelijk maakte om deze antineutrino's van het positron te scheiden door signaalsterkte. De resultaten van de analyse van de bijdragen van geo-neutrino's en reactor-antineutrino's aan het totale aantal geregistreerde gebeurtenissen van e worden getoond in Fig. 4. Het aantal geregistreerde geo-neutrino's dat door deze analyse wordt gegeven (het gearceerde gebied komt overeen met hen in Fig. 4) is gelijk aan . In het spectrum van geo-neutrino's dat als resultaat van de analyse is geëxtraheerd, zijn twee groepen zichtbaar - minder energiek, intenser en energieker, minder intens. De auteurs van de beschreven studie associëren deze groepen met respectievelijk het verval van thorium en uranium.
In de analyse die wordt besproken, hebben we de verhouding van de massa's van thorium en uranium in de materie van de aarde gebruikt
m(Th)/m(U) = 3,9 (in de tabel is deze waarde ≈3,8). Dit cijfer weerspiegelt het relatieve gehalte van deze chemische elementen in chondrieten - de meest voorkomende groep meteorieten (meer dan 90% van de meteorieten die op de aarde zijn gevallen, behoort tot deze groep). Er wordt aangenomen dat de samenstelling van chondrieten, met uitzondering van lichte gassen (waterstof en helium), de samenstelling van het zonnestelsel en de protoplanetaire schijf waaruit de aarde is gevormd, herhaalt.

Rijst. Fig. 4. Spectrum van de lichtopbrengst van positronen in eenheden van het aantal foto-elektronen voor antineutrino-kandidaatgebeurtenissen (experimentele punten). Het gearceerde gebied is de bijdrage van geo-neutrino's. De ononderbroken lijn is de bijdrage van reactor-antineutrino's.