พลังงานความร้อนใต้พิภพและวิธีการสกัด พลังงานความร้อนใต้พิภพไปข้างหน้า

สำหรับรัสเซีย พลังงานความร้อนของโลกสามารถเป็นแหล่งพลังงานและความร้อนที่คงที่และเชื่อถือได้ในการจัดหาไฟฟ้าและความร้อนราคาถูกและราคาไม่แพงโดยใช้เทคโนโลยีใหม่ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสำหรับการสกัดและจ่ายให้กับผู้บริโภค นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะนี้

ทรัพยากรที่จำกัดของวัตถุดิบพลังงานฟอสซิล

ความต้องการวัตถุดิบพลังงานอินทรีย์มีมากในประเทศอุตสาหกรรมและประเทศกำลังพัฒนา (สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น รัฐของยุโรป จีน อินเดีย ฯลฯ) ในเวลาเดียวกัน ทรัพยากรไฮโดรคาร์บอนในประเทศเหล่านี้ไม่เพียงพอหรือถูกสงวนไว้ และประเทศเช่นสหรัฐอเมริกา ซื้อวัตถุดิบพลังงานในต่างประเทศหรือพัฒนาแหล่งเงินฝากในประเทศอื่น

ในรัสเซียซึ่งเป็นหนึ่งในประเทศที่ร่ำรวยที่สุดในแง่ของทรัพยากรพลังงาน ความต้องการทางเศรษฐกิจสำหรับพลังงานยังคงได้รับความพึงพอใจจากความเป็นไปได้ของการใช้ทรัพยากรธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม การสกัดไฮโดรคาร์บอนจากฟอสซิลจากดินใต้ผิวดินนั้นเกิดขึ้นเร็วมาก ถ้าในทศวรรษที่ 1940-1960 ภูมิภาคที่ผลิตน้ำมันหลักคือ "บากูที่สอง" ในแม่น้ำโวลก้าและซิส-อูราล จากนั้นเริ่มตั้งแต่ทศวรรษ 1970 และจนถึงปัจจุบัน ไซบีเรียตะวันตกกลายเป็นพื้นที่ดังกล่าว แต่ถึงกระนั้นที่นี่ก็ยังมีการลดลงอย่างมากในการผลิตฟอสซิลไฮโดรคาร์บอน ยุคก๊าซซีโนมาเนีย "แห้ง" กำลังจะผ่านพ้นไป ขั้นตอนก่อนหน้าของการพัฒนาอย่างกว้างขวางของการผลิตก๊าซธรรมชาติได้สิ้นสุดลงแล้ว การสกัดจากแหล่งฝากขนาดยักษ์เช่น Medvezhye, Urengoyskoye และ Yamburgskoye มีจำนวน 84, 65 และ 50% ตามลำดับ สัดส่วนของปริมาณสำรองน้ำมันที่เอื้อต่อการพัฒนาก็ลดลงตามกาลเวลาเช่นกัน

เนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอย่างแข็งขัน ปริมาณสำรองน้ำมันและก๊าซธรรมชาติบนบกลดลงอย่างมาก ตอนนี้เงินสำรองหลักของพวกเขากระจุกตัวอยู่ที่ไหล่ทวีป และถึงแม้ว่าฐานวัตถุดิบของอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซจะยังเพียงพอสำหรับการผลิตน้ำมันและก๊าซในรัสเซียในปริมาณที่ต้องการ แต่ในอนาคตอันใกล้นี้จะมีการจัดหาเพิ่มขึ้นโดยการพัฒนาพื้นที่ที่มีการขุดที่ซับซ้อนและ สภาพทางธรณีวิทยา ในขณะเดียวกันต้นทุนการผลิตไฮโดรคาร์บอนก็จะเพิ่มขึ้น

ทรัพยากรที่ไม่หมุนเวียนส่วนใหญ่ที่สกัดจากดินชั้นล่างใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้า ประการแรกนี่คือส่วนแบ่งในโครงสร้างเชื้อเพลิงคือ 64%

ในรัสเซีย 70% ของกระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อน องค์กรพลังงานของประเทศเผาผลาญปีละประมาณ 500 ล้านตันต่อปี ตันเพื่อผลิตไฟฟ้าและความร้อน ในขณะที่การผลิตความร้อนใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนมากกว่าการผลิตไฟฟ้า 3-4 เท่า

ปริมาณความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้วัตถุดิบไฮโดรคาร์บอนในปริมาณเหล่านี้เทียบเท่ากับการใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลายร้อยตัน ซึ่งมีความแตกต่างกันอย่างมาก อย่างไรก็ตาม พลังงานนิวเคลียร์ต้องการการรับรองความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อม (เพื่อป้องกันการทำซ้ำของเชอร์โนบิล) และปกป้องมันจากการโจมตีของผู้ก่อการร้าย รวมถึงการรื้อถอนหน่วยพลังงานนิวเคลียร์ที่ล้าสมัยและใช้แล้วอย่างปลอดภัยและมีค่าใช้จ่ายสูง ปริมาณสำรองยูเรเนียมที่กู้คืนได้ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในโลกอยู่ที่ประมาณ 3 ล้าน 400,000 ตัน สำหรับช่วงเวลาก่อนหน้าทั้งหมด (จนถึงปี 2550) มีการขุดประมาณ 2 ล้านตัน

RES เป็นอนาคตของพลังงานโลก

ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในโลกในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาในแหล่งพลังงานหมุนเวียนทางเลือก (RES) เกิดขึ้นไม่เพียงแต่จากการลดลงของปริมาณสำรองเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังเกิดจากความจำเป็นในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมด้วย ปัจจัยเชิงวัตถุ (เชื้อเพลิงฟอสซิลและปริมาณสำรองยูเรเนียม ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงด้านสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการใช้ไฟแบบดั้งเดิมและพลังงานนิวเคลียร์) และแนวโน้มการพัฒนาพลังงานชี้ให้เห็นว่าการเปลี่ยนไปใช้วิธีการและรูปแบบใหม่ๆ ของการผลิตพลังงานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แล้วในครึ่งแรกของศตวรรษที่ XXI จะมีการเปลี่ยนผ่านอย่างสมบูรณ์หรือเกือบสมบูรณ์ไปยังแหล่งพลังงานที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม

ยิ่งความก้าวหน้าในทิศทางนี้เร็วเท่าไร ความเจ็บปวดก็จะยิ่งน้อยลงสำหรับทั้งสังคมและเป็นประโยชน์ต่อประเทศชาติมากขึ้น ซึ่งจะมีการดำเนินการอย่างเด็ดขาดในทิศทางนี้

เศรษฐกิจโลกได้กำหนดแนวทางในการเปลี่ยนผ่านไปสู่การรวมแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิมและพลังงานใหม่อย่างมีเหตุผล การใช้พลังงานในโลกภายในปี 2543 มีปริมาณเทียบเท่าเชื้อเพลิงมากกว่า 18 พันล้านตัน ตันและการใช้พลังงานภายในปี 2568 อาจเพิ่มขึ้นเป็น 30–38 พันล้านตันเทียบเท่าเชื้อเพลิง ตามข้อมูลที่คาดการณ์ไว้ ภายในปี 2050 การบริโภคที่ระดับ 60 พันล้านตันเทียบเท่าเชื้อเพลิงจะเป็นไปได้ t. แนวโน้มลักษณะเฉพาะในการพัฒนาเศรษฐกิจโลกในช่วงเวลาที่ทบทวนคือการลดลงอย่างเป็นระบบในการบริโภคเชื้อเพลิงฟอสซิลและการเพิ่มขึ้นของการใช้ทรัพยากรพลังงานที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม พลังงานความร้อนของโลกครอบครองหนึ่งในสถานที่แรกในหมู่พวกเขา

ปัจจุบันกระทรวงพลังงานของสหพันธรัฐรัสเซียได้นำโปรแกรมสำหรับการพัฒนาพลังงานที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิมรวมถึง 30 โครงการขนาดใหญ่สำหรับการใช้หน่วยปั๊มความร้อน (HPU) ซึ่งหลักการนั้นขึ้นอยู่กับการบริโภคต่ำ- พลังงานความร้อนที่อาจเกิดขึ้นของโลก

พลังงานศักย์ต่ำของปั๊มความร้อนและความร้อนของโลก

แหล่งที่มาของพลังงานศักย์ต่ำของความร้อนของโลกคือการแผ่รังสีดวงอาทิตย์และการแผ่รังสีความร้อนของลำไส้ที่ร้อนของโลกของเรา ในปัจจุบัน การใช้พลังงานดังกล่าวเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่มีการพัฒนาด้านพลังงานแบบไดนามิกมากที่สุดโดยอิงจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน

ความร้อนของโลกสามารถใช้ได้กับอาคารและโครงสร้างประเภทต่างๆ เพื่อให้ความร้อน การจ่ายน้ำร้อน เครื่องปรับอากาศ (ทำความเย็น) เช่นเดียวกับรางทำความร้อนในฤดูหนาว การป้องกันน้ำแข็ง การให้ความร้อนในสนามกีฬากลางแจ้ง เป็นต้น ในเอกสารทางเทคนิคภาษาอังกฤษของระบบที่ใช้ความร้อนของโลกในระบบทำความร้อนและปรับอากาศเรียกว่า GHP - "ปั๊มความร้อนใต้พิภพ" (ปั๊มความร้อนใต้พิภพ) ลักษณะภูมิอากาศของประเทศในยุโรปกลางและยุโรปเหนือซึ่งร่วมกับสหรัฐอเมริกาและแคนาดาเป็นพื้นที่หลักสำหรับการใช้ความร้อนเกรดต่ำของโลก กำหนดสิ่งนี้เป็นหลักเพื่อให้ความร้อน การระบายความร้อนของอากาศแม้ในฤดูร้อนนั้นแทบจะไม่มีความจำเป็นเลย ดังนั้น ปั๊มความร้อนในประเทศแถบยุโรปจึงทำงานในโหมดทำความร้อนเป็นหลัก ไม่เหมือนกับในสหรัฐอเมริกา ในสหรัฐอเมริกา มักใช้ในระบบทำความร้อนด้วยอากาศร่วมกับการระบายอากาศ ซึ่งช่วยให้ทั้งความร้อนและความเย็นของอากาศภายนอก ในประเทศแถบยุโรป มักใช้ปั๊มความร้อนในระบบทำน้ำร้อน เนื่องจากประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเครื่องระเหยและคอนเดนเซอร์ลดลง ระบบทำความร้อนใต้พื้นจึงมักใช้สำหรับอาคารทำความร้อนซึ่งมีการไหลเวียนของสารหล่อเย็นที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (35–40 ° C)

ประเภทของระบบการใช้พลังงานศักย์ต่ำจากความร้อนของโลก

ในกรณีทั่วไป ระบบสองประเภทสำหรับการใช้พลังงานศักย์ต่ำของความร้อนของโลกสามารถแยกแยะได้:

- ระบบเปิด: เป็นแหล่งพลังงานความร้อนเกรดต่ำใช้น้ำใต้ดินซึ่งจ่ายโดยตรงไปยังปั๊มความร้อน

- ระบบปิด: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตั้งอยู่ในเทือกเขาดิน เมื่อสารหล่อเย็นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นดินไหลเวียนผ่านพวกมัน พลังงานความร้อนจะถูก "นำออก" จากพื้นดินและถ่ายโอนไปยังเครื่องระเหยของปั๊มความร้อน (หรือเมื่อใช้สารหล่อเย็นที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเมื่อเทียบกับพื้นดิน จะถูกทำให้เย็นลง ).

ข้อเสียของระบบเปิดคือบ่อต้องบำรุงรักษา นอกจากนี้ ยังไม่สามารถใช้ระบบดังกล่าวได้ในทุกพื้นที่ ข้อกำหนดหลักสำหรับดินและน้ำใต้ดินมีดังนี้:

- การซึมผ่านของน้ำที่เพียงพอของดินทำให้สามารถเติมน้ำสำรองได้

– เคมีน้ำบาดาลที่ดี (เช่น ปริมาณธาตุเหล็กต่ำ) เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาขนาดท่อและการกัดกร่อน

ระบบปิดสำหรับการใช้พลังงานความร้อนต่ำของโลก

ระบบปิดเป็นแบบแนวนอนและแนวตั้ง (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. แบบแผนการติดตั้งปั๊มความร้อนใต้พิภพด้วย: a - แนวนอน

และ b - เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพื้นแนวตั้ง

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพื้นแนวนอน

ในประเทศแถบยุโรปตะวันตกและยุโรปกลาง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภาคพื้นดินในแนวนอนมักจะแยกท่อที่วางค่อนข้างแน่นและเชื่อมต่อกันเป็นชุดหรือขนานกัน (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพื้นแนวนอนด้วย: a - ตามลำดับและ

ข - การเชื่อมต่อแบบขนาน

เพื่อประหยัดพื้นที่ของไซต์ที่ระบายความร้อน ได้มีการพัฒนาชนิดของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ได้รับการปรับปรุง เช่น ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนในรูปแบบของเกลียว (รูปที่ 3) ซึ่งอยู่ในแนวนอนหรือแนวตั้ง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนรูปแบบนี้พบได้ทั่วไปในสหรัฐอเมริกา

พลังงานความร้อนใต้พิภพ- นี่คือพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากโซนชั้นในของโลกเป็นเวลาหลายร้อยล้านปี จากการศึกษาทางธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ อุณหภูมิในแกนโลกถึง 3,000-6,000 °C ค่อยๆ ลดลงในทิศทางจากศูนย์กลางของโลกสู่พื้นผิว การปะทุของภูเขาไฟหลายพันลูก การเคลื่อนที่ของก้อนเปลือกโลก แผ่นดินไหวเป็นพยานถึงการกระทำของพลังงานภายในอันทรงพลังของโลก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสนามความร้อนของโลกของเราเกิดจากการสลายของกัมมันตภาพรังสีในระดับความลึกของมัน เช่นเดียวกับการแยกจากแรงโน้มถ่วงของสสารแกนกลาง
แหล่งที่มาหลักของการให้ความร้อนที่ลำไส้ของโลกคือยูเรเนียมทอเรียมและโพแทสเซียมกัมมันตภาพรังสี กระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสีในทวีปส่วนใหญ่เกิดขึ้นในชั้นหินแกรนิตของเปลือกโลกที่ระดับความลึก 20-30 กม. หรือมากกว่าในมหาสมุทร - ในเสื้อคลุมชั้นบน สันนิษฐานว่าที่ด้านล่างของเปลือกโลกที่ความลึก 10-15 กม. ค่าอุณหภูมิที่เป็นไปได้ในทวีปคือ 600-800 ° C และในมหาสมุทร - 150-200 ° C
บุคคลสามารถใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพได้เฉพาะเมื่อพลังงานปรากฏใกล้กับพื้นผิวโลกเท่านั้น กล่าวคือ ในพื้นที่ที่เกิดภูเขาไฟและแผ่นดินไหว ขณะนี้พลังงานความร้อนใต้พิภพถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพโดยประเทศต่างๆ เช่น สหรัฐอเมริกา อิตาลี ไอซ์แลนด์ เม็กซิโก ญี่ปุ่น นิวซีแลนด์ รัสเซีย ฟิลิปปินส์ ฮังการี เอลซัลวาดอร์ ที่นี่ความร้อนภายในของโลกเพิ่มขึ้นสู่พื้นผิวในรูปของน้ำร้อนและไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงถึง 300 ° C และมักจะแตกออกเป็นความร้อนจากแหล่งที่พุ่งออกมา (กีย์เซอร์) เช่นกีย์เซอร์ที่มีชื่อเสียง ของ Yellowstone Park ในสหรัฐอเมริกา กีย์เซอร์ของ Kamchatka ประเทศไอซ์แลนด์
แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพแบ่งเป็นไอน้ำร้อนแห้ง ไอร้อนเปียก และน้ำร้อน บ่อน้ำซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญสำหรับรางรถไฟไฟฟ้าในอิตาลี (ใกล้ลาร์เดอเรลโล) ได้รับพลังงานจากไอน้ำร้อนแห้งตั้งแต่ปี พ.ศ. 2447 สถานที่ขึ้นชื่ออีกสองแห่งในโลกที่มีไอน้ำร้อนแบบแห้ง ได้แก่ ทุ่งมัตสึคาวะในญี่ปุ่นและทุ่งน้ำพุร้อนใกล้ซานฟรานซิสโก ซึ่งใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพอย่างมีประสิทธิภาพมาเป็นเวลานาน ส่วนใหญ่ในโลกของไอน้ำร้อนเปียกตั้งอยู่ในนิวซีแลนด์ (Wairakei) แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีพลังงานน้อยกว่าเล็กน้อย - ในเม็กซิโก ญี่ปุ่น เอลซัลวาดอร์ นิการากัว รัสเซีย
ดังนั้น แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพหลักสี่ประเภทหลักสามารถแยกแยะได้:
ความร้อนที่พื้นผิวโลกที่ใช้โดยปั๊มความร้อน
แหล่งพลังงานของไอน้ำ น้ำร้อนและน้ำอุ่นใกล้ผิวโลก ซึ่งปัจจุบันใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า
ความร้อนสะสมลึกใต้พื้นผิวโลก (บางทีในกรณีที่ไม่มีน้ำ);
พลังงานแมกมาและความร้อนที่สะสมอยู่ใต้ภูเขาไฟ

พลังงานความร้อนใต้พิภพสำรอง (~ 8 * 1030J) อยู่ที่ 35 พันล้านเท่าของการใช้พลังงานทั่วโลกต่อปี มีเพียง 1% ของพลังงานความร้อนใต้พิภพของเปลือกโลก (ความลึก 10 กม.) เท่านั้นที่สามารถให้พลังงานในปริมาณที่มากกว่าน้ำมันและก๊าซสำรองทั้งหมดของโลกถึง 500 เท่า อย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้ ทรัพยากรเหล่านี้ใช้ได้เพียงส่วนเล็ก ๆ เท่านั้น และสาเหตุหลักมาจากเหตุผลทางเศรษฐกิจ จุดเริ่มต้นของการพัฒนาอุตสาหกรรมของทรัพยากรความร้อนใต้พิภพ (พลังงานของน้ำร้อนลึกและไอน้ำร้อน) ถูกวางในปี 2459 เมื่อโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพแห่งแรกที่มีกำลังการผลิต 7.5 เมกะวัตต์ถูกนำไปใช้งานในอิตาลี ในช่วงเวลาที่ผ่านมา ประสบการณ์มากมายได้สั่งสมมาในด้านการพัฒนาแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในทางปฏิบัติ กำลังการผลิตติดตั้งรวมของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพ (GeoTPP) คือ: 1975 - 1,278 MW ในปี 1990 - 7,300 MW สหรัฐอเมริกา ฟิลิปปินส์ เม็กซิโก อิตาลี และญี่ปุ่นประสบความสำเร็จสูงสุดในเรื่องนี้
พารามิเตอร์ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของ GeoTPP แตกต่างกันไปตามช่วงที่ค่อนข้างกว้างและขึ้นอยู่กับลักษณะทางธรณีวิทยาของพื้นที่ (ความลึกของการเกิด พารามิเตอร์ของของไหลทำงาน องค์ประกอบ ฯลฯ) สำหรับ GeoTPP ที่ได้รับมอบหมายส่วนใหญ่ ค่าไฟฟ้าจะใกล้เคียงกับค่าไฟฟ้าที่ผลิตได้จาก TPP ที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง และมีมูลค่า 1200 ... 2000 ดอลลาร์สหรัฐ / เมกะวัตต์
ในไอซ์แลนด์ 80% ของอาคารที่พักอาศัยได้รับความร้อนจากน้ำร้อนที่สกัดจากบ่อน้ำร้อนใต้พิภพใต้เมืองเรคยาวิก ทางตะวันตกของสหรัฐอเมริกา บ้านและฟาร์มประมาณ 180 หลังได้รับความร้อนจากความร้อนใต้พิภพ ผู้เชี่ยวชาญระบุว่า ระหว่างปี 1993 ถึง 2000 การผลิตไฟฟ้าทั่วโลกจากพลังงานความร้อนใต้พิภพเพิ่มขึ้นกว่าเท่าตัว มีความร้อนใต้พิภพสำรองจำนวนมากในสหรัฐอเมริกาซึ่งในทางทฤษฎีสามารถให้พลังงานมากกว่าที่รัฐใช้ในปัจจุบันถึง 30 เท่า
ในอนาคต สามารถใช้ความร้อนของแมกมาในบริเวณที่มันตั้งอยู่ใกล้พื้นผิวโลกได้ เช่นเดียวกับความร้อนแห้งของหินผลึกที่ร้อนจัด ในกรณีหลังมีการขุดบ่อน้ำเป็นระยะทางหลายกิโลเมตร น้ำเย็นจะถูกสูบลง และน้ำร้อนจะถูกส่งกลับคืน

คำว่า "พลังงานความร้อนใต้พิภพ" มาจากคำภาษากรีก Earth (geo) และความร้อน (thermal) ในความเป็นจริง, พลังงานความร้อนใต้พิภพมาจากโลกนั่นเอง. ความร้อนจากแกนโลกซึ่งมีอุณหภูมิเฉลี่ย 3600 องศาเซลเซียส แผ่กระจายไปยังพื้นผิวโลก

การให้ความร้อนจากสปริงและกีย์เซอร์ใต้ดินที่ความลึกหลายกิโลเมตรสามารถทำได้โดยใช้บ่อพิเศษที่น้ำร้อน (หรือไอน้ำจากที่นั่น) ไหลลงสู่ผิวน้ำ ซึ่งสามารถใช้เป็นความร้อนโดยตรงหรือโดยอ้อมเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยการเปิดเครื่อง กังหันหมุน

เนื่องจากน้ำที่อยู่ใต้พื้นผิวโลกมีการเติมเต็มอย่างต่อเนื่อง และแกนกลางของโลกจะยังคงสร้างความร้อนขึ้นเมื่อเทียบกับชีวิตมนุษย์อย่างไม่มีกำหนด พลังงานความร้อนใต้พิภพในที่สุด สะอาดและหมุนเวียนได้

วิธีการรวบรวมแหล่งพลังงานของโลก

ปัจจุบัน มีสามวิธีหลักในการเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนใต้พิภพ: ไอน้ำแห้ง น้ำร้อน และวัฏจักรไบนารี กระบวนการอบไอน้ำแห้งขับเคลื่อนไดรฟ์เทอร์ไบน์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง น้ำร้อนจะไหลจากล่างขึ้นบนแล้วฉีดเข้าไปในถังเพื่อสร้างไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหัน สองวิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด ซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าได้หลายร้อยเมกะวัตต์ในสหรัฐอเมริกา ไอซ์แลนด์ ยุโรป รัสเซีย และประเทศอื่นๆ แต่สถานที่มีจำกัด เนื่องจากพืชเหล่านี้ทำงานเฉพาะในบริเวณเปลือกโลกที่เข้าถึงน้ำอุ่นได้ง่ายกว่า

ด้วยเทคโนโลยีวัฏจักรไบนารี น้ำอุ่น (ไม่จำเป็นต้องร้อน) จะถูกดึงไปที่พื้นผิวและรวมกับบิวเทนหรือเพนเทนซึ่งมีจุดเดือดต่ำ ของเหลวนี้ถูกสูบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งจะระเหยและส่งผ่านกังหันก่อนที่จะหมุนเวียนกลับเข้าสู่ระบบ เทคโนโลยีวงจรไบนารีให้กระแสไฟฟ้าหลายสิบเมกะวัตต์ในสหรัฐอเมริกา: แคลิฟอร์เนีย เนวาดา และหมู่เกาะฮาวาย

หลักการรับพลังงาน

ข้อเสียของการได้รับพลังงานความร้อนใต้พิภพ

ในระดับสาธารณูปโภค โรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพมีค่าใช้จ่ายในการสร้างและดำเนินการ การหาสถานที่ที่เหมาะสมต้องอาศัยการสำรวจบ่อน้ำที่มีต้นทุนสูง โดยไม่รับประกันว่าจะไปถึงฮอตสปอตใต้ดินที่มีประสิทธิผล อย่างไรก็ตาม นักวิเคราะห์คาดว่าความสามารถนี้จะเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าในช่วงหกปีข้างหน้า

นอกจากนี้ พื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูงจากแหล่งใต้ดินยังตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีภูเขาไฟทางธรณีวิทยาและภูเขาไฟเคมีที่ยังคุกรุ่นอยู่ "จุดร้อน" เหล่านี้ก่อตัวขึ้นที่ขอบเขตของแผ่นเปลือกโลกในบริเวณที่เปลือกโลกค่อนข้างบาง มหาสมุทรแปซิฟิกมักถูกเรียกว่าวงแหวนแห่งไฟสำหรับภูเขาไฟหลายแห่งซึ่งมีจุดร้อนหลายแห่ง รวมทั้งในอลาสก้า แคลิฟอร์เนีย และโอเรกอน เนวาดามีฮอตสปอตหลายร้อยแห่งซึ่งครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ทางตอนเหนือของสหรัฐฯ

มีพื้นที่ที่เกิดแผ่นดินไหวอื่นๆ แผ่นดินไหวและการเคลื่อนที่ของหินหนืดทำให้น้ำหมุนเวียนได้ ในบางแห่ง น้ำจะขึ้นสู่ผิวน้ำและเกิดน้ำพุร้อนและไกเซอร์ตามธรรมชาติ เช่น ในคัมชัตกา น้ำในกีย์เซอร์ของคัมชัตกาถึง 95 องศาเซลเซียส

ปัญหาอย่างหนึ่งของระบบน้ำพุร้อนแบบเปิดคือการปล่อยมลพิษทางอากาศบางชนิด ไฮโดรเจนซัลไฟด์ - ก๊าซพิษที่มีกลิ่น "ไข่เน่า" ที่เป็นที่รู้จักมาก - สารหนูและแร่ธาตุจำนวนเล็กน้อยที่ปล่อยออกมาจากไอน้ำ เกลือสามารถก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมได้เช่นกัน

ที่โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพนอกชายฝั่ง เกลือที่รบกวนจำนวนมากจะสะสมอยู่ในท่อ ในระบบปิดจะไม่มีการปล่อยมลพิษและของเหลวทั้งหมดถูกนำกลับคืนสู่พื้นผิว

ศักยภาพทางเศรษฐกิจของแหล่งพลังงาน

จุดที่เกิดแผ่นดินไหวไม่ได้เป็นเพียงสถานที่เดียวที่สามารถพบพลังงานความร้อนใต้พิภพได้ มีการจ่ายความร้อนที่ใช้งานได้อย่างต่อเนื่องสำหรับการให้ความร้อนโดยตรงที่ระดับความลึกตั้งแต่ 4 เมตรไปจนถึงหลายกิโลเมตรใต้พื้นผิวแทบทุกที่บนโลก แม้แต่ที่ดินในสนามหลังบ้านของตัวเองหรือที่โรงเรียนในท้องถิ่นก็มีศักยภาพทางเศรษฐกิจในการให้ความร้อนแก่บ้านหรืออาคารอื่นๆ

นอกจากนี้ยังมีพลังงานความร้อนจำนวนมากในชั้นหินแห้งที่อยู่ลึกลงไปใต้พื้นผิว (4 - 10 กม.)

การใช้เทคโนโลยีใหม่สามารถขยายระบบความร้อนใต้พิภพซึ่งผู้คนสามารถใช้ความร้อนนั้นเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในระดับที่ใหญ่กว่าเทคโนโลยีทั่วไปมาก โครงการสาธิตครั้งแรกของหลักการผลิตไฟฟ้านี้แสดงในสหรัฐอเมริกาและออสเตรเลียตั้งแต่ต้นปี 2556

หากสามารถบรรลุศักยภาพทางเศรษฐกิจเต็มรูปแบบของทรัพยากรความร้อนใต้พิภพ ก็จะเป็นตัวแทนของแหล่งไฟฟ้าขนาดใหญ่สำหรับกำลังการผลิต นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าแหล่งความร้อนใต้พิภพทั่วไปมีศักยภาพ 38,000 เมกะวัตต์ ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้าได้ 380 ล้านเมกะวัตต์ต่อปี

หินแห้งร้อนเกิดขึ้นที่ระดับความลึก 5 ถึง 8 กม. ทุกที่ที่อยู่ใต้ดินและที่ระดับความลึกที่ตื้นกว่าในบางสถานที่ การเข้าถึงทรัพยากรเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการแนะนำของน้ำเย็นที่หมุนเวียนผ่านหินร้อนและการกำจัดน้ำร้อน ขณะนี้ยังไม่มีการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์ เทคโนโลยีที่มีอยู่ยังไม่สามารถกู้คืนพลังงานความร้อนโดยตรงจากแมกมาได้ลึกมาก แต่นี่เป็นทรัพยากรพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ทรงพลังที่สุด.

ด้วยการรวมกันของแหล่งพลังงานและความสม่ำเสมอของพลังงานความร้อนใต้พิภพสามารถมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในฐานะระบบพลังงานที่สะอาดและยั่งยืนมากขึ้น

การก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพ

พลังงานความร้อนใต้พิภพคือความร้อนที่สะอาดและยั่งยืนจากโลก ทรัพยากรขนาดใหญ่มีตั้งแต่ไม่กี่กิโลเมตรใต้พื้นผิวโลก และลึกลงไปอีก จนถึงหินหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงที่เรียกว่าหินหนืด แต่ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น ผู้คนยังไปไม่ถึงหินหนืด

การออกแบบโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพสามแบบ

เทคโนโลยีของแอปพลิเคชันถูกกำหนดโดยทรัพยากร ถ้าน้ำมาจากบ่อไอน้ำก็ใช้ได้โดยตรง ถ้าน้ำร้อนสูงพอก็ต้องผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

หลุมแรกสำหรับการผลิตไฟฟ้าถูกเจาะก่อนปี พ.ศ. 2467 หลุมลึกถูกเจาะในปี 1950 แต่การพัฒนาที่แท้จริงเกิดขึ้นในปี 1970 และ 1980

การใช้ความร้อนใต้พิภพโดยตรง

แหล่งความร้อนใต้พิภพสามารถใช้โดยตรงเพื่อให้ความร้อน น้ำร้อนใช้สำหรับให้ความร้อนแก่อาคาร ปลูกพืชในโรงเรือน ปลาแห้งและพืชผล ปรับปรุงการผลิตน้ำมัน ช่วยในกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น นมพาสเจอร์ไรส์ และทำให้น้ำร้อนในฟาร์มเลี้ยงปลา ในสหรัฐอเมริกา น้ำตก Klamath รัฐโอเรกอน และบอยซี รัฐไอดาโฮ ใช้น้ำร้อนใต้พิภพเพื่อสร้างความร้อนให้กับบ้านเรือนและอาคารต่างๆ มานานกว่าศตวรรษ บนชายฝั่งตะวันออก เมืองวอร์มสปริงส์ รัฐเวอร์จิเนียได้รับความร้อนโดยตรงจากแหล่งน้ำแร่โดยใช้แหล่งความร้อนที่รีสอร์ทท้องถิ่นแห่งหนึ่ง

ในไอซ์แลนด์ อาคารแทบทุกหลังในประเทศได้รับความร้อนจากน้ำพุร้อน อันที่จริง ไอซ์แลนด์ได้รับพลังงานหลักมากกว่าร้อยละ 50 จากแหล่งความร้อนใต้พิภพ ตัวอย่างเช่น ในเมืองเรคยาวิก (ป๊อป 118,000) น้ำร้อนจะถูกลำเลียงไปตามสายพานลำเลียง 25 กิโลเมตร และผู้อยู่อาศัยใช้น้ำร้อนเพื่อให้ความร้อนและความต้องการทางธรรมชาติ

นิวซีแลนด์ได้รับไฟฟ้าเพิ่ม 10% ยังไม่ได้รับการพัฒนาแม้จะมีแหล่งน้ำร้อน

วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต บน. ฉันสาบานศาสตราจารย์
นักวิชาการของ Russian Academy of Technological Sciences, Moscow

ในช่วงไม่กี่สิบปีที่ผ่านมา โลกได้พิจารณาทิศทางการใช้พลังงานจากความร้อนลึกของโลกอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่อทดแทนก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน และถ่านหินบางส่วน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะในพื้นที่ที่มีพารามิเตอร์ความร้อนใต้พิภพสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในพื้นที่ใดๆ ของโลกด้วยเมื่อเจาะหลุมฉีดและหลุมผลิต และสร้างระบบหมุนเวียนระหว่างกัน

ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในแหล่งพลังงานทางเลือกในโลกในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาเกิดจากการที่ปริมาณสำรองเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนหมดลงและความจำเป็นในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมจำนวนหนึ่ง ปัจจัยที่เป็นรูปธรรม (ปริมาณสำรองของเชื้อเพลิงฟอสซิลและยูเรเนียม ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากไฟแบบดั้งเดิมและพลังงานนิวเคลียร์) ทำให้เราสามารถยืนยันได้ว่าการเปลี่ยนไปใช้วิธีการและรูปแบบการผลิตพลังงานใหม่เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

เศรษฐกิจโลกกำลังมุ่งสู่การเปลี่ยนผ่านไปสู่การรวมแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิมและพลังงานใหม่อย่างมีเหตุผล ความร้อนของโลกเกิดขึ้นที่สถานที่แรกในหมู่พวกเขา

แหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพแบ่งออกเป็นอุทกธรณีวิทยาและความร้อนใต้พิภพ ตัวแรกแสดงโดยตัวพาความร้อน (ประกอบด้วยเพียง 1% ของแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพทั้งหมด) - น้ำบาดาล ไอน้ำ และน้ำผสมไอน้ำ ประการที่สองคือพลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีอยู่ในหินร้อน

เทคโนโลยีน้ำพุ (การหกใส่ตัวเอง) ที่ใช้ในประเทศของเราและต่างประเทศสำหรับการสกัดไอน้ำธรรมชาติและน้ำจากความร้อนใต้พิภพนั้นเรียบง่าย แต่ไม่มีประสิทธิภาพ ด้วยอัตราการไหลที่ต่ำของหลุมที่ไหลเองได้ การผลิตความร้อนของหลุมดังกล่าวสามารถชดใช้ค่าใช้จ่ายในการขุดเจาะได้เฉพาะที่ความลึกตื้นของแหล่งเก็บความร้อนใต้พิภพที่มีอุณหภูมิสูงในพื้นที่ที่มีความผิดปกติจากความร้อน อายุการใช้งานของบ่อน้ำดังกล่าวในหลายประเทศไม่ถึง 10 ปี

ในเวลาเดียวกัน ประสบการณ์ยืนยันว่าเมื่อมีแหล่งสะสมไอน้ำธรรมชาติแบบตื้น การก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นทางเลือกที่ทำกำไรได้มากที่สุดสำหรับการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ การดำเนินงานของ GeoTPP ดังกล่าวได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแข่งขันเมื่อเปรียบเทียบกับโรงไฟฟ้าประเภทอื่น ดังนั้นการใช้แหล่งน้ำความร้อนใต้พิภพและไฮโดรเทอร์มไอน้ำในประเทศของเราบนคาบสมุทร Kamchatka และบนเกาะของ Kuril chain ในภูมิภาคของ North Caucasus และอาจเป็นไปได้ในพื้นที่อื่น ๆ จึงเหมาะสมและทันท่วงที แต่แหล่งไอน้ำหายาก แหล่งสำรองที่ทราบและคาดการณ์ไว้มีน้อย แหล่งความร้อนและน้ำไฟฟ้าที่สะสมอยู่ทั่วไปมักไม่ได้อยู่ใกล้ผู้บริโภคเพียงพอเสมอ - วัตถุจ่ายความร้อน สิ่งนี้ไม่รวมถึงความเป็นไปได้ของการใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพในปริมาณมาก

บ่อยครั้งที่ปัญหาในการต่อสู้กับการปรับขนาดกลายเป็นปัญหาที่ซับซ้อน ตามกฎแล้วการใช้ความร้อนใต้พิภพเป็นแหล่งแร่ในฐานะตัวพาความร้อนนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของโซนหลุมเจาะที่มีเหล็กออกไซด์แคลเซียมคาร์บอเนตและการก่อตัวของซิลิเกต นอกจากนี้ ปัญหาการกัดเซาะการกัดกร่อนและการปรับขนาดยังส่งผลเสียต่อการทำงานของอุปกรณ์ ปัญหาก็คือการปล่อยแร่ธาตุและน้ำเสียที่มีสิ่งสกปรกที่เป็นพิษ ดังนั้นเทคโนโลยีน้ำพุที่ง่ายที่สุดจึงไม่สามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาทรัพยากรความร้อนใต้พิภพอย่างกว้างขวาง

จากการประมาณการเบื้องต้นในอาณาเขตของสหพันธรัฐรัสเซีย ปริมาณสำรองที่คาดการณ์ไว้ของน้ำความร้อนที่มีอุณหภูมิ 40–250 °C ความเค็ม 35–200 g/l และความลึกสูงสุด 3000 ม. คือ 21–22 ล้าน ลบ.ม./วัน ซึ่งเทียบเท่ากับการเผาไหม้น้ำ 30-40 ล้านตัน .t. ในปี.

ปริมาณสำรองที่คาดการณ์ไว้สำหรับส่วนผสมของไอน้ำและอากาศที่มีอุณหภูมิ 150-250 °C ในคาบสมุทรคัมชัตกาและหมู่เกาะคูริลอยู่ที่ 500,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน และแหล่งน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิ 40-100 ° C - 150,000 m3 / วัน

ปริมาณสำรองของน้ำร้อนที่มีอัตราการไหลประมาณ 8 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อวัน โดยมีความเค็มสูงถึง 10 กรัม/ลิตร และอุณหภูมิที่สูงกว่า 50 °C ถือว่ามีความสำคัญสูงสุดสำหรับการพัฒนา

สิ่งที่สำคัญกว่ามากสำหรับพลังงานแห่งอนาคตคือการสกัดพลังงานความร้อน ซึ่งเป็นทรัพยากรความร้อนใต้พิภพที่ไม่มีวันหมดสิ้นในทางปฏิบัติ พลังงานความร้อนใต้พิภพนี้ ล้อมรอบด้วยหินร้อนที่เป็นของแข็ง เป็น 99% ของทรัพยากรทั้งหมดของพลังงานความร้อนใต้ดิน ที่ระดับความลึกสูงสุด 4-6 กม. เทือกเขาที่มีอุณหภูมิ 300-400 °C สามารถพบได้ใกล้กับห้องกลางของภูเขาไฟบางลูกเท่านั้น แต่หินร้อนที่มีอุณหภูมิ 100-150 °C กระจายอยู่เกือบทุกที่ใน ความลึกเหล่านี้และด้วยอุณหภูมิ 180-200 °C ในพื้นที่ส่วนสำคัญของรัสเซีย

เป็นเวลาหลายพันล้านปีที่นิวเคลียร์ ความโน้มถ่วง และกระบวนการอื่นๆ ภายในโลกได้เกิดขึ้นและยังคงสร้างพลังงานความร้อนต่อไป บางส่วนแผ่ออกสู่อวกาศและความร้อนสะสมในส่วนลึกเช่น ปริมาณความร้อนของเฟสของแข็ง ของเหลว และก๊าซของสสารบนบกเรียกว่าพลังงานความร้อนใต้พิภพ

การสร้างความร้อนภายในโลกอย่างต่อเนื่องจะชดเชยการสูญเสียภายนอก ทำหน้าที่เป็นแหล่งสะสมพลังงานความร้อนใต้พิภพ และกำหนดส่วนที่หมุนเวียนได้ของทรัพยากร การกำจัดความร้อนโดยรวมจากภายในสู่พื้นผิวโลกนั้นสูงกว่ากำลังการผลิตปัจจุบันของโรงไฟฟ้าในโลกถึงสามเท่าและอยู่ที่ประมาณ 30 TW

อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าการหมุนเวียนมีความสำคัญต่อทรัพยากรธรรมชาติที่มีอยู่อย่างจำกัดเท่านั้น และศักยภาพโดยรวมของพลังงานความร้อนใต้พิภพนั้นแทบจะไม่มีวันหมดสิ้น เนื่องจากควรกำหนดเป็นปริมาณความร้อนทั้งหมดที่มีสู่โลก

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ในช่วงไม่กี่สิบปีที่ผ่านมา โลกกำลังพิจารณาทิศทางการใช้พลังงานความร้อนลึกของโลกอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพื่อทดแทนก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน และถ่านหินบางส่วน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะในพื้นที่ที่มีพารามิเตอร์ความร้อนใต้พิภพสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในพื้นที่ใดๆ ของโลกด้วยเมื่อเจาะหลุมฉีดและหลุมผลิต และสร้างระบบหมุนเวียนระหว่างกัน

แน่นอนว่าหินมีค่าการนำความร้อนต่ำ เพื่อให้ระบบหมุนเวียนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีหรือสร้างพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ได้รับการพัฒนาอย่างเพียงพอในเขตการระบายความร้อน พื้นผิวดังกล่าวมักพบในรูปแบบรูพรุนและบริเวณที่มีความต้านทานการแตกหักตามธรรมชาติ ซึ่งมักพบที่ระดับความลึกข้างต้น การซึมผ่านได้ทำให้สามารถจัดระเบียบการกรองแบบบังคับของสารหล่อเย็นด้วยการสกัดพลังงานหินอย่างมีประสิทธิภาพ การสร้างพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่กว้างขวางโดยประดิษฐ์ในมวลที่มีรูพรุนที่ซึมผ่านได้ต่ำโดยการแตกหักด้วยไฮดรอลิก (ดูรูป)

ปัจจุบันมีการใช้การแตกหักของไฮดรอลิกในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซเพื่อเพิ่มการซึมผ่านของอ่างเก็บน้ำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนน้ำมันในการพัฒนาแหล่งน้ำมัน เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถสร้างรอยแตกที่แคบแต่ยาว หรือรอยแตกที่สั้นแต่กว้างได้ ตัวอย่างของการแตกหักด้วยไฮดรอลิกที่มีรอยแตกยาวไม่เกิน 2-3 กม. เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว

แนวคิดภายในประเทศในการสกัดทรัพยากรความร้อนใต้พิภพหลักที่มีอยู่ในหินแข็งนั้นแสดงออกมาในช่วงต้นปี 1914 โดย K.E. โอบรูชอฟ

ในปีพ.ศ. 2506 GCC แห่งแรกถูกสร้างขึ้นในปารีสเพื่อดึงความร้อนจากหินที่มีรูพรุนเพื่อให้ความร้อนและปรับอากาศในบริเวณอาคาร Broadcasting Chaos ในปี พ.ศ. 2528 มีโรงงาน GCC 64 แห่งได้ดำเนินการในฝรั่งเศสแล้ว โดยมีกำลังการผลิตความร้อนรวมอยู่ที่ 450 เมกะวัตต์ โดยสามารถประหยัดน้ำมันได้ประมาณ 150,000 ตันต่อปี ในปีเดียวกัน GCC แรกดังกล่าวถูกสร้างขึ้นในสหภาพโซเวียตในหุบเขา Khankala ใกล้เมือง Grozny

ในปีพ.ศ. 2520 ตามโครงการของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอสแห่งสหรัฐอเมริกา การทดสอบ GCC ทดลองที่มีการแตกหักด้วยไฮดรอลิกของเทือกเขาที่แทบจะซึมผ่านไม่ได้เริ่มต้นขึ้นที่พื้นที่ Fenton Hill ในรัฐนิวเม็กซิโก น้ำจืดเย็นที่ฉีดผ่านบ่อน้ำ (ฉีด) ถูกทำให้ร้อนเนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อนกับมวลหิน (185 OC) ในการแตกหักในแนวตั้งที่มีพื้นที่ 8000 m2 ซึ่งเกิดจากการแตกหักด้วยไฮดรอลิกที่ความลึก 2.7 กม. ในบ่อน้ำอื่น (การผลิต) เมื่อข้ามรอยแยกนี้ น้ำร้อนยวดยิ่งมาถึงพื้นผิวในรูปแบบของไอพ่นไอน้ำ เมื่อหมุนเวียนในวงจรปิดภายใต้ความกดดัน อุณหภูมิของน้ำร้อนยวดยิ่งบนพื้นผิวถึง 160-180 °C และพลังงานความร้อนของระบบ - 4-5 MW น้ำหล่อเย็นรั่วไหลสู่มวลอากาศโดยรอบมีปริมาณประมาณ 1% ของการไหลทั้งหมด ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนทางกลและทางเคมี (สูงถึง 0.2 กรัม/ลิตร) สอดคล้องกับสภาวะของน้ำดื่มสะอาด การแตกหักของไฮดรอลิกไม่ต้องการการแก้ไขและเปิดค้างไว้โดยแรงดันอุทกสถิตของของไหล การพาความร้อนแบบอิสระที่พัฒนาขึ้นช่วยให้มั่นใจได้ถึงการมีส่วนร่วมอย่างมีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนของพื้นผิวเกือบทั้งหมดของหินร้อนที่โผล่ขึ้นมา

การสกัดพลังงานความร้อนใต้ดินจากหินร้อนที่ผ่านไม่ได้ตามวิธีการเจาะแบบเอียงและการแตกร้าวด้วยไฮดรอลิกที่เชี่ยวชาญและฝึกฝนในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซมาเป็นเวลานานไม่ก่อให้เกิดแผ่นดินไหวหรือผลกระทบอื่น ๆ ต่อ สิ่งแวดล้อม.

ในปีพ.ศ. 2526 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ย้ำประสบการณ์ของชาวอเมริกันด้วยการสร้าง GCC แบบทดลองที่มีการแตกร้าวด้วยไฮดรอลิกของหินแกรนิตในคาร์นเวลล์ งานที่คล้ายกันนี้ดำเนินการในเยอรมนี สวีเดน มีโครงการทำความร้อนใต้พิภพมากกว่า 224 โครงการในสหรัฐอเมริกา อย่างไรก็ตาม สันนิษฐานว่าทรัพยากรความร้อนใต้พิภพสามารถจัดหาความต้องการพลังงานความร้อนที่ไม่ใช่ไฟฟ้าในอนาคตของสหรัฐฯ ได้เป็นจำนวนมาก ในญี่ปุ่น ความจุของ GeoTPP ในปี 2000 ถึงประมาณ 50 GW

ปัจจุบันมีการวิจัยและสำรวจทรัพยากรความร้อนใต้พิภพใน 65 ประเทศ ในโลกที่อิงจากพลังงานความร้อนใต้พิภพ มีการสร้างสถานีที่มีความจุรวมประมาณ 10 GW สหประชาชาติสนับสนุนการพัฒนาพลังงานความร้อนใต้พิภพอย่างแข็งขัน

ประสบการณ์ที่สั่งสมมาในหลายประเทศทั่วโลกเกี่ยวกับการใช้สารหล่อเย็นความร้อนใต้พิภพแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวยพวกเขาสามารถทำกำไรได้มากกว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนและนิวเคลียร์ 2-5 เท่า การคำนวณแสดงให้เห็นว่าบ่อน้ำร้อนใต้พิภพหนึ่งบ่อสามารถแทนที่ถ่านหินได้ 158,000 ตันต่อปี

ดังนั้น ความร้อนของโลกอาจเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนหลักเพียงแหล่งเดียว การพัฒนาอย่างมีเหตุผลซึ่งสัญญาว่าจะลดต้นทุนพลังงานเมื่อเทียบกับพลังงานเชื้อเพลิงสมัยใหม่ ด้วยศักยภาพด้านพลังงานที่ไม่รู้จักเหนื่อยเท่ากัน การติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์และเทอร์โมนิวเคลียร์จะมีราคาแพงกว่าเชื้อเพลิงที่มีอยู่

แม้จะมีประวัติศาสตร์อันยาวนานของการพัฒนาความร้อนของโลก แต่ในปัจจุบันเทคโนโลยีความร้อนใต้พิภพยังไม่ถึงการพัฒนาที่สูง การพัฒนาพลังงานความร้อนของโลกกำลังประสบปัญหาอย่างมากในการสร้างบ่อน้ำลึกซึ่งเป็นช่องทางในการนำสารหล่อเย็นขึ้นสู่ผิวน้ำ เนื่องจากอุณหภูมิสูงที่ก้นหลุม (200-250 °C) เครื่องมือตัดหินแบบดั้งเดิมจึงไม่เหมาะกับการทำงานในสภาวะดังกล่าว มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับการเลือกท่อสว่านและท่อปลอก สารละลายซีเมนต์ เทคโนโลยีการขุดเจาะ ปลอกหุ้มและ เสร็จสิ้น อุปกรณ์วัดในประเทศ อุปกรณ์ประกอบการทำงานแบบอนุกรม และอุปกรณ์ต่างๆ ผลิตขึ้นในการออกแบบที่ช่วยให้อุณหภูมิไม่สูงกว่า 150-200 ° C การขุดเจาะบ่อน้ำลึกแบบดั้งเดิมในบางครั้งอาจล่าช้าเป็นเวลาหลายปีและต้องใช้ต้นทุนทางการเงินจำนวนมาก ในสินทรัพย์การผลิตหลักต้นทุนของหลุมอยู่ที่ 70 ถึง 90% ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้และควรแก้ไขโดยการสร้างเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าเพื่อการพัฒนาส่วนหลักของทรัพยากรความร้อนใต้พิภพเช่น การสกัดพลังงานจากหินร้อน

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญชาวรัสเซียของเราได้จัดการกับปัญหาในการสกัดและใช้พลังงานความร้อนลึกที่ไม่มีวันหมดและหมุนเวียนของหินร้อนของโลกในอาณาเขตของสหพันธรัฐรัสเซียมานานกว่าหนึ่งปี วัตถุประสงค์ของงานคือการสร้างบนพื้นฐานของเทคโนโลยีในประเทศและเทคโนโลยีชั้นสูงสำหรับการเจาะลึกเข้าไปในลำไส้ของเปลือกโลก ปัจจุบันมีการพัฒนาเครื่องมือขุดเจาะ (BS) หลายรุ่นซึ่งไม่มีการเปรียบเทียบในทางปฏิบัติ

การทำงานของ BS เวอร์ชันแรกเชื่อมโยงกับเทคโนโลยีการขุดเจาะบ่อน้ำแบบเดิมในปัจจุบัน ความเร็วในการเจาะฮาร์ดร็อค (ความหนาแน่นเฉลี่ย 2500-3300 กก./ลบ.ม.) สูงสุด 30 ม./ชม. เส้นผ่านศูนย์กลางรู 200-500 มม. รุ่นที่สองของ BS ทำการเจาะหลุมในโหมดอัตโนมัติและอัตโนมัติ การเปิดตัวดำเนินการจากแพลตฟอร์มการเปิดตัวและการยอมรับพิเศษ ซึ่งควบคุมการเคลื่อนที่ของมัน BS หนึ่งพันเมตรในฮาร์ดร็อคจะสามารถผ่านได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง เส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 500 ถึง 1,000 มม. ตัวแปร BS ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้มีความคุ้มค่าและคุ้มค่ามาก การแนะนำ BS ในการผลิตจะเป็นการเปิดเวทีใหม่ในการก่อสร้างบ่อน้ำและให้การเข้าถึงแหล่งพลังงานความร้อนของโลกที่ไม่สิ้นสุด

สำหรับความต้องการการจ่ายความร้อนความลึกที่ต้องการของบ่อน้ำทั่วประเทศอยู่ในช่วงสูงถึง 3-4.5 พันเมตรและไม่เกิน 5-6,000 เมตร อุณหภูมิของตัวพาความร้อนสำหรับที่อยู่อาศัยและแหล่งจ่ายความร้อนส่วนกลาง ไม่เกิน 150 องศาเซลเซียส สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมอุณหภูมิตามกฎแล้วไม่เกิน 180-200 °C

วัตถุประสงค์ของการสร้าง GCC คือเพื่อให้ความร้อนคงที่ ราคาไม่แพง และราคาถูกแก่ภูมิภาคที่ห่างไกล เข้าถึงยาก และไม่ได้รับการพัฒนาของสหพันธรัฐรัสเซีย ระยะเวลาการดำเนินงานของ GCS คือ 25-30 ปีหรือมากกว่า ระยะเวลาคืนทุนของสถานี (โดยคำนึงถึงเทคโนโลยีการขุดเจาะล่าสุด) คือ 3-4 ปี

การสร้างในสหพันธรัฐรัสเซียในไม่กี่ปีข้างหน้าของความสามารถที่เหมาะสมสำหรับการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพสำหรับความต้องการที่ไม่ใช้ไฟฟ้าจะเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงเทียบเท่าประมาณ 600 ล้านตัน ประหยัดได้ถึง 2 ล้านล้านรูเบิล

จนถึงปี 2030 สามารถสร้างความจุพลังงานเพื่อทดแทนพลังงานไฟได้ถึง 30% และจนถึงปี 2040 การกำจัดวัตถุดิบอินทรีย์ที่เป็นเชื้อเพลิงเกือบทั้งหมดจากสมดุลพลังงานของสหพันธรัฐรัสเซีย

วรรณกรรม

1. Goncharov S.A. อุณหพลศาสตร์ มอสโก: MGTUim. เน.อี. บาวแมน, 2545. 440 น.

2. Dyadkin Yu.D. เป็นต้น ฟิสิกส์ความร้อนใต้พิภพ เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก: Nauka, 1993. 255 p.

3. ฐานทรัพยากรแร่ของเชื้อเพลิงและพลังงานที่ซับซ้อนของรัสเซีย สถานะและการพยากรณ์โรค / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko และคนอื่น ๆ เอ็ด วี.ซี. การิโปวา, E.A. คอซลอฟสกี ม. 2547 548 น.

4. Novikov G. P. et al. การขุดเจาะบ่อน้ำร้อน M.: Nedra, 1986. 229 น.

พวกเขา. Kapitonov

ความร้อนนิวเคลียร์ของโลก

โลกร้อน

โลกเป็นร่างกายที่ค่อนข้างร้อนจัดและเป็นแหล่งความร้อน มันร้อนขึ้นเป็นหลักเนื่องจากการแผ่รังสีดวงอาทิตย์ที่ดูดซับ แต่โลกก็มีแหล่งความร้อนของตัวเองเทียบได้กับความร้อนที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ เชื่อกันว่าพลังงานของโลกนี้มีต้นกำเนิดดังต่อไปนี้ โลกเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 4.5 พันล้านปีก่อนหลังจากการก่อตัวของดวงอาทิตย์จากจานฝุ่นก๊าซก่อกำเนิดดาวเคราะห์ที่หมุนรอบมันและควบแน่น ในช่วงเริ่มต้นของการก่อตัว สสารของโลกได้รับความร้อนจากการกดทับด้วยแรงโน้มถ่วงที่ค่อนข้างช้า พลังงานที่ปล่อยออกมาในช่วงการล่มสลายของวัตถุจักรวาลขนาดเล็กที่มีบทบาทสำคัญในสมดุลความร้อนของโลกนั้นมีบทบาทสำคัญเช่นกัน ดังนั้นหนุ่ม Earth จึงหลอมละลาย เมื่อเย็นลง มันก็ค่อยๆ เข้าสู่สถานะปัจจุบันด้วยพื้นผิวที่แข็ง ซึ่งส่วนสำคัญถูกปกคลุมด้วยมหาสมุทรและน้ำทะเล ชั้นนอกแข็งนี้เรียกว่า เปลือกโลกและโดยเฉลี่ยแล้วบนบกมีความหนาประมาณ 40 กม. และใต้น้ำในมหาสมุทร - 5-10 กม. ชั้นดินลึกที่เรียกว่า ปกคลุมยังประกอบด้วยของแข็ง มันขยายไปถึงความลึกเกือบ 3000 กม. และมีสสารจำนวนมากในโลก ในที่สุด ส่วนในสุดของโลกก็คือ นิวเคลียส. ประกอบด้วยสองชั้น - ภายนอกและภายใน แกนนอกนี่คือชั้นของเหล็กหลอมเหลวและนิกเกิลที่อุณหภูมิ 4500-6500 K ที่มีความหนา 2,000-2500 กม. แกนในด้วยรัศมี 1,000-1500 กม. เป็นโลหะผสมเหล็ก - นิกเกิลที่เป็นของแข็งให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 4000-5,000 K โดยมีความหนาแน่นประมาณ 14 g / cm 3 ซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันมหาศาล (เกือบ 4 ล้านบาร์)
นอกเหนือจากความร้อนภายในของโลกซึ่งสืบทอดมาจากช่วงที่ร้อนที่สุดของการก่อตัวของมันและปริมาณที่จะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปยังมีอีกระยะหนึ่ง - ระยะยาวที่เกี่ยวข้องกับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียสที่มีครึ่งยาว -ชีวิต - อย่างแรกเลย 232 Th, 235 U , 238 U และ 40 K พลังงานที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวเหล่านี้ - คิดเป็นเกือบ 99% ของพลังงานกัมมันตภาพรังสีของโลก - เติมความร้อนสำรองของโลกอย่างต่อเนื่อง นิวเคลียสข้างต้นมีอยู่ในเปลือกโลกและเสื้อคลุม การผุกร่อนทำให้เกิดความร้อนทั้งชั้นนอกและชั้นในของโลก
ส่วนหนึ่งของความร้อนมหาศาลที่อยู่ภายในโลกจะออกมาที่พื้นผิวของมันอย่างต่อเนื่อง บ่อยครั้งในกระบวนการภูเขาไฟขนาดใหญ่มาก ทราบการไหลของความร้อนที่ไหลจากส่วนลึกของโลกผ่านพื้นผิวของมัน มันคือ (47±2)·10 12 วัตต์ ซึ่งเทียบเท่ากับความร้อนที่สามารถสร้างได้จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 50,000 แห่ง (กำลังเฉลี่ยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์หนึ่งแห่งคือประมาณ 10 9 วัตต์) คำถามเกิดขึ้นว่าพลังงานกัมมันตภาพรังสีมีบทบาทสำคัญในงบประมาณความร้อนทั้งหมดของโลกหรือไม่ และถ้าเป็นเช่นนั้น มีบทบาทอย่างไร คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ยังไม่ทราบเป็นเวลานาน ตอนนี้มีโอกาสที่จะตอบคำถามเหล่านี้ บทบาทสำคัญในที่นี้เป็นของนิวตริโน (antineutrinos) ซึ่งเกิดในกระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียสที่ประกอบเป็นสสารของโลกและเรียกว่า จีโอนิวตริโน.

จีโอนิวตริโน

จีโอนิวตริโนเป็นชื่อรวมของนิวตริโนหรือแอนตินิวตริโนซึ่งถูกปล่อยออกมาจากการสลายบีตาของนิวเคลียสที่อยู่ใต้พื้นผิวโลก เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากความสามารถในการเจาะทะลุที่ไม่เคยมีมาก่อน การลงทะเบียนของสิ่งเหล่านี้ (และมีเพียงพวกเขาเท่านั้น) โดยเครื่องตรวจจับนิวตริโนบนพื้นดินสามารถให้ข้อมูลที่เป็นกลางเกี่ยวกับกระบวนการของการสลายกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นลึกภายในโลก ตัวอย่างของการสลายตัวดังกล่าวคือการสลายตัว β ของนิวเคลียส 228 Ra ซึ่งเป็นผลคูณของการสลาย α ของนิวเคลียส 232 Th ที่มีอายุยืนยาว (ดูตาราง):

ค่าครึ่งชีวิต (T 1/2) ของนิวเคลียส 228 Ra คือ 5.75 ปี และพลังงานที่ปล่อยออกมาคือประมาณ 46 keV สเปกตรัมพลังงานของแอนตินิวทริโนมีความต่อเนื่องโดยมีขีดจำกัดบนใกล้กับพลังงานที่ปล่อยออกมา
การสลายตัวของนิวเคลียส 232 Th, 235 U, 238 U เป็นโซ่ของการสลายที่ต่อเนื่องกันซึ่งก่อตัวขึ้นที่เรียกว่า ซีรีส์กัมมันตภาพรังสี. ในสายโซ่ดังกล่าว α-สลายตัวจะถูกกระจายด้วย β − -การสลายตัว เนื่องจากใน α-สลายตัว นิวเคลียสสุดท้ายจะเปลี่ยนจากเส้นเสถียรภาพ β ไปยังบริเวณของนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากเกินไป หลังจากที่สายโซ่แห่งการสลายตัวต่อเนื่องกันที่ส่วนท้ายของแต่ละแถว นิวเคลียสที่เสถียรจะก่อตัวขึ้นด้วยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่ใกล้เคียงหรือเท่ากับจำนวนเวทย์มนตร์ (Z = 82,นู๋= 126) นิวเคลียสสุดท้ายดังกล่าวเป็นไอโซโทปที่เสถียรของตะกั่วหรือบิสมัท ดังนั้นการสลายตัวของ T 1/2 จึงจบลงด้วยการก่อตัวของนิวเคลียสเวทย์มนตร์สองเท่า 208 Pb และบนเส้นทาง 232 Th → 208 Pb หก α-สลายเกิดขึ้นสลับกับสี่ β - การสลายตัว (ในสายโซ่ 238 U → 206 Pb, α- แปดตัวและหก β - - สลายตัว มี α- เจ็ดตัวและ β สี่ตัว − สลายตัวในสายโซ่ 235 U → 207 Pb) ดังนั้นสเปกตรัมพลังงานของแอนตินิวทริโนจากอนุกรมกัมมันตภาพรังสีแต่ละชุดจึงเป็นการทับซ้อนของสเปกตรัมบางส่วนจากการสลายตัวของ β − แต่ละตัวที่ประกอบเป็นอนุกรมนี้ สเปกตรัมของแอนตินิวทริโนที่ผลิตในการสลายตัว 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K แสดงไว้ในรูปที่ 1. การสลายตัว 40 K เป็นการสลายตัว β − เดียว (ดูตาราง) Antineutrinos มีพลังงานสูงสุด (มากถึง 3.26 MeV) ในการสลายตัว
214 Bi → 214 Po ซึ่งเป็นลิงค์ในซีรีย์กัมมันตภาพรังสี 238 U พลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาระหว่างทางเดินของการเชื่อมโยงการสลายตัวทั้งหมดในซีรีย์ 232 Th → 208 Pb คือ 42.65 MeV สำหรับซีรีย์กัมมันตภาพรังสี 235 U และ 238 U พลังงานเหล่านี้มีค่าเท่ากับ 46.39 และ 51.69 MeV ตามลำดับ พลังงานที่ปล่อยออกมาในการสลายตัว
40 K → 40 Ca คือ 1.31 MeV

ลักษณะของนิวเคลียส 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K นิวเคลียส

นิวเคลียส	แบ่งปันใน% ในส่วนผสม ไอโซโทป	จำนวนคอร์ เกี่ยวข้อง ศรีนิวเคลียส	ที 1/2 พันล้านปี	ลิงค์แรก ผุ
232ธ	100	0.0335	14.0
235 ยู	0.7204	6.48 10 -5	0.704
238 ยู	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

ค่าประมาณของ geo-neutrino flux ที่ทำขึ้นบนพื้นฐานของการสลายตัวของนิวเคลียส 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K ที่มีอยู่ในองค์ประกอบของสสารของโลก นำไปสู่ค่าลำดับ 10 6 ซม. -2 วินาที -1 โดยการลงทะเบียน geo-neutrinos เหล่านี้ เราสามารถได้รับข้อมูลเกี่ยวกับบทบาทของความร้อนกัมมันตภาพรังสีในสมดุลความร้อนทั้งหมดของโลก และทดสอบแนวคิดของเราเกี่ยวกับเนื้อหาของไอโซโทปรังสีที่มีอายุยืนยาวในเรื่องภาคพื้นดิน

ข้าว. 1. สเปกตรัมพลังงานของแอนตินิวทริโนจากการสลายตัวของนิวเคลียร์

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K ทำให้ปกติเป็นหนึ่งการสลายตัวของนิวเคลียสต้นกำเนิด

ปฏิกิริยานี้ใช้เพื่อลงทะเบียนอิเล็กตรอนแอนตินิวทริโน

P → e + + n, (1)

ที่ซึ่งอนุภาคนี้ถูกค้นพบจริงๆ เกณฑ์สำหรับปฏิกิริยานี้คือ 1.8 MeV ดังนั้น เฉพาะ geo-neutrinos ที่ก่อตัวในสายโซ่สลายตัวที่เริ่มต้นจากนิวเคลียส 232 Th และ 238 U เท่านั้นที่สามารถลงทะเบียนในปฏิกิริยาข้างต้น ภาพตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของปฏิกิริยาภายใต้การสนทนามีขนาดเล็กมาก: σ ≈ 10 -43 ซม. 2 ดังนั้นจึงเป็นไปตามที่เครื่องตรวจจับนิวตริโนที่มีปริมาตรที่ละเอียดอ่อน 1 ม. 3 จะลงทะเบียนไม่เกินสองสามเหตุการณ์ต่อปี เห็นได้ชัดว่า สำหรับการตรึงกระแส geo-neutrino ที่เชื่อถือได้ จำเป็นต้องมีเครื่องตรวจจับนิวตริโนปริมาณมาก ซึ่งตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการใต้ดินเพื่อการปกป้องสูงสุดจากพื้นหลัง แนวคิดในการใช้เครื่องตรวจจับที่ออกแบบมาเพื่อศึกษานิวตริโนพลังงานแสงอาทิตย์และเครื่องปฏิกรณ์สำหรับการลงทะเบียนของจีโอ-นิวตริโนเกิดขึ้นในปี 2541 ปัจจุบันมีเครื่องตรวจจับนิวตริโนปริมาณมากสองเครื่องที่ใช้เครื่องเรืองแสงวาบแบบของเหลวและเหมาะสำหรับการแก้ปัญหา เหล่านี้เป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโนของการทดลอง KamLAND (ญี่ปุ่น, ) และ Borexino (อิตาลี, ) ด้านล่างเราจะพิจารณาอุปกรณ์ของเครื่องตรวจจับ Borexino และผลลัพธ์ที่ได้จากเครื่องตรวจจับนี้ในการลงทะเบียน geo-neutrinos

เครื่องตรวจจับ Borexino และการลงทะเบียน geo-neutrinos

เครื่องตรวจจับนิวตริโน Borexino ตั้งอยู่ทางตอนกลางของอิตาลีในห้องปฏิบัติการใต้ดินใต้เทือกเขา Gran Sasso ซึ่งมียอดเขาสูงถึง 2.9 กม. (รูปที่ 2)

ข้าว. มะเดื่อ 2. แผนผังที่ตั้งของห้องปฏิบัติการนิวทริโนใต้ทิวเขา Gran Sasso (ตอนกลางของอิตาลี)

Borexino เป็นเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่ที่ไม่มีการแบ่งส่วนซึ่งมีสื่อที่ใช้งานอยู่
เรืองแสงวาบอินทรีย์ 280 ตัน บรรจุภาชนะทรงกลมไนลอนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.5 ม. (รูปที่ 3) ตัวเรืองแสงวาบคือซูโดคิวมีน (C 9 H 12) ที่มีสารเติมแต่ง PPO ที่เปลี่ยนสเปกตรัม (1.5 ก./ล.) แสงจากตัวเรืองแสงวาบถูกรวบรวมโดยโฟโตมัลติเพลเยอร์ (PMT) ขนาด 2212 แปดนิ้วจำนวน 2212 ตัวที่วางบนทรงกลมสแตนเลส (SSS)

ข้าว. 3. แบบแผนของอุปกรณ์ตรวจจับ Borexino

ภาชนะไนลอนที่มีสารปลอมเป็นเครื่องตรวจจับภายในซึ่งมีหน้าที่ในการลงทะเบียนนิวตริโน (antineutrinos) เครื่องตรวจจับด้านในล้อมรอบด้วยบัฟเฟอร์โซนสองจุดซึ่งป้องกันรังสีแกมมาภายนอกและนิวตรอน โซนด้านในเต็มไปด้วยสารที่ไม่ทำให้เกิดประกายไฟซึ่งประกอบด้วยซูโดคิวมีน 900 ตันพร้อมสารเติมแต่งไดเมทิลพทาเลตเพื่อดับการเรืองแสงวาบ โซนด้านนอกตั้งอยู่ที่ด้านบนของ SNS และเป็นเครื่องตรวจจับน้ำ Cherenkov ที่มีน้ำบริสุทธิ์พิเศษ 2,000 ตันและตัดสัญญาณจาก muons ที่เข้ามาในโรงงานจากภายนอก สำหรับแต่ละปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเครื่องตรวจจับภายใน พลังงานและเวลาจะถูกกำหนด การสอบเทียบเครื่องตรวจจับโดยใช้แหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีต่างๆ ทำให้สามารถกำหนดระดับพลังงานและระดับความสามารถในการทำซ้ำของสัญญาณแสงได้อย่างแม่นยำมาก
Borexino เป็นเครื่องตรวจจับความบริสุทธิ์ของรังสีที่สูงมาก วัสดุทั้งหมดได้รับการคัดเลือกอย่างเข้มงวด และตัวเรืองแสงวาบได้รับการทำความสะอาดเพื่อลดพื้นหลังภายในให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากความบริสุทธิ์ของรังสีสูง Borexino จึงเป็นเครื่องตรวจจับที่ยอดเยี่ยมสำหรับการตรวจจับแอนตินิวทริโน
ในปฏิกิริยา (1) โพซิตรอนจะให้สัญญาณทันที ซึ่งหลังจากนั้นครู่หนึ่งจะตามด้วยการจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสของไฮโดรเจน ซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของ γ-ควอนตัมที่มีพลังงาน 2.22 MeV ซึ่งสร้าง สัญญาณล่าช้าเมื่อเทียบกับสัญญาณแรก ใน Borexino เวลาในการดักจับนิวตรอนอยู่ที่ประมาณ 260 μs สัญญาณที่เกิดขึ้นทันทีและล่าช้านั้นสัมพันธ์กันในอวกาศและเวลา ทำให้สามารถรับรู้เหตุการณ์ที่เกิดจาก e ได้อย่างแม่นยำ
ธรณีประตูสำหรับปฏิกิริยา (1) คือ 1.806 MeV และดังที่เห็นได้จากรูปที่ 1 geo-neutrinos ทั้งหมดจากการสลาย 40 K และ 235 U อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์นี้ และตรวจพบได้เพียงส่วนหนึ่งของ geo-neutrinos ที่กำเนิดจากการสลายที่ 232 Th และ 238 U
เครื่องตรวจจับ Borexino ตรวจพบสัญญาณจาก geo-neutrinos เป็นครั้งแรกในปี 2010 และเพิ่งเผยแพร่ผลลัพธ์ใหม่จากการสังเกตการณ์ในช่วงเดือนธันวาคม 2550 ถึงมีนาคม 2558 เป็นเวลากว่า 2056 วัน ด้านล่างนี้เรานำเสนอข้อมูลที่ได้รับและผลการสนทนาตามบทความ
จากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลอง พบว่ามีผู้สมัคร 77 รายสำหรับแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนที่ผ่านเกณฑ์การคัดเลือกทั้งหมด พื้นหลังจากเหตุการณ์จำลอง e ประมาณการโดย ดังนั้น อัตราส่วนสัญญาณ/พื้นหลังคือ ≈100
แหล่งที่มาเบื้องหลังหลักคือแอนตินิวทริโนของเครื่องปฏิกรณ์ สำหรับ Borexino สถานการณ์ค่อนข้างดี เนื่องจากไม่มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อยู่ใกล้ห้องปฏิบัติการ Gran Sasso นอกจากนี้ แอนตินิวตริโนของเครื่องปฏิกรณ์ยังมีพลังมากกว่าจีโอ-นิวทริโน ซึ่งทำให้สามารถแยกแอนตินิวตริโนเหล่านี้ออกจากโพซิตรอนได้ด้วยความแรงของสัญญาณ ผลของการวิเคราะห์การมีส่วนร่วมของ geo-neutrinos และ antineutrinos ของเครื่องปฏิกรณ์ต่อจำนวนรวมของเหตุการณ์ที่บันทึกไว้จาก e แสดงไว้ในรูปที่ 4. จำนวน geo-neutrinos ที่ลงทะเบียนที่ได้รับจากการวิเคราะห์นี้ (พื้นที่แรเงาสอดคล้องกับพวกมันในรูปที่ 4) เท่ากับ . ในสเปกตรัมของ geo-neutrinos ที่สกัดจากการวิเคราะห์ จะมองเห็นได้สองกลุ่ม - มีพลังน้อยกว่า เข้มข้นกว่า และมีพลังมากกว่า เข้มข้นน้อยกว่า ผู้เขียนของการศึกษาที่อธิบายไว้เชื่อมโยงกลุ่มเหล่านี้กับการสลายตัวของทอเรียมและยูเรเนียมตามลำดับ
ในการวิเคราะห์ภายใต้การสนทนา เราใช้อัตราส่วนมวลของทอเรียมและยูเรเนียมในเรื่องของโลก
m(Th)/m(U) = 3.9 (ในตารางค่านี้คือ ≈3.8) รูปนี้สะท้อนเนื้อหาสัมพัทธ์ขององค์ประกอบทางเคมีเหล่านี้ใน chondrites ซึ่งเป็นกลุ่มอุกกาบาตที่พบบ่อยที่สุด (มากกว่า 90% ของอุกกาบาตที่ตกลงสู่พื้นโลกอยู่ในกลุ่มนี้) เป็นที่เชื่อกันว่าองค์ประกอบของ chondrites ยกเว้นก๊าซเบา (ไฮโดรเจนและฮีเลียม) ทำซ้ำองค์ประกอบของระบบสุริยะและดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์ที่โลกก่อตัวขึ้น

ข้าว. รูปที่ 4. สเปกตรัมของแสงที่ออกมาจากโพซิตรอนในหน่วยของจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนสำหรับเหตุการณ์ที่ผู้สมัครรับแอนตินิวตริโน (จุดทดลอง) พื้นที่แรเงาคือการมีส่วนร่วมของจีโอนิวทริโน เส้นทึบคือส่วนสนับสนุนของแอนตินิวตริโนของเครื่องปฏิกรณ์