El calor de la tierra. Energía geotérmica

Durante mucho tiempo, la gente ha sabido acerca de las manifestaciones espontáneas de una energía gigantesca que acecha en las profundidades. el mundo... La memoria de la humanidad guarda leyendas sobre catastróficas erupciones volcánicas, que cobraron millones de vidas humanas, cambiaron irreconociblemente la apariencia de muchos lugares de la Tierra. El poder de la erupción de incluso un volcán relativamente pequeño es colosal, es muchas veces mayor que el poder de las plantas de energía más grandes creadas por manos humanas. Es cierto que no es necesario hablar sobre el uso directo de la energía de las erupciones volcánicas: hasta ahora la gente no tiene la oportunidad de frenar este elemento rebelde y, afortunadamente, las erupciones son eventos bastante raros. Pero estas son manifestaciones de energía que acechan en las entrañas de la tierra, cuando solo una pequeña fracción de esta energía inagotable encuentra una salida a través de los respiraderos de fuego de los volcanes.

Pequeña País europeo Islandia ("tierra de hielo" en traducción literal) es completamente autosuficiente en tomates, manzanas e incluso plátanos. Numerosos invernaderos islandeses obtienen su energía de calor de la tierra Prácticamente no hay otras fuentes de energía locales en Islandia. Pero este pais es muy rico fuentes termales y famosos géiseres - fuentes de agua caliente, con la precisión de un cronómetro que estalla en el suelo. Y aunque los no islandeses tienen prioridad en el uso del calor de las fuentes subterráneas (incluso los antiguos romanos traían agua del subsuelo a los famosos baños - los baños termales de Caracalla), los habitantes de este pequeño país del norte operar una sala de calderas subterránea de manera muy intensiva... La ciudad capital de Reykjavik, que alberga a la mitad de la población del país, se calienta solo con fuentes subterráneas. Reykjavik es un punto de partida ideal para explorar Islandia: desde aquí se pueden realizar las excursiones más interesantes y variadas a cualquier rincón de este país único: géiseres, volcanes, cascadas, montañas de riolita, fiordos ... En todos los lugares de Reykjavik vivirás CLEAN ENERGÍA: la energía térmica de los géiseres, que emana del suelo, la energía de la limpieza y el espacio de una ciudad idealmente verde, la energía de un ambiente alegre e incendiario. la vida nocturna Reykjavik todo el año.

Pero no solo para calentar las personas extraen energía de las profundidades de la tierra. Las plantas de energía que utilizan manantiales subterráneos calientes han estado funcionando durante mucho tiempo. La primera central de este tipo, todavía muy pequeña, se construyó en 1904 en la pequeña ciudad italiana de Larderello, que lleva el nombre del ingeniero francés Larderelli, quien en 1827 elaboró ​​un proyecto para aprovechar las numerosas fuentes termales de la zona. Poco a poco, la capacidad de la planta de energía creció, se pusieron en funcionamiento más y más unidades, se utilizaron nuevas fuentes de agua caliente y hoy la potencia de la central ya alcanzó un valor impresionante: 360 mil kilovatios. En Nueva Zelanda, existe una planta de energía de este tipo en la región de Wairakei, con una capacidad de 160 mil kilovatios. A 120 km de San Francisco en Estados Unidos, una estación geotérmica con una capacidad de 500 mil kilovatios produce electricidad.

Energía geotérmica

Durante mucho tiempo, la gente ha sabido acerca de las manifestaciones espontáneas de una energía gigantesca que acecha en las entrañas del globo. La memoria de la humanidad guarda leyendas sobre catastróficas erupciones volcánicas, que cobraron millones de vidas humanas, cambiaron irreconociblemente la apariencia de muchos lugares de la Tierra. El poder de la erupción de incluso un volcán relativamente pequeño es colosal, es muchas veces mayor que el poder de las plantas de energía más grandes creadas por manos humanas. Es cierto que no es necesario hablar sobre el uso directo de la energía de las erupciones volcánicas; hasta ahora, las personas no tienen la oportunidad de frenar este elemento rebelde y, afortunadamente, las erupciones son eventos bastante raros. Pero estas son manifestaciones de la energía que acecha en las entrañas de la tierra, cuando solo una pequeña fracción de esta energía inagotable encuentra una salida a través de los respiraderos de fuego de los volcanes.

Géiser es primavera calurosa que arroja su agua a una altura regular o irregular, como una fuente. El nombre proviene de la palabra islandesa "vierte". La aparición de géiseres requiere un cierto entorno favorable, que se crea solo en unos pocos lugares de la tierra, lo que determina su presencia bastante rara. Casi el 50% de los géiseres se encuentran en Parque Nacional Yellowstone (Estados Unidos). La actividad del géiser puede detenerse debido a cambios en las entrañas, terremotos y otros factores. La acción del géiser es provocada por el contacto del agua con el magma, tras lo cual el agua se calienta rápidamente y, bajo la acción de la energía geotérmica, es arrojada violentamente hacia arriba. Después de la erupción, el agua del géiser se enfría gradualmente, vuelve a filtrarse al magma y vuelve a brotar. La frecuencia de erupciones de varios géiseres varía desde varios minutos hasta varias horas. La necesidad de una gran energía para el funcionamiento de un géiser. razón principal su rareza. Las áreas volcánicas pueden tener aguas termales, volcanes de lodo, fumarolas, pero hay muy pocos géiseres. El hecho es que incluso si se formó un géiser en el lugar de actividad de un volcán, las erupciones posteriores destruirán la superficie de la tierra y cambiarán su estado, lo que conducirá a la desaparición del géiser.

La energía de la tierra (energía geotérmica) se basa en el aprovechamiento del calor natural de la Tierra. Las entrañas de la Tierra están plagadas de una fuente de energía colosal y prácticamente inagotable. La radiación anual de calor interno en nuestro planeta es de 2.8 * 1014 mil millones de kWh. Se compensa constantemente con la desintegración radiactiva de algunos isótopos de la corteza terrestre.

Las fuentes de energía geotérmica pueden ser de dos tipos. El primer tipo son las piscinas subterráneas de portadores de calor naturales: agua caliente (manantiales hidrotermales) o vapor (fuentes termales de vapor) o una mezcla de vapor y agua. En esencia, se trata de "calderas subterráneas" directamente listas para su uso, desde donde se puede producir agua o vapor mediante perforaciones convencionales. El segundo tipo es el calor de las rocas calientes. Al bombear agua a tales horizontes, también puede obtener vapor o agua sobrecalentada para su uso posterior con fines energéticos.

Pero en ambos casos de uso, la principal desventaja es quizás la muy baja concentración de energía geotérmica. Sin embargo, en lugares de formación de anomalías geotérmicas peculiares, donde las aguas termales o las rocas llegan relativamente cerca de la superficie y donde, al sumergirse en profundidad, la temperatura aumenta en 30-40 ° C por cada 100 m, la concentración de energía geotérmica puede crear condiciones para su uso económico. Dependiendo de la temperatura del agua, vapor o mezcla de vapor y agua, las fuentes geotérmicas se subdividen en baja y media temperatura (con temperaturas hasta 130 - 150 ° C) y alta temperatura (más de 150 °). La naturaleza de su uso depende en gran medida de la temperatura.

Se puede argumentar que la energía geotérmica tiene cuatro características beneficiosas.

En primer lugar, sus reservas son prácticamente inagotables. Según las estimaciones de finales de los 70, a una profundidad de 10 km, tienen un valor tal que es 3,5 mil veces superior a las reservas de los tipos tradicionales de combustible mineral.

En segundo lugar, la energía geotérmica está bastante extendida. Su concentración está asociada principalmente a los cinturones de actividad sísmica y volcánica activa, que ocupan 1/10 del área terrestre. Dentro de estos cinturones, se pueden identificar algunas de las "regiones geotérmicas" más prometedoras, ejemplos de las cuales son California en los Estados Unidos, Nueva Zelanda, Japón, Islandia, Kamchatka y el norte del Cáucaso en Rusia. Solo en la ex URSS, a principios de los años 90, se abrieron alrededor de 50 cuencas subterráneas de agua caliente y vapor.

En tercer lugar, el uso de energía geotérmica no requiere altos costos, porque en este caso estamos hablando de fuentes de energía ya "listas para usar" creadas por la propia naturaleza.

Finalmente, en cuarto lugar, la energía geotérmica es completamente inofensiva desde el punto de vista ecológico y no contamina el medio ambiente.

El hombre ha estado usando durante mucho tiempo la energía del calor interno de la Tierra (recuerde, al menos los famosos baños romanos), pero su uso comercial comenzó solo en la década de 1920 con la construcción de las primeras plantas de geo-energía en Italia, y luego en otros países. . A principios de la década de 1980, estaban funcionando en el mundo unas 20 estaciones de este tipo con una capacidad total de 1,5 millones de kW. La más grande de ellas es la estación Geysers en EE. UU. (500 mil kW).

La energía geotérmica se utiliza para generar electricidad, calentar hogares, invernaderos, etc. Como portador de calor se utiliza vapor seco, agua sobrecalentada o algún tipo de refrigerante con un punto de ebullición bajo (amoniaco, freón, etc.).

El término "energía geotérmica" proviene de la palabra griega para tierra (geo) y térmica (térmica). De hecho, la energía geotérmica proviene de la tierra misma... El calor del núcleo de la tierra, que tiene un promedio de 3.600 grados Celsius, se irradia hacia la superficie del planeta.

El calentamiento de manantiales y géiseres subterráneos a una profundidad de varios kilómetros se puede llevar a cabo utilizando pozos especiales a través de los cuales agua caliente(o vapor de él) a la superficie, donde se puede utilizar directamente como calor o indirectamente para generar electricidad encendiendo turbinas giratorias.

Dado que el agua debajo de la superficie de la tierra se repone constantemente, y el núcleo de la Tierra continuará generando calor en relación con la vida humana indefinidamente, la energía geotérmica finalmente limpio y renovable.

Métodos de recolección de recursos energéticos de la Tierra.

Hoy en día existen tres métodos principales para recolectar energía geotérmica: vapor seco, agua caliente y ciclo binario. El proceso de vapor seco hace girar directamente los accionamientos de la turbina de los generadores de energía. El agua caliente entra de abajo hacia arriba y luego se rocía en el tanque para crear vapor para impulsar las turbinas. Estos dos métodos son los más comunes y generan cientos de megavatios de electricidad en Estados Unidos, Islandia, Europa, Rusia y otros países. Pero la ubicación es limitada, ya que estas fábricas solo operan en regiones tectónicas donde es más fácil acceder al agua caliente.

Con la tecnología de ciclo binario, el agua tibia (no necesariamente caliente) se extrae a la superficie y se combina con butano o pentano, que tiene un punto de ebullición bajo. Este líquido se bombea a través de un intercambiador de calor donde se vaporiza y se envía a través de una turbina antes de ser recirculado de regreso al sistema. La tecnología de ciclo binario proporciona decenas de megavatios de electricidad en los Estados Unidos: California, Nevada y las islas de Hawái.

El principio de obtención de energía.

Desventajas de obtener energía geotérmica

A nivel de servicios públicos, las plantas de energía geotérmica son costosas de construir y operar. Encontrar una ubicación adecuada requiere una costosa inspección de pozos sin garantía de ingresar a un subterráneo productivo punto caliente... Sin embargo, los analistas esperan que esta capacidad casi se duplique durante los próximos seis años.

Además, las áreas con alta temperatura de la fuente subterránea se ubican en áreas con volcanes geológicos activos. Estos "puntos calientes" se han formado en los límites de las placas tectónicas en lugares donde la corteza es bastante delgada. La región del Pacífico a menudo se conoce como el anillo de fuego de muchos volcanes con muchos puntos calientes, incluidos Alaska, California y Oregón. Nevada tiene cientos de puntos críticos que cubren la mayor parte del norte de los Estados Unidos.

También hay otras regiones sísmicamente activas. Los terremotos y el movimiento del magma permiten que el agua circule. En algunos lugares, el agua sube a la superficie y se forman fuentes termales naturales y géiseres, como en Kamchatka. El agua de los géiseres de Kamchatka alcanza los 95 ° C.

Uno de los problemas con los sistemas de géiseres abiertos es la liberación de ciertos contaminantes del aire. El sulfuro de hidrógeno es un gas tóxico con un olor a "huevo podrido" muy reconocible: una pequeña cantidad de arsénico y minerales que se liberan con el vapor. La sal también puede plantear un problema medioambiental.

En las plantas de energía geotérmica costa afuera, una cantidad significativa de sal interferente se acumula en las tuberías. En los sistemas cerrados, no hay emisiones y se devuelve todo el líquido traído a la superficie.

El potencial económico del recurso energético

Los puntos calientes no son los únicos lugares donde se puede encontrar energía geotérmica. Existe un suministro constante de calor utilizable para fines de calentamiento directo en cualquier lugar desde 4 metros hasta varios kilómetros por debajo de la superficie de prácticamente cualquier lugar de la tierra. Incluso la tierra en su propio patio trasero o en la escuela local tiene el potencial económico en forma de calor para bombear a su hogar u otros edificios.

Además, existe una enorme cantidad de energía térmica en formaciones rocosas secas muy profundas por debajo de la superficie (4-10 km).

El uso de nueva tecnología podría expandir los sistemas geotérmicos, donde los humanos pueden usar este calor para generar electricidad a una escala mucho mayor que las tecnologías convencionales. Los primeros proyectos de demostración de este principio de generación de electricidad se mostraron en Estados Unidos y Australia en 2013.

Si se puede aprovechar todo el potencial económico de los recursos geotérmicos, esto representará una enorme fuente de electricidad para las instalaciones de producción. Los científicos estiman que las fuentes geotérmicas convencionales tienen un potencial de 38.000 MW, que pueden generar 380 millones de MW de electricidad al año.

Las rocas secas calientes se encuentran a profundidades de 5 a 8 km en todas partes bajo tierra y a profundidades menores en ciertos lugares. El acceso a estos recursos implica la introducción de agua fría que circula a través de las rocas calientes y la eliminación del agua calentada. Actualmente no existe una aplicación comercial para esta tecnología. Las tecnologías existentes aún no permiten restaurar energía térmica directamente del magma, muy profundo, pero es el recurso más poderoso de energía geotérmica.

Con la combinación de recursos energéticos y su consistencia, la energía geotérmica puede desempeñar un papel insustituible como sistema energético más limpio y sostenible.

Estructuras de plantas de energía geotérmica

Energía geotérmica Es el calor puro y estable de la Tierra. Se encuentran grandes recursos en el rango de varios kilómetros por debajo de la superficie de la tierra, e incluso más profundo, hasta la alta temperatura de la roca fundida llamada magma. Pero como se describió anteriormente, la gente aún no ha llegado al magma.

Tres diseños de plantas de energía geotérmica.

La tecnología de la aplicación está determinada por el recurso. Si el agua proviene del pozo en forma de vapor, se puede utilizar directamente. Si el agua caliente está lo suficientemente caliente, debe pasar por un intercambiador de calor.

El primer pozo para la generación de energía se perforó antes de 1924. Los pozos más profundos se perforaron en la década de 1950, pero el desarrollo real tiene lugar en las décadas de 1970 y 1980.

Uso directo de calor geotérmico

Las fuentes geotérmicas también se pueden utilizar directamente para fines de calefacción. El agua caliente se utiliza para calentar edificios, cultivar plantas en invernaderos, secar pescado y cultivos, mejorar la recuperación de aceite, ayudar en los procesos industriales como pasteurizadores de leche y calentar agua en granjas de peces. En los EE. UU., Klamath Falls, Oregon y Boise, Idaho, el agua geotérmica se ha utilizado para calentar casas y edificios durante más de un siglo. En la costa este, la ciudad de Warm Springs, Virginia, obtiene calor directamente del agua de manantial, utilizando fuentes de calor en uno de los centros turísticos locales.

En Islandia, casi todos los edificios del país se calientan con agua termal. De hecho, Islandia obtiene más del 50 por ciento de su energía primaria de fuentes geotérmicas. En Reykjavik, por ejemplo (población 118 mil), el agua caliente se transporta a lo largo de 25 kilómetros y los residentes la usan para calefacción y necesidades naturales.

Nueva Zelanda obtiene un 10% adicional de su electricidad. está subdesarrollado, a pesar de la presencia de aguas termales.

ELLOS. Kapitonov

Calor nuclear de la Tierra

Calor terrenal

La tierra es un cuerpo bastante caliente y es una fuente de calor. Se calienta, en primer lugar, debido a la radiación solar absorbida. Pero la Tierra también tiene su propio recurso de calor comparable al calor recibido del Sol. Se cree que esta auto-energía de la Tierra tiene el siguiente origen. La Tierra surgió hace unos 4.500 millones de años tras la formación del Sol a partir de un disco de polvo de gas protoplanetario que gira a su alrededor y se condensa. En la etapa inicial de su formación, la sustancia terrestre se calentó debido a la compresión gravitacional relativamente lenta. También jugó un papel importante en el equilibrio térmico de la Tierra la energía liberada cuando pequeños cuerpos cósmicos cayeron sobre ella. Por lo tanto, la Tierra joven se fundió. Al enfriarse, gradualmente llegó a su estado actual con una superficie sólida, una parte significativa de la cual está cubierta por aguas oceánicas y marinas. Esta capa exterior dura se llama corteza y en promedio, en áreas terrestres, su espesor es de aproximadamente 40 km, y bajo las aguas del océano, de 5 a 10 km. La capa más profunda de la Tierra, llamada manto, también consta de un sólido. Se extiende a una profundidad de casi 3000 km y contiene la mayor parte del material de la Tierra. Finalmente, la parte más interna de la Tierra es su centro... Consta de dos capas: externa e interna. Núcleo externo es una capa de hierro fundido y níquel a una temperatura de 4500-6500 K y un espesor de 2000-2500 km. Núcleo central con un radio de 1000-1500 km es una aleación dura de hierro-níquel calentada a una temperatura de 4000-5000 K con una densidad de aproximadamente 14 g / cm 3, que surgió a una presión enorme (casi 4 millones de bares).
Además del calor interno de la Tierra, heredado de la etapa caliente más temprana de su formación, y cuya cantidad debería disminuir con el tiempo, existe otro, a largo plazo, asociado con la desintegración radiactiva de núcleos con una vida media larga. - principalmente 232 Th, 235 U, 238 U y 40 K. La energía liberada en estas desintegraciones, que representan casi el 99% de la energía radiactiva de la Tierra, repone constantemente las reservas térmicas de la Tierra. Los núcleos antes mencionados se encuentran en la corteza y el manto. Su descomposición conduce al calentamiento de las capas interna y externa de la Tierra.
Parte del enorme calor contenido en el interior de la Tierra sale constantemente a su superficie, a menudo en procesos volcánicos de gran escala. Se conoce el flujo de calor que fluye desde las profundidades de la Tierra a través de su superficie. Es (47 ± 2) · 10 12 vatios, que equivale al calor que pueden generar 50 mil centrales nucleares (la potencia media de una central nuclear es de unos 10 9 vatios). Surge la pregunta de si la energía radiactiva juega un papel significativo en el balance térmico total de la Tierra, y si lo hace, entonces, ¿qué papel? La respuesta a estas preguntas permaneció desconocida durante mucho tiempo. Ahora han surgido oportunidades para responder a estas preguntas. El papel clave aquí pertenece a los neutrinos (antineutrinos), que nacen en los procesos de desintegración radiactiva de los núcleos que componen la sustancia terrestre y que se denominan geo-neutrino.

Geo-neutrino

Geo-neutrino- Este es el nombre colectivo de los neutrinos o antineutrinos, que se emiten como resultado de la desintegración beta de los núcleos ubicados debajo de la superficie terrestre. Obviamente, debido a su capacidad de penetración sin precedentes, el registro de ellos (y solo ellos) por los detectores de neutrinos terrestres puede proporcionar información objetiva sobre los procesos de desintegración radiactiva que tienen lugar en las profundidades de la Tierra. Un ejemplo de tal desintegración es la desintegración β - del núcleo de 228 Ra, que es un producto de la desintegración α del núcleo de 232 Th de larga duración (ver tabla):

La vida media (T 1/2) del núcleo de 228 Ra es de 5,75 años, la energía liberada es de aproximadamente 46 keV. El espectro de energía del antineutrino es continuo con el límite superior cercano a la energía liberada.
Las desintegraciones de los núcleos 232 Th, 235 U, 238 U son cadenas de desintegraciones sucesivas que forman el llamado rangos radiactivos... En tales cadenas, las desintegraciones α se intercalan con las desintegraciones β, ya que durante las desintegraciones α los núcleos finales se desplazan desde la línea de estabilidad β a la región de núcleos sobrecargados con neutrones. Después de una cadena de desintegraciones sucesivas al final de cada fila, se forman núcleos estables con un número mágico cercano o igual de protones y neutrones (Z = 82,norte= 126). Dichos núcleos finales son isótopos estables de plomo o bismuto. Así, la desintegración de T 1/2 termina con la formación de un núcleo doblemente mágico de 208 Pb, y en el camino 232 Th → 208 Pb se producen seis desintegraciones α, alternando con cuatro desintegraciones β - (en la cadena 238 U → 206 Pb, ocho α- y seis β - - desintegraciones; en la cadena 235 U → 207 Pb, hay siete α y cuatro β - desintegraciones). Por tanto, el espectro de energía de los antineutrinos de cada serie radiactiva es una superposición de espectros parciales de desintegraciones β individuales que componen esta serie. Los espectros de antineutrinos formados en las desintegraciones 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K se muestran en la Fig. 1. La desintegración de 40 K es una sola desintegración β (ver tabla). Los antineutrinos alcanzan la energía más alta (hasta 3,26 MeV) en la desintegración
214 Bi → 214 Po, que es un enlace de la serie radiactiva 238 U. La energía total liberada durante el paso de todos los enlaces de desintegración de la serie 232 Th → 208 Pb es 42,65 MeV. Para las series radiactivas 235 U y 238 U, estas energías son 46,39 y 51,69 MeV, respectivamente. Energía liberada en descomposición
40 K → 40 Ca, es 1,31 MeV.

Características de los núcleos 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Centro	Compartir en% en la mezcla isótopos	Numero de nucleos relata. núcleos Si	T 1/2, mil millones de años	Primeros enlaces decaer
232 mil	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 · 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Una estimación del flujo de geoneutrinos, hecha sobre la base de la desintegración de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K núcleos contenidos en la composición de la materia de la Tierra, lleva a un valor del orden de 10 6 cm - 2 seg -1. Al registrar estos geoneutrinos, se puede obtener información sobre el papel del calor radiactivo en el balance de calor total de la Tierra y comprobar nuestras ideas sobre el contenido de radioisótopos de larga duración en la composición de la materia terrestre.

Arroz. 1. Espectros de energía de los antineutrinos de la desintegración nuclear

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalizado a una desintegración del núcleo principal

Para registrar antineutrinos electrónicos, se utiliza la reacción

P → e + + n, (1)

en el que realmente se descubrió esta partícula. El umbral para esta reacción es 1,8 MeV. Por lo tanto, solo los geoneutrinos formados en cadenas de desintegración a partir de núcleos de 232 Th y 238 U pueden registrarse en la reacción anterior. La sección transversal efectiva de la reacción discutida es extremadamente pequeña: σ ≈ 10-43 cm 2. Por lo tanto, se deduce que un detector de neutrinos con un volumen sensible de 1 m 3 no registrará más de unos pocos eventos por año. Obviamente, para la fijación confiable de los flujos de geoneutrinos, se necesitan detectores de neutrinos de gran volumen, ubicados en laboratorios subterráneos para una máxima protección contra el fondo. La idea de utilizar detectores diseñados para estudiar neutrinos solares y de reactores para el registro de geoneutrinos surgió en 1998. Actualmente, existen dos detectores de neutrinos de gran volumen que utilizan un centelleador líquido y son adecuados para solucionar este problema. Se trata de detectores de neutrinos de los experimentos de KamLAND (Japón) y Borexino (Italia). A continuación consideramos el dispositivo del detector Borexino y los resultados obtenidos en este detector en el registro de geoneutrinos.

Detector de Borexino y registro de geo-neutrinos

El detector de neutrinos Borexino se encuentra en el centro de Italia en un laboratorio subterráneo bajo la cordillera del Gran Sasso, cuyas cumbres alcanzan los 2,9 km (Fig. 2).

Arroz. 2. Disposición del laboratorio de neutrinos bajo la cordillera del Gran Sasso (centro de Italia)

Borexino es un detector masivo no segmentado, cuyo medio activo es
280 toneladas de centelleador líquido orgánico. Llenó un recipiente esférico de nailon de 8,5 m de diámetro (Fig. 3). El centelleador es pseudocumeno (C 9 H 12) con un aditivo de cambio de espectro PPO (1,5 g / L). La luz del centelleador es recogida por 2.212 tubos fotomultiplicadores (PMT) de ocho pulgadas montados en una esfera de acero inoxidable (SNS).

Arroz. 3. Diagrama del dispositivo detector Borexino

Un recipiente de nailon con pseudocumeno es un detector interno cuya función es registrar neutrinos (antineutrinos). El detector interno está rodeado por dos zonas de amortiguación concéntricas que lo protegen de los rayos gamma y neutrones externos. La zona interior se llena con un medio no centelleante que consta de 900 toneladas de pseudocumeno con aditivos de ftalato de dimetilo que apagan el centelleo. La zona exterior está ubicada en la parte superior del SNS y es un detector de agua Cherenkov que contiene 2000 toneladas de agua ultrapura y corta las señales de los muones que ingresan a la configuración desde el exterior. Para cada interacción que tiene lugar en el detector interno, se determinan la energía y el tiempo. La calibración del detector utilizando diversas fuentes radiactivas permitió determinar con mucha precisión su escala de energía y el grado de reproducibilidad de la señal luminosa.
Borexino es un detector de muy alta pureza de radiación. Todos los materiales se han seleccionado rigurosamente y el centelleador se ha purificado para minimizar el fondo interno. Debido a su alta pureza de radiación, Borexino es un excelente detector para detectar antineutrinos.
En la reacción (1), el positrón emite una señal instantánea, que es seguida después de un tiempo por la captura de un neutrón por un núcleo de hidrógeno, lo que conduce a la aparición de un γ-cuanto con una energía de 2,22 MeV, que crea un señal retrasada en relación con la primera. En Borexino, el tiempo de captura de neutrones es de aproximadamente 260 μs. Las señales instantáneas y retardadas están correlacionadas en el espacio y el tiempo, proporcionando un reconocimiento preciso del evento causado por e.
El umbral para la reacción (1) es 1,806 MeV y, como se puede ver en la Fig. 1, todos los geoneutrinos de desintegraciones de 40 K y 235 U resultan estar por debajo de este umbral, y solo se puede detectar una parte de los geoneutrinos producidos en desintegraciones de 232 Th y 238 U.
El detector Borexino detectó por primera vez señales de geoneutrinos en 2010, y recientemente se publicaron nuevos resultados basados ​​en observaciones durante 2056 días desde diciembre de 2007 a marzo de 2015. A continuación presentamos los datos obtenidos y los resultados de su discusión, basados ​​en el artículo.
Como resultado del análisis de los datos experimentales, se identificaron 77 candidatos a antineutrinos electrónicos que pasaron todos los criterios de selección. El fondo de los eventos que imitan e se estimó mediante el valor. Por lo tanto, la relación señal-fondo fue ≈100.
Los antineutrinos de los reactores fueron la principal fuente de antecedentes. Para Borexino, la situación fue bastante favorable, ya que no hay reactores nucleares cerca del laboratorio Gran Sasso. Además, los antineutrinos del reactor son más energéticos que los geoneutrinos, lo que hizo posible separar estos antineutrinos del positrón en magnitud de señal. Los resultados del análisis de las contribuciones de los geoneutrinos y los antineutrinos del reactor al número total de eventos registrados de e se muestran en la Fig. 4. El número de geo-neutrinos detectados dado por este análisis (en la Fig. 4 corresponden a la región oscurecida) es igual a ... En el espectro geoneutrino extraído como resultado del análisis, dos grupos son visibles: menos enérgicos, más intensos y más enérgicos, menos intensos. Los autores del estudio descrito asocian estos grupos con la desintegración del torio y el uranio, respectivamente.
El análisis discutido utilizó la relación de las masas de torio y uranio en el material de la Tierra.
m (Th) / m (U) = 3.9 (en la tabla, este valor es ≈3.8). Esta cifra refleja el contenido relativo de estos elementos químicos en las condritas, el grupo más común de meteoritos (más del 90% de los meteoritos que han caído a la Tierra pertenecen a este grupo). Se cree que la composición de las condritas, a excepción de los gases ligeros (hidrógeno y helio), repite la composición del sistema solar y el disco protoplanetario a partir del cual se formó la Tierra.

Arroz. 4. Espectro de salida de luz de positrones en unidades del número de fotoelectrones para eventos antineutrinos candidatos (puntos experimentales). El área sombreada es la contribución de los geoneutrinos. La línea continua es la contribución de los antineutrinos del reactor.

Doctor en Ciencias Técnicas SOBRE. Vergüenza, profesor,
Académico de la Academia Rusa de Ciencias Tecnológicas, Moscú

En las últimas décadas, el mundo ha estado considerando la dirección de un uso más eficiente de la energía del calor profundo de la Tierra para reemplazar parcialmente el gas natural, el petróleo y el carbón. Esto será posible no solo en áreas con altos parámetros geotérmicos, sino también en cualquier región del mundo cuando se perforan pozos de inyección y producción y se crean sistemas de circulación entre ellos.

El interés por las fuentes de energía alternativas que se ha incrementado en las últimas décadas en el mundo se debe al agotamiento de las reservas de hidrocarburos y a la necesidad de resolver una serie de cuestiones ambientales... Factores objetivos (reservas de combustibles fósiles y uranio, así como cambios en el medio ambiente provocados por el fuego tradicional y la energía nuclear) permiten afirmar que la transición a nuevos métodos y formas de producción de energía es inevitable.

La economía mundial se encamina actualmente hacia una transición hacia una combinación racional de fuentes de energía nuevas y tradicionales. El calor de la Tierra ocupa uno de los primeros lugares entre ellos.

Los recursos de energía geotérmica se dividen en hidrogeológicos y petrogeotérmicos. Los primeros de ellos están representados por portadores de calor (representan solo el 1% de los recursos totales de energía geotérmica) - agua subterránea, vapor y mezclas de vapor y agua. Estos últimos son energía geotérmica contenida en rocas calientes.

La tecnología de fuente (autodescarga) utilizada en nuestro país y en el exterior para la extracción de vapor natural y aguas geotermales es sencilla, pero ineficaz. Con una tasa de flujo baja de pozos autofluyentes, su producción de calor puede recuperar los costos de perforación solo a poca profundidad de los reservorios geotérmicos con altas temperaturas en áreas de anomalías térmicas. La vida útil de dichos pozos en muchos países ni siquiera llega a los 10 años.

Al mismo tiempo, la experiencia confirma que en presencia de reservorios poco profundos de vapor natural, la construcción de una planta de energía geotérmica es la opción más rentable para el uso de energía geotérmica. La operación de tales plantas de energía geotérmica ha demostrado su competitividad en comparación con otros tipos de plantas de energía. Por lo tanto, el uso de reservas de aguas geotérmicas e hidrotermas de vapor en nuestro país en la península de Kamchatka y en las islas de la cordillera Kuril, en las regiones del Cáucaso Norte, así como posiblemente en otras regiones, es oportuno y oportuno. Pero los depósitos de vapor son raros, sus reservas conocidas y probables son pequeñas. Los depósitos mucho más extendidos de agua caliente y eléctrica están lejos de estar siempre lo suficientemente cerca del consumidor, el objeto de suministro de calor. Esto excluye la posibilidad de un uso eficiente a gran escala de ellos.

Muy a menudo, las cuestiones de la ampliación del control se convierten en un problema complejo. El uso de manantiales geotérmicos, generalmente mineralizados, como portadores de calor conduce a un crecimiento excesivo de las zonas de perforación con formaciones de óxido de hierro, carbonato de calcio y silicato. Además, los problemas de erosión-corrosión y depósitos de incrustaciones afectan negativamente el funcionamiento del equipo. El problema también es la descarga de aguas residuales mineralizadas que contienen impurezas tóxicas. Por lo tanto, la tecnología de fuentes más simple no puede servir como base para el amplio desarrollo de los recursos geotérmicos.

Según estimaciones preliminares sobre el territorio Federación Rusa Las reservas previstas de aguas termales con una temperatura de 40-250 ° C, salinidad 35-200 g / ly una profundidad de hasta 3000 m son 21-22 millones de m3 / día, lo que equivale a quemar 30-40 millones de toneladas. de combustible equivalente. en el año.

Las reservas previstas de la mezcla de vapor y aire con una temperatura de 150-250 ° C de la península de Kamchatka y las islas Kuriles es de 500 mil m3 / día. y reservas de aguas termales con una temperatura de 40-100 ° C - 150 mil m3 / día.

Las reservas de agua termal con un caudal de aproximadamente 8 millones de m3 / día, con una salinidad de hasta 10 g / ly una temperatura superior a 50 ° C se consideran de máxima prioridad para el desarrollo.

La extracción de energía térmica, recursos petrogeotérmicos prácticamente inagotables, es de mucha mayor importancia para el sector energético del futuro. Esta energía geotérmica, encerrada en rocas sólidas calientes, representa el 99% de los recursos totales de energía térmica subterránea. A una profundidad de 4-6 km, los macizos con una temperatura de 300-400 ° C se pueden encontrar solo cerca de los focos intermedios de algunos volcanes, pero las rocas calientes con una temperatura de 100-150 ° C se distribuyen a estas profundidades en casi todas partes. , y con una temperatura de 180-200 ° C en una parte bastante significativa del territorio de Rusia.

Durante miles de millones de años, los procesos nucleares, gravitacionales y de otro tipo dentro de la Tierra han generado y están generando energía térmica. Parte de su fracción se irradia al espacio exterior y el calor se acumula en los intestinos, es decir, el contenido de calor de las fases sólida, líquida y gaseosa de la materia terrestre se denomina energía geotérmica.

La generación continua de calor interno compensa sus pérdidas externas, sirve como fuente de acumulación de energía geotérmica y determina la parte renovable de sus recursos. La remoción total de calor del subsuelo a La superficie de la tierra tres veces la capacidad actual de las centrales eléctricas del mundo y se estima en 30 TW.

Sin embargo, está claro que la renovabilidad solo importa para recursos naturales, y el potencial total de la energía geotérmica es prácticamente inagotable, ya que debe definirse como la cantidad total de calor que tiene la Tierra.

No es una coincidencia que en las últimas décadas, el mundo haya estado considerando la dirección de un uso más eficiente de la energía del calor profundo de la Tierra para reemplazar parcialmente el gas natural, el petróleo y el carbón. Esto será posible no solo en áreas con altos parámetros geotérmicos, sino también en cualquier región del mundo cuando se perforan pozos de inyección y producción y se crean sistemas de circulación entre ellos.

Por supuesto, con la baja conductividad térmica de las rocas, para el funcionamiento eficiente de los sistemas de circulación, es necesario tener o crear una superficie de intercambio de calor suficientemente desarrollada en la zona de extracción de calor. Dicha superficie está poseída por formaciones porosas y zonas de tenacidad natural a la fractura, que a menudo se encuentran en las profundidades indicadas anteriormente, cuya permeabilidad permite organizar la filtración forzada del refrigerante con una extracción eficiente de la energía de la roca, así como crear artificialmente una extensa superficie de intercambio de calor en macizos porosos poco permeables mediante fracturación hidráulica (ver figura).

Actualmente, la fracturación hidráulica se utiliza en la industria del petróleo y el gas como una forma de aumentar la permeabilidad de los yacimientos para mejorar la recuperación de petróleo en el desarrollo de campos petroleros. Tecnología moderna le permite crear una grieta estrecha pero larga, o una grieta corta pero ancha. Se conocen ejemplos de fracturas hidráulicas con fracturas de hasta 2-3 km de largo.

La idea doméstica de extraer los principales recursos geotérmicos contenidos en rocas duras, fue expresado en 1914 por K.E. Tsiolkovsky, y en 1920, el sistema de circulación geotérmica (CCG) en un macizo de granito caliente fue descrito por V.A. Obruchev.

En 1963, se creó el primer GCC en París para extraer calor de rocas porosas para calefacción y aire acondicionado en las instalaciones del complejo Brodkastin Chaos. En 1985, 64 CVM con una capacidad térmica total de 450 MW ya estaban operando en Francia, con un ahorro anual de alrededor de 150 mil toneladas de petróleo. En el mismo año, se creó el primer CCG de este tipo en la URSS en el valle de Khankala, cerca de Grozny.

En 1977, bajo el proyecto del Laboratorio Nacional de Los Alamos de los EE. UU., Se inició la prueba de una GVC experimental con fracturación hidráulica de una masa casi impermeable en el sitio de Fenton Hill en el estado de Nuevo México. Inyectado a través del pozo (inyección) frío agua dulce se calentó por intercambio de calor con un macizo rocoso (185 OC) en una fractura vertical con un área de 8000 m2, formada por fracturación hidráulica a una profundidad de 2.7 km. En otro pozo (producción), también atravesando esta fractura, salió a la superficie agua sobrecalentada en forma de chorro de vapor. Al circular en un circuito cerrado bajo presión, la temperatura del agua sobrecalentada en la superficie alcanzó los 160-180 ° C, y la potencia térmica del sistema - 4-5 MW. Las fugas de refrigerante al macizo circundante representaron aproximadamente el 1% del caudal total. La concentración de impurezas mecánicas y químicas (hasta 0,2 g / l) correspondió a las condiciones de fresco agua potable... La fractura hidráulica no requirió fijación y se mantuvo abierta por la presión hidrostática del fluido. La convección libre que se desarrolló aseguró la participación efectiva en el intercambio de calor de casi toda la superficie del afloramiento de la masa rocosa caliente.

La extracción de energía térmica subterránea de rocas impermeables calientes, basada en los métodos de perforación direccional y fracturación hidráulica, desarrollados y practicados durante mucho tiempo en la industria del petróleo y el gas, no provocó actividad sísmica ni ningún otro efecto nocivo sobre el medio ambiente.

En 1983, los científicos británicos replicaron la experiencia estadounidense creando una GVC experimental con fracturación hidráulica de granitos en Carnwell. Se llevó a cabo un trabajo similar en Alemania y Suecia. Se han implementado más de 224 proyectos de calefacción geotérmica en los Estados Unidos. Al mismo tiempo, se supone que los recursos geotérmicos pueden proporcionar la mayor parte de las futuras necesidades de energía térmica de los EE. UU. Para necesidades no eléctricas. En Japón, la capacidad de la planta de energía geotérmica en 2000 alcanzó aproximadamente 50 GW.

Actualmente, la investigación y exploración de recursos geotérmicos se lleva a cabo en 65 países. En el mundo, se han creado estaciones con una capacidad total de aproximadamente 10 GW sobre la base de la energía geotérmica. La ONU está apoyando activamente el desarrollo de la energía geotérmica.

La experiencia de uso de portadores de calor geotérmicos acumulada en muchos países del mundo muestra que en condiciones favorables resultan de 2 a 5 veces más rentables que las centrales térmicas y nucleares. Los cálculos muestran que un pozo geotérmico puede reemplazar 158 mil toneladas de carbón por año.

Por lo tanto, el calor de la Tierra es, quizás, el único gran recurso energético renovable, cuyo desarrollo racional promete reducir el costo de la energía en comparación con los combustibles modernos. Con un potencial energético igualmente inagotable, las instalaciones solares y termonucleares, lamentablemente, serán más caras que las de combustible existentes.

A pesar de una historia muy larga de desarrollo del calor de la Tierra, la tecnología geotérmica aún no ha alcanzado su alto desarrollo. El desarrollo de la energía térmica de la Tierra está experimentando grandes dificultades en la construcción de pozos profundos, que son un canal para llevar el refrigerante a la superficie. Debido a la alta temperatura en el fondo del pozo (200-250 ° C), las herramientas tradicionales de corte de rocas son de poca utilidad en tales condiciones; se imponen requisitos especiales en la selección de tuberías y revestimientos de perforación, lechadas de cemento, tecnología de perforación, revestimientos y pozos. terminación. Los equipos de medición domésticos, los accesorios de servicio en serie y los equipos se fabrican en un diseño que permite temperaturas no superiores a 150-200 ° C. La perforación mecánica profunda tradicional de pozos a veces lleva años y requiere importantes costos financieros. En los principales activos productivos, el costo de los pozos oscila entre el 70 y el 90%. Este problema puede y debe resolverse solo mediante la creación de una tecnología progresiva para el desarrollo de la mayor parte de los recursos geotérmicos, es decir, extrayendo energía de las rocas calientes.

Nuestro grupo de científicos y especialistas rusos ha estado lidiando con el problema de extraer y utilizar la energía térmica profunda inagotable y repuesta de las rocas calientes de la Tierra en el territorio de la Federación de Rusia durante más de un año. El propósito del trabajo es crear, sobre la base de altas tecnologías domésticas, medios técnicos para una penetración profunda en las entrañas de la corteza terrestre. En la actualidad, se han desarrollado varias variantes de conjuntos de perforación (BS), que no tienen análogos en la práctica mundial.

La operación de la primera opción BS está vinculada a la tecnología de perforación de pozos convencional existente. La velocidad de perforación de rocas duras (densidad media 2500-3300 kg / m3) es de hasta 30 m / h, el diámetro del pozo es de 200-500 mm. La segunda versión del BS realiza la perforación de pozos de forma autónoma y automática. El lanzamiento se realiza desde una plataforma especial de lanzamiento y aceptación, desde la que se controla su movimiento. En unas pocas horas podrán pasar mil metros de BS en rocas duras. Diámetro del pozo de 500 a 1000 mm. Las opciones de BS reutilizables son rentables y tienen un valor potencial enorme. La introducción de BS en producción abrirá una nueva etapa en la construcción de pozos y brindará acceso a fuentes inagotables de energía térmica de la Tierra.

Para las necesidades de suministro de calor, la profundidad requerida de los pozos en todo el país se encuentra dentro del rango de hasta 3-4.5 mil metros y no excede los 5-6 mil metros. La temperatura del portador de calor para la vivienda y el suministro de calor comunal no no sobrepasar los 150 ° C. Para las instalaciones industriales, la temperatura, por regla general, no supera los 180-200 ° C.

El propósito del CCG es proporcionar calefacción permanente, asequible y barata a regiones remotas, de difícil acceso y subdesarrolladas de la Federación de Rusia. La duración del funcionamiento del GCS es de 25 a 30 años y más. Período de recuperación de la inversión de las estaciones (teniendo en cuenta las ultimas tecnologias perforación) - 3-4 años.

La creación en la Federación de Rusia en los próximos años de capacidades adecuadas para el uso de energía geotérmica para necesidades no eléctricas permitirá reemplazar alrededor de 600 millones de toneladas de combustible equivalente. Los ahorros pueden ascender a 2 billones de rublos.

En el período hasta 2030, es posible crear capacidades energéticas para reemplazar la energía disparada hasta en un 30%, y hasta 2040 para excluir casi por completo las materias primas orgánicas como combustible del balance energético de la Federación de Rusia.

Literatura

1. Goncharov S.A. Termodinámica. M.: MGTUim. NORDESTE. Bauman, 2002, 440 p.

2. Dyadkin Yu.D. y otra física térmica geotérmica. San Petersburgo: Nauka, 1993, 255 p.

3. Base de recursos minerales del complejo energético y de combustible de Rusia. Condición y pronóstico / V.K.Branchugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko y col., Ed. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovsky. M. 2004.548 p.

4. Novikov GP et al. Perforación de pozos para aguas termales. Moscú: Nedra, 1986, 229 p.

2. Régimen térmico de la Tierra

La tierra es un cuerpo espacial frío. La temperatura de la superficie depende principalmente del calor externo. 95% del calor de la capa superior de la Tierra es externo (solar) cálido y solo un 5% cálido interno , que proviene de las entrañas de la Tierra e incluye varias fuentes de energía. En el interior de la Tierra, la temperatura aumenta con la profundidad desde 1300 o C (en el manto superior) a 3700 o C (en el centro del núcleo).

Calor externo... El calor llega a la superficie de la Tierra principalmente del Sol. Cada centímetro cuadrado de superficie recibe aproximadamente 2 calorías de calor en un minuto. Esta cantidad se llama constante solar y determina la cantidad total de calor suministrado a la Tierra desde el Sol. Durante un año, asciende a 2,26 · 10 21 calorías. La profundidad de penetración del calor solar en las entrañas de la Tierra depende principalmente de la cantidad de calor que cae por unidad de superficie y de la conductividad térmica de las rocas. La profundidad máxima a la que penetra el calor externo es de 200 m en los océanos y de unos 40 m en tierra.

Calidez interna... Con la profundidad, hay un aumento de temperatura, que se produce de forma muy desigual en diferentes territorios. El aumento de temperatura sigue la ley adiabática y depende de la compresión de la sustancia bajo presión cuando el intercambio de calor con el medio ambiente es imposible.

Las principales fuentes de calor dentro de la Tierra:

El calor liberado durante la desintegración radiactiva de los elementos.

Calor residual de la formación de la Tierra.

Calor gravitacional liberado durante la compresión de la Tierra y la distribución de la materia por densidad.

Calor generado por reacciones químicas que tienen lugar en las profundidades de la corteza terrestre.

Calor liberado por la fricción de las mareas de la Tierra.

Hay 3 zonas de temperatura:

I - zona de temperatura variable ... El cambio de temperatura está determinado por el clima local. Las fluctuaciones diarias prácticamente se atenúan a una profundidad de aproximadamente 1,5 m, y las fluctuaciones anuales a profundidades de 20 ... 30 m. Iа - zona de congelación.

II - zona de temperatura constante ubicado a profundidades de 15 ... 40 m, dependiendo de la región.

III - zona de aumento de temperatura .

El régimen de temperatura de las rocas en las profundidades de la corteza terrestre generalmente se expresa mediante un gradiente geotérmico y un paso geotérmico.

La cantidad de aumento de temperatura por cada 100 m de profundidad se llama gradiente geotermal... En África, en el campo Witwatersrand, la temperatura es de 1,5 ° C, en Japón (Echigo) - 2,9 ° C, en Australia del Sur - 10,9 ° C, en Kazajstán (Samarinda) - 6,3 ° C, en la península de Kola - 0,65 ° C .

Arroz. 3. Zonas de temperaturas en la corteza terrestre: I - zona de temperaturas variables, Iа - zona de congelación; II - zona de temperaturas constantes; III - zona de aumento de temperatura.

La profundidad a la que la temperatura aumenta en 1 grado se llama paso geotermal. Los valores numéricos del paso geotérmico no son constantes no solo en diferentes latitudes, sino también en diferentes profundidades de un mismo punto en la región. La magnitud del paso geotérmico varía de 1,5 a 250 m. En Arkhangelsk es de 10 m, en Moscú - 38,4 my en Pyatigorsk - 1,5 m. El valor teórico promedio de este paso es de 33 m.

En un pozo perforado en Moscú a una profundidad de 1630 m, la temperatura del fondo del pozo fue de 41 ° C, y en una mina perforada en el Donbass a una profundidad de 1545 m, la temperatura fue de 56,3 ° C. La temperatura más alta se registró en EE. UU. En un pozo con una profundidad de 7136 m, donde es igual a 224 ° C. El aumento de la temperatura con la profundidad debe tenerse en cuenta al diseñar estructuras profundas.Según los cálculos, a una profundidad de 400 km, la temperatura debe alcanzar los 1400 ... 1700 ° C. Las temperaturas más altas (alrededor de 5000 ° C) se obtuvieron para el núcleo de la Tierra.