Երկրի ջերմությունը. երկրաջերմային էներգիա

Հին ժամանակներից մարդիկ գիտեին խորքերում թաքնված հսկա էներգիայի ինքնաբուխ դրսևորումների մասին. երկրագունդը. Մարդկության հիշողությունը լեգենդներ է պահում աղետալի հրաբխային ժայթքումների մասին, որոնք խլեցին միլիոնավոր մարդկային կյանքեր, անճանաչելիորեն փոխեցին Երկրի վրա շատ վայրերի տեսքը: Նույնիսկ համեմատաբար փոքր հրաբխի ժայթքման ուժը հսկայական է, այն շատ անգամ գերազանցում է մարդու ձեռքով ստեղծված ամենամեծ էլեկտրակայանների հզորությունը: Ճիշտ է, հրաբխային ժայթքումների էներգիայի ուղղակի օգտագործման մասին խոսելն ավելորդ է. մարդիկ դեռ հնարավորություն չունեն զսպելու այդ անսանձ տարրը, և, բարեբախտաբար, այդ ժայթքումները բավականին հազվադեպ իրադարձություններ են։ Բայց սրանք երկրագնդի աղիքներում թաքնված էներգիայի դրսևորումներ են, երբ այս անսպառ էներգիայի միայն չնչին մասն է ելք գտնում հրաբուխների կրակ-շնչառական անցքերի միջով:

Փոքր Եվրոպական երկիրԻսլանդիան (բառացի թարգմանությամբ՝ «սառույցի երկիր») լիովին ինքնաբավ է լոլիկի, խնձորի և նույնիսկ բանանի մեջ: Բազմաթիվ իսլանդական ջերմոցներ սնուցվում են երկրի ջերմությունը, Իսլանդիայում էներգիայի այլ տեղական աղբյուրներ գործնականում չկան։ Բայց այս երկիրը շատ հարուստ է տաք աղբյուրներ և հայտնի գեյզերներ՝ տաք ջրի շատրվաններ,գետնից փախչող քրոնոմետրի ճշգրտությամբ։ Եվ թեև իսլանդացիները առաջնահերթություն չունեն ստորգետնյա աղբյուրների ջերմությունից օգտվելու հարցում (նույնիսկ հին հռոմեացիները գետնի տակից ջուր էին բերում հայտնի բաղնիքներ՝ Կարակալլայի բաղնիքներ), այս փոքրիկ հյուսիսային երկրի բնակիչները. շատ ինտենսիվ շահագործել ստորգետնյա կաթսայատունը. Մայրաքաղաք Ռեյկյավիկը, որտեղ ապրում է երկրի բնակչության կեսը, ջեռուցվում է միայն ստորգետնյա աղբյուրներով։ Ռեյկյավիկը Իսլանդիան ուսումնասիրելու իդեալական մեկնարկային կետն է. այստեղից դուք կարող եք գնալ ամենահետաքրքիր և բազմազան էքսկուրսիաները դեպի այս եզակի երկրի ցանկացած անկյուն՝ գեյզերներ, հրաբուխներ, ջրվեժներ, ռիոլիտ լեռներ, ֆյորդներ... Ամենուր Ռեյկյավիկում դուք ձեզ մաքուր կզգաք: ԷՆԵՐԳԻԱ - ստորգետնից բխող գեյզերների ջերմային էներգիա, իդեալական կանաչ քաղաքի մաքրության և տարածության էներգիա, ուրախ և հրահրող էներգիա գիշերային կյանքՌեյկյավիկ ամբողջ տարին.

Բայց ոչ միայն ջեռուցման համար մարդիկ էներգիա են վերցնում երկրի խորքերից: Տաք ստորգետնյա աղբյուրներով էլեկտրակայանները գործում են երկար ժամանակ։Առաջին նման էլեկտրակայանը, դեռևս շատ ցածր էներգիայով, կառուցվել է 1904 թվականին իտալական փոքրիկ Լարդերելլո քաղաքում, որն անվանվել է ֆրանսիացի ինժեներ Լարդերելիի անունով, որը դեռ 1827 թվականին մշակել է այդ տարածքում բազմաթիվ տաք աղբյուրների օգտագործման նախագիծ: Աստիճանաբար էլեկտրակայանի հզորությունը մեծացավ, ավելի ու ավելի շատ նոր բլոկներ գործարկվեցին, օգտագործվեցին տաք ջրի նոր աղբյուրներ, և այսօր կայանի հզորությունն արդեն հասել է տպավորիչ արժեքի՝ 360 հազար կիլովատ։ Նոր Զելանդիայում նման էլեկտրակայան կա Վայրաքեյի շրջանում, դրա հզորությունը 160 000 կիլովատ է։ 500 000 կիլովատ հզորությամբ երկրաջերմային կայանը էլեկտրաէներգիա է արտադրում ԱՄՆ Սան Ֆրանցիսկոյից 120 կմ հեռավորության վրա։

երկրաջերմային էներգիա

Հին ժամանակներից մարդիկ գիտեին երկրագնդի աղիքներում թաքնված հսկա էներգիայի ինքնաբուխ դրսևորումների մասին: Մարդկության հիշողությունը լեգենդներ է պահում աղետալի հրաբխային ժայթքումների մասին, որոնք խլեցին միլիոնավոր մարդկային կյանքեր, անճանաչելիորեն փոխեցին Երկրի վրա շատ վայրերի տեսքը: Նույնիսկ համեմատաբար փոքր հրաբխի ժայթքման ուժը հսկայական է, այն շատ անգամ գերազանցում է մարդու ձեռքով ստեղծված ամենամեծ էլեկտրակայանների հզորությունը: Ճիշտ է, հրաբխային ժայթքումների էներգիայի ուղղակի օգտագործման մասին խոսելն ավելորդ է. մինչ այժմ մարդիկ հնարավորություն չունեն զսպելու այս անհնազանդ տարրը, և, բարեբախտաբար, այդ ժայթքումները բավականին հազվադեպ իրադարձություններ են: Բայց սրանք երկրագնդի աղիքներում թաքնված էներգիայի դրսևորումներ են, երբ այս անսպառ էներգիայի միայն չնչին մասն է ելք գտնում հրաբուխների կրակ-շնչառական անցքերի միջով:

Գեյզերն է տաք գարուն, որն իր ջուրը ժայթքում է դեպի կանոնավոր կամ անկանոն բարձունքներ, ինչպես շատրվան։ Անունը գալիս է իսլանդերեն «pours» բառից։ Գեյզերների հայտնվելը պահանջում է որոշակի բարենպաստ միջավայր, որը ստեղծվում է երկրագնդի միայն մի քանի վայրերում, ինչը հանգեցնում է նրանց բավականին հազվադեպ ներկայությանը։ Գեյզերների գրեթե 50%-ը գտնվում է ազգային պարկ Yellowstone (ԱՄՆ). Գեյզերի գործունեությունը կարող է դադարեցվել աղիների փոփոխությունների, երկրաշարժերի և այլ գործոնների պատճառով: Գեյզերի գործողության պատճառը ջրի շփումն է մագմայի հետ, որից հետո ջուրն արագ տաքանում է և երկրաջերմային էներգիայի ազդեցությամբ ուժով նետվում դեպի վեր։ Ժայթքումից հետո գեյզերի ջուրը աստիճանաբար սառչում է, ներթափանցում է դեպի մագմա և նորից հորդում։ Տարբեր գեյզերների ժայթքման հաճախականությունը տատանվում է մի քանի րոպեից մինչև մի քանի ժամ: Գեյզերի շահագործման համար մեծ էներգիայի անհրաժեշտություն. հիմնական պատճառընրանց հազվադեպությունը. Հրաբխային տարածքներում կարող են լինել տաք աղբյուրներ, ցեխային հրաբուխներ, ֆումարոլներ, բայց շատ քիչ վայրեր կան, որտեղ գեյզերներ են հայտնաբերվել: Փաստն այն է, որ եթե անգամ հրաբխի ակտիվության վայրում գոյանա գեյզեր, հետագա ժայթքումները կկործանեն երկրի մակերեսը և կփոխեն դրա վիճակը, ինչը կհանգեցնի գեյզերի անհետացմանը:

Երկրի էներգիան (երկրաջերմային էներգիա) հիմնված է Երկրի բնական ջերմության օգտագործման վրա։ Երկրի աղիքները հղի են էներգիայի հսկայական, գրեթե անսպառ աղբյուրով: Մեր մոլորակի ներքին ջերմության տարեկան ճառագայթումը կազմում է 2,8 * 1014 միլիարդ կՎտժ: Այն մշտապես փոխհատուցվում է երկրակեղևի որոշ իզոտոպների ռադիոակտիվ քայքայմամբ։

Երկրաջերմային էներգիայի աղբյուրները կարող են լինել երկու տեսակի. Առաջին տեսակը բնական ջերմային կրիչների ստորգետնյա լողավազաններն են՝ տաք ջուր (հիդրոջերմային աղբյուրներ), կամ գոլորշու (գոլորշու ջերմային աղբյուրներ) կամ գոլորշու ջրի խառնուրդ։ Ըստ էության, դրանք ուղղակիորեն պատրաստ օգտագործման «ստորգետնյա կաթսաներ» են, որտեղից կարելի է ջուր կամ գոլորշի դուրս բերել սովորական հորատանցքերի միջոցով: Երկրորդ տեսակը տաք ապարների ջերմությունն է։ Ջուրը նման հորիզոններ մղելով՝ կարելի է նաև գոլորշի կամ գերտաքացած ջուր ստանալ էներգետիկ նպատակներով հետագա օգտագործման համար։

Բայց երկու օգտագործման դեպքում էլ հիմնական թերությունը, հավանաբար, երկրաջերմային էներգիայի շատ ցածր կոնցենտրացիան է: Այնուամենայնիվ, յուրահատուկ երկրաջերմային անոմալիաների ձևավորման վայրերում, որտեղ տաք աղբյուրները կամ ժայռերը համեմատաբար մոտ են մակերեսին, և որտեղ ջերմաստիճանը բարձրանում է 30-40 ° C-ով յուրաքանչյուր 100 մ-ի համար, երկրաջերմային էներգիայի կոնցենտրացիաները կարող են պայմաններ ստեղծել դրա տնտեսական օգտագործման համար: Կախված ջրի, գոլորշու կամ գոլորշու ջրի խառնուրդի ջերմաստիճանից՝ երկրաջերմային աղբյուրները բաժանվում են ցածր և միջին ջերմաստիճանի (մինչև 130 - 150 ° C ջերմաստիճանով) և բարձր ջերմաստիճանի (ավելի քան 150 °): Նրանց օգտագործման բնույթը մեծապես կախված է ջերմաստիճանից:

Կարելի է պնդել, որ երկրաջերմային էներգիան ունի չորս օգտակար հատկանիշ.

Նախ՝ նրա պաշարները գործնականում անսպառ են։ Ըստ 70-ականների վերջի գնահատումների, մինչև 10 կմ խորության վրա, դրանք կազմում են 3,5 հազար անգամ ավելի մեծ արժեք, քան հանքային վառելիքի ավանդական տեսակների պաշարները:

Երկրորդ՝ երկրաջերմային էներգիան բավականին տարածված է։ Նրա կոնցենտրացիան կապված է հիմնականում ակտիվ սեյսմիկ և հրաբխային ակտիվության գոտիների հետ, որոնք զբաղեցնում են Երկրի տարածքի 1/10-ը։ Այս գոտիներում կարելի է առանձնացնել ամենահեռանկարային «երկրաջերմային շրջաններից» մի քանիսը, որոնց օրինակներն են Կալիֆոռնիան ԱՄՆ-ում, Նոր Զելանդիան, Ճապոնիան, Իսլանդիան, Կամչատկան և Հյուսիսային Կովկասը Ռուսաստանում։ Միայն նախկին ԽՍՀՄ-ում 90-ականների սկզբին բացվեցին տաք ջրի և գոլորշու մոտ 50 ստորգետնյա լողավազան։

Երրորդ, երկրաջերմային էներգիայի օգտագործումը մեծ ծախսեր չի պահանջում, քանի որ. Տվյալ դեպքում խոսքը արդեն «օգտագործման պատրաստ» էներգիայի աղբյուրների մասին է, որոնք ստեղծված են հենց բնության կողմից:

Վերջապես, չորրորդը, երկրաջերմային էներգիան էկոլոգիապես լիովին անվնաս է և չի աղտոտում շրջակա միջավայրը:

Մարդը վաղուց օգտագործում էր Երկրի ներքին ջերմության էներգիան (հիշենք հայտնի հռոմեական բաղնիքները), բայց դրա առևտրային օգտագործումը սկսվեց միայն մեր դարի 20-ական թվականներին Իտալիայում առաջին երկրաէլեկտրակայանների կառուցմամբ, այնուհետև. այլ երկրներում։ 1980-ականների սկզբին աշխարհում գործում էր մոտ 20 նման կայան՝ 1,5 մլն կՎտ ընդհանուր հզորությամբ։ Դրանցից ամենամեծը ԱՄՆ-ի Գեյզեր կայանն է (500 հազար կՎտ)։

Երկրաջերմային էներգիան օգտագործվում է էլեկտրաէներգիա արտադրելու, տների, ջերմոցների տաքացման համար և այլն: Որպես ջերմային կրիչ օգտագործվում է չոր գոլորշի, գերտաքացած ջուր կամ ցածր եռման կետով ցանկացած ջերմակիր (ամոնիակ, ֆրեոն և այլն)։

«Երկրաջերմային էներգիա» տերմինը ծագել է հունարեն երկիր (geo) և ջերմային (ջերմային) բառերից: Իրականում, երկրաջերմային էներգիան բխում է հենց երկրից. Երկրի միջուկից ջերմությունը, որի միջին ջերմաստիճանը 3600 աստիճան Ցելսիուս է, տարածվում է դեպի մոլորակի մակերես։

Աղբյուրների և գեյզերների ջեռուցումը ստորգետնյա մի քանի կիլոմետր խորության վրա կարող է իրականացվել հատուկ հորերի միջոցով, որոնց միջոցով ջուրը ներթափանցում է: տաք ջուր(կամ գոլորշին դրանից) դեպի մակերես, որտեղ այն կարող է ուղղակիորեն օգտագործվել որպես ջերմություն կամ անուղղակիորեն էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար՝ միացնելով պտտվող տուրբինները:

Քանի որ երկրագնդի մակերևույթի տակ գտնվող ջուրը մշտապես համալրվում է, և երկրագնդի միջուկը կշարունակի անվերջ ջերմություն արտադրել մարդու կյանքի համեմատ, երկրաջերմային էներգիան ի վերջո մաքուր և վերականգնվող:

Երկրի էներգետիկ ռեսուրսների հավաքման մեթոդներ

Այսօր երկրաջերմային էներգիայի հավաքման երեք հիմնական եղանակ կա՝ չոր գոլորշու, տաք ջուր և երկուական ցիկլ: Չոր գոլորշու պրոցեսն ուղղակիորեն մղում է էներգիայի գեներատորների տուրբինային շարժիչները: Տաք ջուրը մտնում է ներքևից վեր, այնուհետև ցողվում է տանկի մեջ՝ գոլորշի առաջացնելու տուրբինները քշելու համար: Այս երկու մեթոդները ամենատարածվածն են՝ արտադրելով հարյուրավոր մեգավատ էլեկտրաէներգիա ԱՄՆ-ում, Իսլանդիայում, Եվրոպայում, Ռուսաստանում և այլ երկրներում: Սակայն գտնվելու վայրը սահմանափակ է, քանի որ այս կայանները գործում են միայն տեկտոնական շրջաններում, որտեղ ավելի հեշտ է մուտք գործել ջեռուցվող ջուր:

Երկուական ցիկլի տեխնոլոգիայով տաք (պարտադիր չէ, որ տաք) ջուրը արդյունահանվում է դեպի մակերես և զուգակցվում բութանի կամ պենտանի հետ, որն ունի ցածր եռման կետ: Այս հեղուկը մղվում է ջերմափոխանակիչի միջոցով, որտեղ այն գոլորշիանում և ուղարկվում է տուրբինի միջով, նախքան համակարգ վերաշրջանառվելը: Երկուական ցիկլի տեխնոլոգիան ապահովում է տասնյակ մեգավատ էլեկտրաէներգիա ԱՄՆ-ում՝ Կալիֆոռնիա, Նևադա և Հավայան կղզիներում:

Էներգիայի ստացման սկզբունքը

Երկրաջերմային էներգիա ստանալու թերությունները

Կոմունալ ծառայությունների մակարդակով երկրաջերմային էլեկտրակայանների կառուցումը և շահագործումը ծախսատար է: Հարմար տեղ գտնելը պահանջում է հորերի թանկարժեք հետազոտություն՝ առանց արդյունավետ ստորգետնյա հարվածի երաշխիքի թեժ կետ. Այնուամենայնիվ, վերլուծաբաններն ակնկալում են, որ առաջիկա վեց տարիների ընթացքում այս հզորությունը գրեթե կկրկնապատկվի:

Բացի այդ, ստորգետնյա աղբյուրի բարձր ջերմաստիճան ունեցող տարածքները գտնվում են ակտիվ երկրաբանական և քիմիական հրաբուխներով տարածքներում: Այս «թեժ կետերը» առաջացել են տեկտոնական թիթեղների սահմաններում այն ​​վայրերում, որտեղ ընդերքը բավականին բարակ է։ Խաղաղ օվկիանոսը հաճախ կոչվում է որպես կրակի օղակ շատ հրաբուխների համար, որտեղ կան բազմաթիվ թեժ կետեր, ներառյալ Ալյասկայում, Կալիֆոռնիայում և Օրեգոնում: Նևադան ունի հարյուրավոր թեժ կետեր, որոնք ընդգրկում են ԱՄՆ հյուսիսի մեծ մասը:

Կան նաև այլ սեյսմիկ ակտիվ տարածքներ։ Երկրաշարժերը և մագմայի շարժումը թույլ են տալիս ջրի շրջանառությունը: Որոշ վայրերում ջուրը բարձրանում է մակերես և առաջանում են բնական տաք աղբյուրներ և գեյզերներ, ինչպես օրինակ Կամչատկայում։ Կամչատկայի գեյզերներում ջուրը հասնում է 95°C-ի։

Բաց գեյզերային համակարգերի խնդիրներից մեկը օդի որոշակի աղտոտիչների արտանետումն է: Ջրածնի սուլֆիդ - թունավոր գազ, որը շատ ճանաչելի է «փտած ձվի» հոտով - գոլորշու հետ արտազատվող փոքր քանակությամբ մկնդեղ և հանքանյութեր: Աղը կարող է նաև բնապահպանական խնդիր ստեղծել։

Օֆշորային երկրաջերմային էլեկտրակայաններում խողովակների մեջ զգալի քանակությամբ խանգարող աղ է կուտակվում։ Փակ համակարգերում արտանետումներ չկան, և մակերես դուրս բերված ամբողջ հեղուկը հետ է վերադարձվում:

Էներգետիկ ռեսուրսի տնտեսական ներուժը

Սեյսմիկ ակտիվ կետերը միակ վայրերը չեն, որտեղ կարելի է գտնել երկրաջերմային էներգիա: Երկրի գրեթե ցանկացած կետում 4 մետրից մինչև մի քանի կիլոմետր խորության վրա առկա է օգտագործելի ջերմության մշտական ​​մատակարարում ուղղակի ջեռուցման նպատակներով: Նույնիսկ սեփական բակում կամ տեղական դպրոցում գտնվող հողատարածքն ունի տան կամ այլ շենքերի ջերմություն ապահովելու տնտեսական ներուժ:

Բացի այդ, մակերևույթից շատ խորը (4 - 10 կմ) չոր ապարային գոյացություններում կա ջերմային էներգիայի հսկայական քանակություն:

Նոր տեխնոլոգիաների օգտագործումը կարող է ընդլայնել երկրաջերմային համակարգերը, որտեղ մարդիկ կարող են օգտագործել այդ ջերմությունը՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար շատ ավելի մեծ մասշտաբով, քան սովորական տեխնոլոգիաները: Էլեկտրաէներգիայի արտադրության այս սկզբունքի առաջին ցուցադրական նախագծերը ցուցադրվում են ԱՄՆ-ում և Ավստրալիայում արդեն 2013թ.

Եթե ​​հնարավոր լինի իրացնել երկրաջերմային ռեսուրսների ողջ տնտեսական ներուժը, այն կներկայացնի էլեկտրաէներգիայի հսկայական աղբյուր արտադրական հզորությունների համար։ Գիտնականները ենթադրում են, որ սովորական երկրաջերմային աղբյուրներն ունեն 38000 ՄՎտ պոտենցիալ, որը կարող է տարեկան արտադրել 380 մլն ՄՎտ էլեկտրաէներգիա։

Տաք չոր ժայռերը հանդիպում են 5-ից 8 կմ խորության վրա ամենուր՝ ստորգետնյա և ավելի փոքր խորություններում՝ առանձին վայրերում: Այս ռեսուրսների հասանելիությունը ներառում է տաք ժայռերի միջով շրջանառվող սառը ջրի ներմուծում և ջեռուցվող ջրի հեռացում: Ներկայումս այս տեխնոլոգիայի կոմերցիոն կիրառություն չկա: Առկա տեխնոլոգիաները դեռ թույլ չեն տալիս վերականգնել ջերմային էներգիաանմիջապես մագմայից, շատ խորը, բայց դա երկրաջերմային էներգիայի ամենահզոր աղբյուրն է.

Էներգետիկ ռեսուրսների և դրա հետևողականության համակցությամբ երկրաջերմային էներգիան կարող է անփոխարինելի դեր խաղալ որպես ավելի մաքուր և կայուն էներգետիկ համակարգ:

Երկրաջերմային էլեկտրակայանների կառուցում

երկրաջերմային էներգիամաքուր և կայուն ջերմություն է Երկրից: Ավելի մեծ ռեսուրսները տատանվում են երկրագնդի մակերեւույթից մի քանի կիլոմետր ներքև և նույնիսկ ավելի խորը, մինչև մագմա կոչվող բարձր ջերմաստիճանի հալած ապարները: Բայց ինչպես նկարագրվեց վերևում, մարդիկ դեռ չեն հասել մագմայի:

Երեք երկրաջերմային էլեկտրակայանների նախագծեր

Կիրառման տեխնոլոգիան որոշվում է ռեսուրսով: Եթե ​​ջուրը գալիս է ջրհորից որպես գոլորշի, այն կարող է ուղղակիորեն օգտագործվել: Եթե ​​տաք ջուրը բավականաչափ բարձր է, այն պետք է անցնի ջերմափոխանակիչով:

Էլեկտրաէներգիայի արտադրության համար առաջին հորատանցքը հորատվել է մինչև 1924 թվականը։ Ավելի խորը հորեր են հորատվել 1950-ականներին, սակայն իրական զարգացումը տեղի է ունենում 1970-ական և 1980-ական թվականներին:

Երկրաջերմային ջերմության ուղղակի օգտագործում

Երկրաջերմային աղբյուրները կարող են օգտագործվել նաև ուղղակիորեն ջեռուցման նպատակով: Տաք ջուրն օգտագործվում է շենքերը տաքացնելու, ջերմոցներում բույսեր աճեցնելու, ձկների և մշակաբույսերի չորացման, նավթի արտադրությունը բարելավելու, արդյունաբերական գործընթացներին, ինչպիսիք են կաթի պաստերիզատորները, և ձկնաբուծարաններում ջուրը տաքացնելու համար: ԱՄՆ-ում Կլամաթ Ֆոլս, Օրեգոն և Բոյս, Այդահո նահանգները ավելի քան մեկ դար օգտագործել են երկրաջերմային ջուրը տները և շենքերը տաքացնելու համար: Արևելյան ափին, Վիրջինիա նահանգի Ուորմ Սփրինգս քաղաքը ջերմություն է ստանում անմիջապես աղբյուրի ջրից՝ օգտագործելով տեղական հանգստավայրերից մեկի ջերմային աղբյուրները:

Իսլանդիայում երկրի գրեթե բոլոր շենքերը ջեռուցվում են տաք աղբյուրի ջրով: Փաստորեն, Իսլանդիան իր առաջնային էներգիայի ավելի քան 50 տոկոսը ստանում է երկրաջերմային աղբյուրներից: Օրինակ, Ռեյկյավիկում (ժող. 118,000) տաք ջուրը տեղափոխվում է 25 կիլոմետր երկարությամբ կոնվեյերով, և բնակիչներն այն օգտագործում են ջեռուցման և բնական կարիքների համար։

Նոր Զելանդիան լրացուցիչ ստանում է իր էլեկտրաէներգիայի 10%-ը։ թերզարգացած է, չնայած ջերմային ջրերի առկայությանը։

ՆՐԱՆՔ. Կապիտոնովը

Երկրի միջուկային ջերմությունը

Երկրի ջերմություն

Երկիրը բավականին ուժեղ տաքացած մարմին է և ջերմության աղբյուր է։ Այն տաքանում է հիմնականում կլանում արևային ճառագայթման շնորհիվ: Բայց Երկիրն ունի նաև իր ջերմային ռեսուրսը, որը համեմատելի է Արեգակից ստացվող ջերմության հետ։ Ենթադրվում է, որ Երկրի այս սեփական էներգիան ունի հետևյալ ծագումը. Երկիրն առաջացել է մոտ 4,5 միլիարդ տարի առաջ՝ Արեգակի ձևավորումից հետո՝ իր շուրջը պտտվող և խտացող նախամոլորակային գազ-փոշու սկավառակից: Իր ձևավորման վաղ փուլում երկրային նյութը տաքացել է համեմատաբար դանդաղ գրավիտացիոն սեղմման պատճառով։ Երկրի ջերմային հավասարակշռության մեջ կարևոր դեր է խաղացել նաև նրա վրա տիեզերական փոքր մարմինների անկման ժամանակ արձակված էներգիան։ Հետևաբար, երիտասարդ Երկիրը հալված էր: Սառչելով՝ այն աստիճանաբար հասել է ներկայիս վիճակին՝ ամուր մակերեսով, որի մի զգալի մասը ծածկված է օվկիանոսի ու ծովի ջրերով։ Այս կոշտ արտաքին շերտը կոչվում է երկրակեղևըիսկ միջինում ցամաքում նրա հաստությունը մոտ 40 կմ է, իսկ օվկիանոսային ջրերի տակ՝ 5-10 կմ։ Երկրի ավելի խորը շերտը, որը կոչվում է թիկնոցնույնպես բաղկացած է պինդ. Այն տարածվում է գրեթե 3000 կմ խորության վրա և պարունակում է Երկրի նյութի հիմնական մասը։ Վերջապես, Երկրի ամենաներքին մասը դա է միջուկը. Այն բաղկացած է երկու շերտից՝ արտաքին և ներքին։ արտաքին միջուկըսա 4500-6500 Կ ջերմաստիճանի հալած երկաթի և նիկելի շերտ է 2000-2500 կմ հաստությամբ: ներքին միջուկը 1000-1500 կմ շառավղով պինդ երկաթ-նիկելի համաձուլվածք է, որը ջեռուցվում է մինչև 4000-5000 Կ ջերմաստիճանի մոտ 14 գ / սմ 3 խտությամբ, որն առաջացել է հսկայական (գրեթե 4 միլիոն բար) ճնշման տակ:
Բացի Երկրի ներքին ջերմությունից, որը ժառանգվել է նրա ձևավորման ամենավաղ փուլից, և որի քանակությունը ժամանակի ընթացքում պետք է նվազի, կա ևս մեկ երկարաժամկետ, որը կապված է միջուկների ռադիոակտիվ քայքայման հետ երկար կիսա- կյանքը, առաջին հերթին, 232 Th, 235 U, 238 U և 40 K: Այս քայքայման արդյունքում թողարկված էներգիան, որը կազմում է երկրագնդի ռադիոակտիվ էներգիայի գրեթե 99%-ը, անընդհատ լրացնում է Երկրի ջերմային պաշարները: Վերոնշյալ միջուկները պարունակվում են ընդերքի և թիկնոցի մեջ: Նրանց քայքայումը հանգեցնում է Երկրի ինչպես արտաքին, այնպես էլ ներքին շերտերի տաքացմանը:
Երկրի ներսում պարունակվող հսկայական ջերմության մի մասը անընդհատ դուրս է գալիս նրա մակերես, հաճախ շատ լայնածավալ հրաբխային գործընթացներով: Հայտնի է Երկրի խորքից նրա մակերեսով հոսող ջերմային հոսքը։ Այն (47±2)·10 12 վտ է, որը համարժեք է ջերմությանը, որը կարող է առաջացնել 50 հազար ատոմակայանները (մեկ ատոմակայանի միջին հզորությունը մոտ 10 9 վտ է)։ Հարց է առաջանում, թե ռադիոակտիվ էներգիան ինչ-որ էական դեր ունի՞ Երկրի ընդհանուր ջերմային բյուջեում, և եթե այո, ապա ի՞նչ դեր: Այս հարցերի պատասխանը երկար ժամանակ անհայտ մնաց։ Այժմ այս հարցերին պատասխանելու հնարավորություններ կան։ Այստեղ առանցքային դերը պատկանում է նեյտրիններին (հակինեյտրինոներին), որոնք ծնվում են Երկրի նյութը կազմող միջուկների ռադիոակտիվ քայքայման գործընթացներում և որոնք կոչվում են. գեո-նեյտրինո.

Գեո-նեյտրինո

Գեո-նեյտրինոնեյտրինոների կամ հականեյտրինոների համակցված անվանումն է, որոնք արտանետվում են երկրի մակերեսի տակ գտնվող միջուկների բետա քայքայման արդյունքում։ Ակնհայտ է, որ աննախադեպ ներթափանցման ունակության պատճառով դրանց (և միայն նրանց) գրանցումը ցամաքային նեյտրինո դետեկտորների կողմից կարող է օբյեկտիվ տեղեկատվություն տրամադրել Երկրի խորքում տեղի ունեցող ռադիոակտիվ քայքայման գործընթացների մասին: Նման քայքայման օրինակ է 228 Ra միջուկի β - քայքայումը, որը երկարակյաց 232 Th միջուկի α քայքայման արտադրյալն է (տես աղյուսակը).

228 Ra միջուկի կես կյանքը (T 1/2) կազմում է 5,75 տարի, իսկ արձակված էներգիան՝ մոտ 46 կՎ։ Անտինեյտրինոների էներգիայի սպեկտրը շարունակական է, որի վերին սահմանը մոտ է արձակված էներգիային:
232 Th, 235 U, 238 U միջուկների քայքայումները հաջորդական քայքայման շղթաներ են, որոնք կազմում են այսպես կոչված. ռադիոակտիվ շարք. Նման շղթաներում α-քայքայվում են β −-քայքայվածները, քանի որ α-քայքայման դեպքում վերջնական միջուկները, պարզվում է, տեղափոխվում են β-կայունության գծից դեպի նեյտրոններով գերբեռնված միջուկների շրջան։ Յուրաքանչյուր շարքի վերջում հաջորդական քայքայման շղթայից հետո ձևավորվում են կայուն միջուկներ՝ պրոտոնների և նեյտրոնների քանակով մոտ կամ հավասար կախարդական թվերին (Z. = 82,Ն= 126): Նման վերջնական միջուկները կապարի կամ բիսմութի կայուն իզոտոպներ են։ Այսպիսով, T 1/2-ի քայքայումն ավարտվում է կրկնակի կախարդական միջուկի ձևավորմամբ՝ 208 Pb, իսկ 232 Th → 208 Pb ճանապարհին տեղի են ունենում վեց α-քայքայումներ՝ փոխարինելով չորս β - քայքայմամբ (շղթայում 238 U → 206 Pb, ութ α- և վեց β - - քայքայվում է, կան յոթ α- և չորս β − քայքայումներ 235 U → 207 Pb շղթայում): Այսպիսով, յուրաքանչյուր ռադիոակտիվ շարքից հականեյտրինոների էներգիայի սպեկտրը մասնակի սպեկտրների սուպերպոզիցիա է առանձին β − քայքայումներից, որոնք կազմում են այս շարքը։ 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K քայքայման ժամանակ արտադրված հականեյտրինոների սպեկտրները ներկայացված են Նկ. 1. 40 K քայքայումը մեկ β − քայքայումն է (տես աղյուսակը): Ամենաբարձր էներգիան (մինչև 3,26 ՄէՎ) հականեյտրինոները հասնում են քայքայման ժամանակ
214 Bi → 214 Po, որը կապ է 238 U ռադիոակտիվ շարքի 232 Th → 208 Pb շարքի բոլոր քայքայված կապերի անցման ժամանակ թողարկված ընդհանուր էներգիան 42,65 ՄէՎ է։ 235 U և 238 U ռադիոակտիվ շարքերի համար այս էներգիաները համապատասխանաբար 46,39 և 51,69 ՄէՎ են։ Էներգիան, որը թողարկվում է քայքայման ժամանակ
40 K → 40 Ca-ն 1,31 ՄէՎ է:

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K միջուկների բնութագրերը

Հիմնական	Կիսվել %ով խառնուրդի մեջ իզոտոպներ	Միջուկների քանակը վերաբերում է. Si միջուկներ	Տ 1/2 միլիարդ տարի	Առաջին հղումները քայքայումը
232-րդ	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 հազար	0.0117	0.440	1.25

Գեոնեյտրինո հոսքի գնահատումը, որը կատարվել է Երկրի նյութի բաղադրության մեջ պարունակվող 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K միջուկների քայքայման հիման վրա, հանգեցնում է 10 6 սմ կարգի արժեքի։ -2 վրկ -1. Գրանցելով այս գեոնեյտրինոները՝ կարելի է տեղեկատվություն ստանալ ռադիոակտիվ ջերմության դերի մասին Երկրի ընդհանուր ջերմային հավասարակշռության մեջ և ստուգել մեր պատկերացումները երկրային նյութի բաղադրության մեջ երկարակյաց ռադիոիզոտոպների պարունակության մասին։

Բրինձ. 1. Անտինեյտրինոների էներգետիկ սպեկտրները միջուկների քայքայումից

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K նորմալացված մայր միջուկի մեկ քայքայման

Էլեկտրոնային հականեյտրինոները գրանցելու համար օգտագործվում է ռեակցիան

P → e + + n, (1)

որում իրականում հայտնաբերվել է այս մասնիկը։ Այս ռեակցիայի շեմը 1,8 ՄէՎ է: Հետևաբար, վերը նշված ռեակցիայում կարող են գրանցվել միայն 232 Th և 238 U միջուկներից սկսած քայքայման շղթաներում ձևավորված գեոնեյտրինոները։ Քննարկվող ռեակցիայի արդյունավետ խաչմերուկը չափազանց փոքր է՝ ս ≈ 10 -43 սմ 2: Սրանից հետևում է, որ 1 մ 3 զգայուն ծավալով նեյտրինո դետեկտորը տարեկան գրանցում է ոչ ավելի, քան մի քանի իրադարձություն: Ակնհայտ է, որ գեո-նեյտրինո հոսքերի հուսալի ամրագրման համար անհրաժեշտ են մեծ ծավալի նեյտրինո դետեկտորներ, որոնք տեղակայված են ստորգետնյա լաբորատորիաներում՝ ֆոնից առավելագույն պաշտպանության համար: Գեոնեյտրինոների գրանցման համար արևային և ռեակտորային նեյտրինների ուսումնասիրման համար նախատեսված դետեկտորներ օգտագործելու գաղափարը ծագել է 1998 թվականին: Ներկայումս կան երկու մեծ ծավալի նեյտրինո դետեկտորներ, որոնք օգտագործում են հեղուկ ցինտիլատոր և հարմար են խնդիրը լուծելու համար: Սրանք KamLAND (Ճապոնիա, Ճապոնիա) և Բորեքսինո (Իտալիա, Իտալիա) փորձերի նեյտրինո դետեկտորներն են: Ստորև մենք դիտարկում ենք Borexino դետեկտորի սարքը և այս դետեկտորի վրա ստացված արդյունքները գեո-նեյտրինոների գրանցման վերաբերյալ:

Բորեքսինո դետեկտոր և գեո-նեյտրինոների գրանցում

Borexino նեյտրինո դետեկտորը գտնվում է Իտալիայի կենտրոնական մասում՝ Գրան Սասո լեռնաշղթայի տակ գտնվող ստորգետնյա լաբորատորիայում, որի լեռնագագաթները հասնում են 2,9 կմ-ի (նկ. 2):

Բրինձ. Նկար 2. Գրան Սասո լեռնաշղթայի տակ նեյտրինո լաբորատորիայի տեղակայման սխեման (կենտրոնական Իտալիա)

Բորեքսինոն ոչ հատվածային զանգվածային դետեկտոր է, որի ակտիվ միջավայրն է
280 տոննա օրգանական հեղուկ ցինտիլատոր։ Այն լցրեց 8,5 մ տրամագծով նեյլոնե գնդաձև անոթ (նկ. 3): Սցինտիլյատորը պսեւդոկումեն էր (C 9 H 12) սպեկտրը փոխող PPO հավելումով (1,5 գ/լ): Սցինտիլյատորից լույսը հավաքվում է 2212 ութ դյույմանոց ֆոտոմուլտիպլիկատորներով (PMT), որոնք տեղադրված են չժանգոտվող պողպատից գնդի վրա (SSS):

Բրինձ. 3. Borexino դետեկտորի սարքի սխեման

Պսեւդոկումենով նեյլոնե անոթը ներքին դետեկտոր է, որի խնդիրն է գրանցել նեյտրինոները (հակինեյտրինո): Ներքին դետեկտորը շրջապատված է երկու համակենտրոն բուֆերային գոտիներով, որոնք պաշտպանում են այն արտաքին գամմա ճառագայթներից և նեյտրոններից։ Ներքին գոտին լցված է 900 տոննա պսեւդոկումենից բաղկացած ոչ ցինտիլացնող միջավայրով՝ ցինտիլը հանգցնող դիմեթիլֆտալատային հավելումներով։ Արտաքին գոտին գտնվում է SNS-ի վերևում և իրենից ներկայացնում է ջրային Չերենկովյան դետեկտոր, որը պարունակում է 2000 տոննա գերմաքուր ջուր և անջատում է ազդանշանները մյուոններից, որոնք մտնում են հաստատություն դրսից: Ներքին դետեկտորում տեղի ունեցող յուրաքանչյուր փոխազդեցության համար որոշվում են էներգիան և ժամանակը: Դետեկտորի չափաբերումը տարբեր ռադիոակտիվ աղբյուրների միջոցով հնարավորություն է տվել շատ ճշգրիտ որոշել դրա էներգիայի մասշտաբը և լուսային ազդանշանի վերարտադրելիության աստիճանը:
Բորեքսինոն շատ բարձր ճառագայթման մաքրության դետեկտոր է: Բոլոր նյութերը խստորեն ընտրվել են, և ցինտիլյատորը մաքրվել է ներքին ֆոնը նվազագույնի հասցնելու համար: Իր բարձր ճառագայթային մաքրության պատճառով Borexino-ն հիանալի դետեկտոր է հականեյտրինոների հայտնաբերման համար:
Ռեակցիայում (1) պոզիտրոնը տալիս է ակնթարթային ազդանշան, որին որոշ ժամանակ անց հաջորդում է ջրածնի միջուկի կողմից նեյտրոնի գրավումը, ինչը հանգեցնում է 2,22 ՄէՎ էներգիայով γ-քվանտի առաջացմանը, որը ստեղծում է. ազդանշանը հետաձգվել է առաջինի համեմատ: Բորեքսինոյում նեյտրոնների գրավման ժամանակը մոտ 260 մկվ է: Ակնթարթային և հետաձգված ազդանշանները փոխկապակցված են տարածության և ժամանակի մեջ՝ ապահովելով e-ի հետևանքով առաջացած իրադարձության ճշգրիտ ճանաչում:
Ռեակցիայի (1) շեմը 1,806 ՄէՎ է և, ինչպես երևում է Նկ. 1, բոլոր գեոնեյտրինոները 40 K և 235 U-ի քայքայումից ցածր են այս շեմից, և 232 Th և 238 U-ի քայքայման արդյունքում առաջացած գեոնեյտրինոների միայն մի մասը կարող է հայտնաբերվել:
Borexino դետեկտորն առաջին անգամ հայտնաբերեց ազդանշաններ գեոնեյտրինոներից 2010 թվականին և վերջերս հրապարակեց նոր արդյունքներ՝ հիմնված 2056 օրվա դիտարկումների վրա՝ 2007 թվականի դեկտեմբերից մինչև 2015 թվականի մարտը: Ստորև ներկայացնում ենք ստացված տվյալները և դրանց քննարկման արդյունքները՝ հիմնված հոդվածի վրա:
Փորձարարական տվյալների վերլուծության արդյունքում բացահայտվել են էլեկտրոնային հականեյտրինոների 77 թեկնածուներ, որոնք անցել են ընտրության բոլոր չափանիշները։ e-ի նմանակող իրադարձությունների նախապատմությունը գնահատվել է . Այսպիսով, ազդանշան/ֆոն հարաբերակցությունը եղել է ≈100:
Հիմնական ֆոնային աղբյուրը ռեակտորային հականեյտրինոներն էին: Բորեքսինոյի համար իրավիճակը բավականին բարենպաստ էր, քանի որ Գրան Սասո լաբորատորիայի մոտ միջուկային ռեակտորներ չկան։ Բացի այդ, ռեակտորի հականեյտրինոներն ավելի էներգետիկ են, քան գեոնեյտրինոները, ինչը հնարավորություն է տվել այդ հականեյտրինոները պոզիտրոնից անջատել ազդանշանի ուժգնությամբ։ Գեոնեյտրինոների և ռեակտորային հականեյտրինոների ներդրման վերլուծության արդյունքները գրանցված իրադարձությունների ընդհանուր թվին e-ից ներկայացված են Նկ. 4. Այս վերլուծությամբ տրված գրանցված գեոնեյտրինոների թիվը (նկար 4-ում դրանց ստվերված տարածքը համապատասխանում է) հավասար է. . Վերլուծության արդյունքում արդյունահանված գեոնեյտրինոների սպեկտրում տեսանելի է երկու խումբ՝ պակաս էներգետիկ, ավելի ինտենսիվ և ավելի եռանդուն, ավելի քիչ ինտենսիվ։ Նկարագրված հետազոտության հեղինակներն այս խմբերը կապում են համապատասխանաբար թորիումի և ուրանի քայքայման հետ։
Քննարկվող վերլուծության մեջ մենք օգտագործել ենք թորիումի և ուրանի զանգվածների հարաբերակցությունը Երկրի հարցում.
m(Th)/m(U) = 3.9 (աղյուսակում այս արժեքը ≈3.8 է): Այս ցուցանիշը արտացոլում է այս քիմիական տարրերի հարաբերական պարունակությունը քոնդրիտներում՝ երկնաքարերի ամենատարածված խումբը (Երկրին ընկած երկնաքարերի ավելի քան 90%-ը պատկանում է այս խմբին): Ենթադրվում է, որ քոնդրիտների բաղադրությունը, բացառությամբ թեթև գազերի (ջրածին և հելիում), կրկնում է Արեգակնային համակարգի և նախամոլորակային սկավառակի կազմը, որից առաջացել է Երկիրը։

Բրինձ. Նկ. 4. Պոզիտրոններից լույսի ելքային սպեկտրը հականեյտրինո թեկնածու իրադարձությունների համար ֆոտոէլեկտրոնների թվի միավորներով (փորձարարական կետեր): Ստվերավորված տարածքը գեոնեյտրինոների ներդրումն է։ Հաստ գիծը ռեակտորի հականեյտրինոների ներդրումն է:

Տեխնիկական գիտությունների դոկտոր ՎՐԱ. Երդվում եմ, պրոֆեսոր,
Ռուսաստանի տեխնոլոգիական գիտությունների ակադեմիայի ակադեմիկոս, Մոսկվա

Վերջին տասնամյակների ընթացքում աշխարհը դիտարկում է Երկրի խորը ջերմության էներգիայի առավել արդյունավետ օգտագործման ուղղությունը՝ բնական գազի, նավթի և ածուխի մասնակի փոխարինման նպատակով: Դա հնարավոր կդառնա ոչ միայն բարձր երկրաջերմային պարամետրերով տարածքներում, այլև երկրագնդի ցանկացած տարածքում՝ ներարկման և արտադրական հորեր հորատելիս և դրանց միջև շրջանառության համակարգեր ստեղծելիս։

Վերջին տասնամյակներում աշխարհում էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրների նկատմամբ հետաքրքրության աճը պայմանավորված է ածխաջրածնային վառելիքի պաշարների սպառմամբ և մի շարք խնդիրների լուծման անհրաժեշտությամբ։ բնապահպանական խնդիրները. Օբյեկտիվ գործոնները (հանածո վառելիքի և ուրանի պաշարները, ինչպես նաև ավանդական կրակի և միջուկային էներգիայի հետևանքով առաջացած միջավայրի փոփոխությունները) թույլ են տալիս պնդել, որ էներգիայի արտադրության նոր մեթոդների և ձևերի անցումն անխուսափելի է:

Համաշխարհային տնտեսությունը ներկայումս գնում է դեպի անցում դեպի ավանդական և նոր էներգիայի աղբյուրների ռացիոնալ համադրությանը։ Երկրի ջերմությունը նրանց մեջ զբաղեցնում է առաջին տեղերից մեկը։

Երկրաջերմային էներգիայի պաշարները բաժանվում են հիդրոերկրաբանական և նավթաերկրաջերմային: Դրանցից առաջինները ներկայացված են ջերմային կրիչներով (դրանք կազմում են ընդհանուր երկրաջերմային էներգիայի պաշարների ընդամենը 1%-ը) - ստորերկրյա ջրեր, գոլորշու և գոլորշու-ջրի խառնուրդներ։ Երկրորդը տաք ապարներում պարունակվող երկրաջերմային էներգիան է:

Բնական գոլորշու և երկրաջերմային ջրերի արդյունահանման համար մեր երկրում և արտերկրում կիրառվող շատրվանային տեխնոլոգիան (ինքնաթափումը) պարզ է, բայց անարդյունավետ: Ինքնահոսող հորերի հոսքի ցածր արագությամբ, դրանց ջերմային արտադրությունը կարող է փոխհատուցել հորատման ծախսերը միայն ջերմային անոմալիաների տարածքներում բարձր ջերմաստիճան ունեցող երկրաջերմային ջրամբարների փոքր խորության վրա: Շատ երկրներում նման հորերի ծառայության ժամկետը չի հասնում նույնիսկ 10 տարվա:

Միաժամանակ փորձը հաստատում է, որ բնական գոլորշու ծանծաղ կոլեկտորների առկայության դեպքում երկրաջերմային էլեկտրակայանի կառուցումը երկրաջերմային էներգիայի օգտագործման ամենաշահավետ տարբերակն է։ Նման ԳեոՋԷԿ-երի շահագործումը ցույց է տվել դրանց մրցունակությունը այլ տեսակի էլեկտրակայանների համեմատությամբ։ Հետևաբար, երկրաջերմային ջրերի և գոլորշու հիդրոթերմների պաշարների օգտագործումը մեր երկրում Կամչատկայի թերակղզում և Կուրիլյան շղթայի կղզիներում, Հյուսիսային Կովկասի շրջաններում, ինչպես նաև, հնարավոր է, այլ տարածքներում, նպատակահարմար և ժամանակին է: Բայց գոլորշու հանքավայրերը հազվադեպ են, նրա հայտնի և կանխատեսվող պաշարները փոքր են։ Ջերմային և հոսանքի ջրի շատ ավելի տարածված հանքավայրերը միշտ չէ, որ գտնվում են սպառողին բավական մոտ՝ ջերմամատակարարման օբյեկտին: Սա բացառում է դրանց արդյունավետ օգտագործման մեծ մասշտաբների հնարավորությունը։

Հաճախ մասշտաբների դեմ պայքարի հարցերը վերածվում են բարդ խնդրի։ Երկրաջերմային, որպես կանոն, հանքայնացված աղբյուրների օգտագործումը որպես ջերմային կրիչ հանգեցնում է հորատանցքերի գերաճի` երկաթի օքսիդով, կալցիումի կարբոնատով և սիլիկատային գոյացություններով: Բացի այդ, էրոզիոն-կոռոզիայի և մասշտաբի խնդիրները բացասաբար են անդրադառնում սարքավորումների աշխատանքի վրա: Խնդիրը նաև հանքայնացված և թունավոր կեղտաջրեր պարունակող կեղտաջրերի արտանետումն է: Ուստի ամենապարզ շատրվանային տեխնոլոգիան չի կարող հիմք ծառայել երկրաջերմային ռեսուրսների համատարած զարգացման համար։

Տարածքում նախնական հաշվարկներով Ռուսաստանի Դաշնություն 40-250 °C ջերմաստիճանով, 35-200 գ/լ աղիությամբ և մինչև 3000 մ խորությամբ ջերմային ջրերի կանխատեսվող պաշարները կազմում են 21-22 մլն մ3/օր, ինչը համարժեք է այրման 30-40 մլն. տոննա համարժեք վառելիք: տարում։

Կամչատկա թերակղզում և Կուրիլյան կղզիներում 150-250 °C ջերմաստիճանով գոլորշու-օդ խառնուրդի կանխատեսված պաշարները կազմում են 500 հազար մ3/օր։ և ջերմային ջրերի պաշարները 40-100 ° C ջերմաստիճանով - 150 հազար մ3 / օր:

Զարգացման համար առաջնահերթ են համարվում մոտ 8 մլն մ3/օր թողունակությամբ ջերմային ջրերի պաշարները, մինչև 10 գ/լ աղիությամբ և 50 °C-ից բարձր ջերմաստիճանով:

Ապագայի էներգիայի համար շատ ավելի մեծ նշանակություն ունի ջերմային էներգիայի, գործնականում անսպառ նավթաերկրաջերմային ռեսուրսների արդյունահանումը։ Այս երկրաջերմային էներգիան, որը պարփակված է պինդ տաք ապարների մեջ, կազմում է ստորգետնյա ջերմային էներգիայի ընդհանուր պաշարների 99%-ը։ Մինչև 4-6 կմ խորության վրա 300-400 °C ջերմաստիճան ունեցող զանգվածներ կարելի է գտնել միայն որոշ հրաբուխների միջանկյալ խցիկների մոտ, սակայն 100-150 °C ջերմաստիճան ունեցող տաք ժայռերը տարածված են գրեթե ամենուր: այս խորություններում և 180-200 °C ջերմաստիճանով Ռուսաստանի բավականին զգալի հատվածում։

Միլիարդավոր տարիներ Երկրի ներսում միջուկային, գրավիտացիոն և այլ գործընթացները առաջացրել և շարունակում են արտադրել ջերմային էներգիա: Դրա մի մասը ճառագայթվում է արտաքին տարածություն, իսկ ջերմությունը կուտակվում է խորքերում, այսինքն. Երկրային նյութի պինդ, հեղուկ և գազային փուլերի ջերմային պարունակությունը կոչվում է երկրաջերմային էներգիա:

Ներերկրային ջերմության շարունակական առաջացումը փոխհատուցում է դրա արտաքին կորուստները, ծառայում է որպես երկրաջերմային էներգիայի կուտակման աղբյուր և որոշում նրա ռեսուրսների վերականգնվող մասը։ Ընդերքի ընդհանուր ջերմային հեռացումը դեպի երկրի մակերեսըեռապատիկ աշխարհում էլեկտրակայանների ներկայիս հզորությունը և գնահատվում է 30 TW:

Այնուամենայնիվ, պարզ է, որ վերականգնվող հնարավորությունները միայն սահմանափակ են բնական ռեսուրսներ, իսկ երկրաջերմային էներգիայի ընդհանուր ներուժը գործնականում անսպառ է, քանի որ այն պետք է սահմանվի որպես Երկրին հասանելի ջերմության ընդհանուր քանակություն։

Պատահական չէ, որ վերջին տասնամյակների ընթացքում աշխարհը դիտարկում է Երկրի խորը ջերմության էներգիայի առավել արդյունավետ օգտագործման ուղղությունը՝ բնական գազը, նավթը և ածուխը մասամբ փոխարինելու նպատակով։ Դա հնարավոր կդառնա ոչ միայն բարձր երկրաջերմային պարամետրերով տարածքներում, այլև երկրագնդի ցանկացած տարածքում՝ ներարկման և արտադրական հորեր հորատելիս և դրանց միջև շրջանառության համակարգեր ստեղծելիս։

Անշուշտ, ապարների ցածր ջերմահաղորդականությամբ, շրջանառության համակարգերի արդյունավետ աշխատանքի համար անհրաժեշտ է ունենալ կամ ստեղծել բավականաչափ զարգացած ջերմափոխանակման մակերես ջերմահեռացման գոտում։ Նման մակերեսը հաճախ հանդիպում է ծակոտկեն գոյացություններում և բնական կոտրվածքի դիմադրության գոտիներում, որոնք հաճախ հանդիպում են վերը նշված խորություններում, որոնց թափանցելիությունը հնարավորություն է տալիս կազմակերպել հովացուցիչ նյութի հարկադիր զտումը ապարների էներգիայի արդյունավետ արդյունահանմամբ, ինչպես նաև Հիդրավլիկ ճեղքման միջոցով ցածր թափանցելի ծակոտկեն զանգվածներում ջերմափոխանակման ընդարձակ մակերեսի արհեստական ​​ստեղծում (տես նկարը):

Ներկայումս հիդրավլիկ ճեղքվածքն օգտագործվում է նավթի և գազի արդյունաբերության մեջ՝ որպես ջրամբարների թափանցելիության բարձրացման միջոց՝ նավթի հանքավայրերի զարգացման մեջ նավթի արդյունահանումը ուժեղացնելու համար: Ժամանակակից տեխնոլոգիաթույլ է տալիս ստեղծել նեղ, բայց երկար ճեղք, կամ կարճ, բայց լայն: Հայտնի են մինչև 2-3 կմ երկարությամբ կոտրվածքներով հիդրավլիկ կոտրվածքների օրինակներ։

Ներառված հիմնական երկրաջերմային ռեսուրսների արդյունահանման ներքին գաղափարը կոշտ ռոք, արտահայտվել է դեռ 1914 թվականին Կ.Ե.Ցիոլկովսկու կողմից, իսկ 1920 թվականին երկրաջերմային շրջանառության համակարգը (GCC) տաք գրանիտե զանգվածում նկարագրել է Վ.Ա. Օբրուչեւը։

1963-ին Փարիզում ստեղծվեց առաջին GCC-ը, որը ջերմություն էր հանում ծակոտկեն ձևավորման ապարներից՝ «Հեռարձակման քաոս» համալիրի տարածքներում ջեռուցման և օդորակման համար: 1985 թվականին Ֆրանսիայում արդեն գործում էր 64 GCC՝ 450 ՄՎտ ընդհանուր ջերմային հզորությամբ՝ տարեկան մոտավորապես 150,000 տոննա նավթի խնայողությամբ։ Նույն թվականին ԽՍՀՄ-ում Գրոզնի քաղաքի մոտակայքում գտնվող Խանկալայի հովտում ստեղծվեց առաջին նման GCC-ը։

1977 թվականին ԱՄՆ Լոս Ալամոսի ազգային լաբորատորիայի նախագծով Նյու Մեքսիկո նահանգի Ֆենթոն Հիլլում սկսվեցին փորձնական GCC-ի փորձարկումները գրեթե անթափանց զանգվածի հիդրավլիկ կոտրվածքով: Ներարկվում է ջրհորի միջով (ներարկման) սառը քաղցրահամ ջուրջեռուցվել է ժայռային զանգվածի հետ ջերմափոխանակության շնորհիվ (185 °C) 8000 մ2 մակերեսով ուղղահայաց ճեղքում, որը ձևավորվել է 2,7 կմ խորության վրա հիդրավլիկ ճեղքվածքով։ Մեկ այլ հորատանցքում (արտադրություն), նույնպես անցնելով այս ճեղքը, գերտաքացած ջուրը ջրի երես դուրս եկավ գոլորշու շիթի տեսքով։ Փակ շղթայում ճնշման տակ շրջանառելիս մակերեսի վրա գերտաքացած ջրի ջերմաստիճանը հասնում էր 160-180 °C, իսկ համակարգի ջերմային հզորությունը՝ 4-5 ՄՎտ։ Սառեցնող նյութի արտահոսքը շրջակա զանգվածում կազմել է ընդհանուր հոսքի մոտ 1%-ը: Մեխանիկական և քիմիական կեղտերի կոնցենտրացիան (մինչև 0,2 գ/լ) համապատասխանում էր քաղցրահամ ջրի պայմաններին. խմելու ջուր. Հիդրավլիկ կոտրվածքը չի պահանջում ամրացում և բաց էր պահվում հեղուկի հիդրոստատիկ ճնշման պատճառով: Նրանում զարգացող ազատ կոնվեկցիան ապահովեց արդյունավետ մասնակցություն տաք ժայռային զանգվածի ելքի գրեթե ողջ մակերեսի ջերմափոխանակությանը։

Ստորգետնյա ջերմային էներգիայի արդյունահանումը տաք անթափանց ապարներից՝ հիմնված թեք հորատման և հիդրավլիկ ճեղքման մեթոդների վրա, որոնք երկար ժամանակ յուրացվել և կիրառվել են նավթի և գազի արդյունաբերության մեջ, չի առաջացրել սեյսմիկ ակտիվություն կամ որևէ այլ վնասակար ազդեցություն: միջավայրը։

1983 թվականին բրիտանացի գիտնականները կրկնեցին ամերիկյան փորձը՝ ստեղծելով փորձնական GCC՝ Քարնվելում գրանիտների հիդրավլիկ կոտրվածքով: Նմանատիպ աշխատանքներ իրականացվել են Գերմանիայում, Շվեդիայում։ ԱՄՆ-ում իրականացվել է երկրաջերմային ջեռուցման ավելի քան 224 ծրագիր։ Այնուամենայնիվ, ենթադրվում է, որ երկրաջերմային ռեսուրսները կարող են ապահովել ԱՄՆ-ի ապագա ոչ էլեկտրական ջերմային էներգիայի կարիքների հիմնական մասը: Ճապոնիայում GeoTPP-ի հզորությունը 2000 թվականին հասել է մոտավորապես 50 ԳՎտ-ի:

Ներկայումս երկրաջերմային ռեսուրսների հետախուզում և հետազոտություն է իրականացվում 65 երկրներում։ Աշխարհում երկրաջերմային էներգիայի հիման վրա ստեղծվել են մոտ 10 ԳՎտ ընդհանուր հզորությամբ կայաններ։ Միավորված ազգերի կազմակերպությունն ակտիվորեն աջակցում է երկրաջերմային էներգիայի զարգացմանը։

Աշխարհի շատ երկրներում կուտակված փորձը երկրաջերմային հովացուցիչ նյութերի օգտագործման վերաբերյալ ցույց է տալիս, որ բարենպաստ պայմաններում դրանք 2-5 անգամ ավելի շահութաբեր են, քան ջերմային և ատոմակայանները։ Հաշվարկները ցույց են տալիս, որ մեկ երկրաջերմային հորատանցքը կարող է փոխարինել տարեկան 158 հազար տոննա ածուխ։

Այսպիսով, Երկրի ջերմությունը, թերեւս, միակ հիմնական վերականգնվող էներգիայի ռեսուրսն է, որի ռացիոնալ զարգացումը խոստանում է նվազեցնել էներգիայի արժեքը՝ համեմատած ժամանակակից վառելիքի էներգիայի հետ: Նույնքան անսպառ էներգետիկ ներուժով արևային և ջերմամիջուկային կայանքները, ցավոք, ավելի թանկ կլինեն, քան գոյություն ունեցող վառելիքայինները։

Չնայած Երկրի ջերմության զարգացման շատ երկար պատմությանը, այսօր երկրաջերմային տեխնոլոգիան դեռ չի հասել իր բարձր զարգացմանը։ Երկրի ջերմային էներգիայի զարգացումը մեծ դժվարություններ է ունենում խորքային հորերի կառուցման գործում, որոնք հովացուցիչ նյութը մակերես դուրս բերելու ալիք են։ Հորատանցքում բարձր ջերմաստիճանի պատճառով (200-250 °C) ավանդական ժայռափոր գործիքները պիտանի չեն նման պայմաններում աշխատելու համար, կան հատուկ պահանջներ հորատման և պատյանների խողովակների, ցեմենտի ցեխերի, հորատման տեխնոլոգիայի, պատյանների և ավարտման համար: հորերի. Կենցաղային չափիչ սարքավորումները, սերիական գործառնական կցամասերը և սարքավորումները արտադրվում են այնպիսի դիզայնով, որը թույլ է տալիս 150-200 ° C-ից ոչ բարձր ջերմաստիճան: Հորերի ավանդական խորը մեխանիկական հորատումը երբեմն հետաձգվում է տարիներով և պահանջում է զգալի ֆինանսական ծախսեր: Հիմնական արտադրական ակտիվներում հորերի արժեքը կազմում է 70-ից 90%: Այս խնդիրը կարող է և պետք է լուծվի միայն երկրաջերմային ռեսուրսների հիմնական մասի զարգացման համար առաջադեմ տեխնոլոգիա ստեղծելով, այսինքն. էներգիայի արդյունահանում տաք ժայռերից.

Ռուս գիտնականների և մասնագետների մեր խումբը մեկ տարուց ավելի է, ինչ զբաղվում է Ռուսաստանի Դաշնության տարածքում Երկրի տաք ապարների անսպառ, վերականգնվող խոր ջերմային էներգիայի արդյունահանման և օգտագործման խնդրով։ Աշխատանքի նպատակն է կենցաղային, բարձր տեխնոլոգիաների հիման վրա ստեղծել երկրակեղևի ընդերքի խորը ներթափանցման տեխնիկական միջոցներ։ Ներկայումս մշակվել են հորատման գործիքների (BS) մի քանի տարբերակներ, որոնք նմանը չունեն համաշխարհային պրակտիկայում։

BS-ի առաջին տարբերակի շահագործումը կապված է հորատանցքերի հորատման ներկայիս սովորական տեխնոլոգիայի հետ: Կոշտ քարերի հորատման արագությունը (միջին խտությունը 2500-3300 կգ/մ3) մինչև 30 մ/ժ, անցքի տրամագիծը՝ 200-500 մմ։ BS-ի երկրորդ տարբերակը կատարում է հորերի հորատում ինքնավար և ավտոմատ ռեժիմով: Գործարկումն իրականացվում է հատուկ արձակման և ընդունման հարթակից, որտեղից վերահսկվում է դրա շարժը։ Հազար մետր BS կոշտ ժայռերի մեջ կկարողանա անցնել մի քանի ժամվա ընթացքում։ Հորատի տրամագիծը 500-ից 1000 մմ: Կրկնակի օգտագործման BS տարբերակներն ունեն մեծ ծախսարդյունավետություն և հսկայական պոտենցիալ արժեք: BS-ի ներմուծումը արտադրության մեջ նոր փուլ կբացի հորերի կառուցման մեջ և կապահովի մուտք դեպի Երկրի ջերմային էներգիայի անսպառ աղբյուրներ:

Ջերմամատակարարման կարիքների համար ամբողջ երկրում հորատանցքերի անհրաժեշտ խորությունը գտնվում է մինչև 3-4,5 հազար մետրի սահմաններում և չի գերազանցում 5-6 հազար մետրը: Բնակարանային և կոմունալ ջերմամատակարարման համար ջերմափոխադրողի ջերմաստիճանը չի գերազանցում 150 °C-ը: Արդյունաբերական օբյեկտների համար ջերմաստիճանը, որպես կանոն, չի գերազանցում 180-200 °C:

GCC-ի ստեղծման նպատակն է մշտական, մատչելի, էժան ջերմություն ապահովել Ռուսաստանի Դաշնության հեռավոր, դժվարամատչելի և չզարգացած շրջաններին: GCS-ի շահագործման տևողությունը 25-30 տարի և ավելի է: Կայանների մարման ժամկետը (հաշվի առնելով նորագույն տեխնոլոգիաներհորատում) - 3-4 տարի:

Ռուսաստանի Դաշնությունում առաջիկա տարիներին ոչ էլեկտրական կարիքների համար երկրաջերմային էներգիայի օգտագործման համապատասխան հզորությունների ստեղծումը հնարավորություն կտա փոխարինել մոտ 600 մլն տոննա վառելիքի համարժեքը։ Խնայողությունները կարող են լինել մինչև 2 տրիլիոն ռուբլի:

Մինչև 2030 թվականը հնարավոր է դառնում ստեղծել էներգետիկ հզորություններ՝ հրդեհային էներգիան մինչև 30%-ով փոխարինելու համար, իսկ մինչև 2040 թվականը գրեթե ամբողջությամբ վերացնել օրգանական հումքը՝ որպես վառելիք Ռուսաստանի Դաշնության էներգետիկ հաշվեկշռից։

գրականություն

1. Գոնչարով Ս.Ա. Թերմոդինամիկա. Մոսկվա: MGTUim. Ն.Է. Bauman, 2002. 440 p.

2. Դյադկին Յու.Դ. և այլն Երկրաջերմային ֆիզիկա. Սանկտ Պետերբուրգ: Nauka, 1993. 255 p.

3. Ռուսաստանի վառելիքաէներգետիկ համալիրի հանքային պաշարների բազա. Կարգավիճակը և կանխատեսումը / V.K. Branchhugov, E.A. Գավրիլովը, Վ.Ս. Լիտվինենկոն և ուրիշներ Էդ. Վ.Զ. Գարիպովա, Է.Ա. Կոզլովսկին. M. 2004. 548 էջ.

4. Novikov G. P. et al. Ջերմային ջրերի հորատում: M.: Nedra, 1986. 229 p.

2. Երկրի ջերմային ռեժիմը

Երկիրը սառը տիեզերական մարմին է։ Մակերեւույթի ջերմաստիճանը հիմնականում կախված է դրսից մատակարարվող ջերմությունից։ Երկրի վերին շերտի ջերմության 95%-ը կազմում է արտաքին (արևային) ջերմություն և միայն 5% ջերմություն ներքին , որը գալիս է Երկրի աղիքներից և ներառում է էներգիայի մի քանի աղբյուրներ։ Երկրի աղիքներում ջերմաստիճանը խորության հետ բարձրանում է 1300 o C-ից (վերին թիկնոցում) մինչև 3700 o C (միջուկի կենտրոնում):

արտաքին ջերմություն. Ջերմությունը Երկրի մակերես է գալիս հիմնականում Արեգակից։ Մակերեւույթի յուրաքանչյուր քառակուսի սանտիմետրը մեկ րոպեի ընթացքում ստանում է մոտ 2 կալորիա ջերմություն։ Այս արժեքը կոչվում է արեգակնային հաստատուն և որոշում է Արեգակից Երկիր եկող ջերմության ընդհանուր քանակը: Մեկ տարվա համար այն կազմում է 2,26 10 21 կալորիա: Արեգակնային ջերմության ներթափանցման խորությունը Երկրի աղիքներ հիմնականում կախված է ջերմության քանակից, որն ընկնում է մակերեսի միավորի վրա և ապարների ջերմահաղորդականությունից: Առավելագույն խորությունը, որով թափանցում է արտաքին ջերմությունը, օվկիանոսներում 200 մ է, իսկ ցամաքում՝ մոտ 40 մ:

ներքին ջերմություն. Խորության հետ նկատվում է ջերմաստիճանի բարձրացում, որը տեղի է ունենում շատ անհավասարաչափ տարբեր տարածքներում։ Ջերմաստիճանի բարձրացումը հետևում է ադիաբատիկ օրենքին և կախված է ճնշման տակ նյութի սեղմումից, երբ շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակումն անհնար է:

Երկրի ներսում ջերմության հիմնական աղբյուրները.

Տարրերի ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ արտազատվող ջերմություն։

Երկրի գոյացումից մնացած մնացորդային ջերմություն։

Երկրի սեղմման և նյութի խտությամբ բաշխման ժամանակ արտանետվող գրավիտացիոն ջերմությունը։

Ջերմություն, որն առաջանում է երկրակեղևի խորքերում տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիաների արդյունքում:

Երկրի մակընթացային շփման արդյունքում արտանետվող ջերմություն:

Կան 3 ջերմաստիճանային գոտիներ.

Ես- փոփոխական ջերմաստիճանի գոտի . Ջերմաստիճանի փոփոխությունը որոշվում է տարածքի կլիմայական պայմաններով։ Ամենօրյա տատանումները գործնականում մահանում են մոտ 1,5 մ խորության վրա, իսկ տարեկան տատանումները 20 ... 30 մ խորության վրա: Ia - սառեցման գոտի.

II - մշտական ​​ջերմաստիճանի գոտի գտնվում է 15…40 մ խորության վրա՝ կախված տարածաշրջանից:

III - տաք գոտի .

Երկրակեղևի աղիքներում ապարների ջերմաստիճանային ռեժիմը սովորաբար արտահայտվում է երկրաջերմային գրադիենտով և երկրաջերմային աստիճանով։

Ջերմաստիճանի բարձրացման քանակությունը յուրաքանչյուր 100 մ խորության համար կոչվում է երկրաջերմային գրադիենտ. Աֆրիկայում՝ Վիտվաթերսրանդ դաշտում, 1,5 °С, Ճապոնիայում (Էչիգո)՝ 2,9 °С, Հարավային Ավստրալիայում՝ 10,9 °С, Ղազախստանում (Սամարինդա)՝ 6,3 °С, Կոլա թերակղզում 0,65 °С։ .

Բրինձ. 3. Ջերմաստիճանային գոտիներ երկրակեղևում. I - փոփոխական ջերմաստիճանների գոտի, Ia - սառցակալման գոտի; II - մշտական ​​ջերմաստիճանների գոտի; III - ջերմաստիճանի բարձրացման գոտի.

Այն խորությունը, որում ջերմաստիճանը բարձրանում է 1 աստիճանով, կոչվում է երկրաջերմային քայլ.Երկրաջերմային քայլի թվային արժեքները հաստատուն չեն ոչ միայն տարբեր լայնություններում, այլև տարածաշրջանի նույն կետի տարբեր խորություններում: Երկրաջերմային քայլի արժեքը տատանվում է 1,5-ից 250 մ, Արխանգելսկում այն ​​10 մ է, Մոսկվայում՝ 38,4 մ, Պյատիգորսկում՝ 1,5 մ, տեսականորեն այս քայլի միջին արժեքը 33 մ է։

Մոսկվայում 1630 մ խորության վրա հորատված ջրհորում հատակի ջերմաստիճանը եղել է 41 °C, իսկ Դոնբասում 1545 մ խորության վրա հորատված հանքում՝ 56,3 °C։ Ամենաբարձր ջերմաստիճանը գրանցվել է ԱՄՆ-ում՝ 7136 մ խորությամբ ջրհորում, որտեղ այն հավասար է 224 °C։ Խորքային կառույցները նախագծելիս պետք է հաշվի առնել ջերմաստիճանի բարձրացումը խորության հետ, ըստ հաշվարկների 400 կմ խորության վրա ջերմաստիճանը պետք է հասնի 1400...1700 °C։ Ամենաբարձր ջերմաստիճանը (մոտ 5000 °C) ստացվել է Երկրի միջուկի համար։