Il calore della terra. Energia geotermica

Da molto tempo le persone conoscono le manifestazioni spontanee di gigantesche energie in agguato nelle profondità il globo... La memoria dell'umanità conserva leggende su catastrofiche eruzioni vulcaniche che hanno causato milioni di vittime umane, cambiando in modo irriconoscibile l'aspetto di molti luoghi sulla Terra. La potenza dell'eruzione anche di un vulcano relativamente piccolo è colossale, è molte volte superiore alla potenza delle più grandi centrali elettriche create dalle mani dell'uomo. È vero, non è necessario parlare dell'uso diretto dell'energia delle eruzioni vulcaniche: finora le persone non hanno l'opportunità di frenare questo elemento ribelle e, fortunatamente, le eruzioni sono eventi piuttosto rari. Ma queste sono manifestazioni di energia in agguato nelle viscere della terra, quando solo una piccolissima frazione di questa inesauribile energia trova sfogo attraverso le bocche sputafuoco dei vulcani.

Piccolo Stato europeo L'Islanda (tradotta letteralmente "terra di ghiaccio") è completamente autosufficiente in pomodori, mele e persino banane! Numerose serre islandesi traggono la loro energia da calore della terra Non ci sono praticamente altre fonti energetiche locali in Islanda. Ma questo paese è molto ricco sorgenti termali e famosi geyser - fontane di acqua calda, con la precisione di un cronometro che spunta dal terreno. E sebbene i non islandesi abbiano la priorità nell'utilizzare il calore delle fonti sotterranee (anche gli antichi romani portavano l'acqua dal sottosuolo alle famose terme - le terme di Caracalla), gli abitanti di questo piccolo paese del nord far funzionare una caldaia sotterranea molto intensamente... La capitale Reykjavik, che ospita metà della popolazione del paese, è riscaldata solo da fonti sotterranee. Reykjavik è un punto di partenza ideale per esplorare l'Islanda: da qui puoi partire per le escursioni più interessanti e varie in ogni angolo di questo paese unico: geyser, vulcani, cascate, montagne di riolite, fiordi ... Ovunque a Reykjavik vivrai PULITO ENERGIA - l'energia termica dei geyser, che batte dal terreno, l'energia della pulizia e dello spazio di una città idealmente verde, l'energia di una città allegra e incendiaria vita notturna Reykjavik tutto l'anno.

Ma non solo per riscaldare le persone attingono energia dalle profondità della terra. Le centrali elettriche che utilizzano sorgenti termali sotterranee sono in funzione da molto tempo. La prima centrale di questo genere, ancora molto piccola, fu costruita nel 1904 nel piccolo comune italiano di Larderello, dal nome dell'ingegnere francese Larderelli, che nel 1827 elaborò un progetto per utilizzare le numerose sorgenti termali della zona. A poco a poco, la capacità della centrale è cresciuta, sono state messe in funzione sempre più unità, sono state utilizzate nuove fonti di acqua calda e oggi la potenza della centrale ha già raggiunto un valore impressionante: 360 mila kilowatt. In Nuova Zelanda, c'è una tale centrale elettrica nella regione di Wairakei, con una capacità di 160 mila kilowatt. A 120 km da San Francisco negli Stati Uniti, una centrale geotermica con una capacità di 500mila kilowatt produce elettricità.

Energia geotermica

Da molto tempo le persone conoscono le manifestazioni spontanee di gigantesche energie in agguato nelle viscere del globo. La memoria dell'umanità conserva leggende su catastrofiche eruzioni vulcaniche che hanno causato milioni di vittime umane, cambiando in modo irriconoscibile l'aspetto di molti luoghi sulla Terra. La potenza dell'eruzione anche di un vulcano relativamente piccolo è colossale, è molte volte superiore alla potenza delle più grandi centrali elettriche create dalle mani dell'uomo. È vero, non è necessario parlare dell'uso diretto dell'energia delle eruzioni vulcaniche: finora le persone non hanno l'opportunità di frenare questo elemento ribelle e, fortunatamente, le eruzioni sono eventi piuttosto rari. Ma queste sono manifestazioni di energia in agguato nelle viscere della terra, quando solo una piccolissima frazione di questa inesauribile energia trova sfogo attraverso le bocche sputafuoco dei vulcani.

Geyser è primavera calda che sputa la sua acqua ad altezza regolare o irregolare, come una fontana. Il nome deriva dalla parola islandese "pours". L'aspetto dei geyser richiede un certo ambiente favorevole, che si crea solo in pochi luoghi della terra, che determina la loro presenza piuttosto rara. Quasi il 50% dei geyser si trova in Parco Nazionale Yellowstone (Stati Uniti). L'attività del geyser può interrompersi a causa di cambiamenti nelle viscere, terremoti e altri fattori. L'azione del geyser è provocata dal contatto dell'acqua con il magma, dopodiché l'acqua si riscalda rapidamente e, sotto l'azione dell'energia geotermica, viene violentemente scagliata verso l'alto. Dopo l'eruzione, l'acqua nel geyser si raffredda gradualmente, ritorna nel magma e sgorga di nuovo. La frequenza delle eruzioni di vari geyser varia da alcuni minuti a diverse ore. La necessità di una grande energia per il funzionamento di un geyser - motivo principale la loro rarità. Le aree vulcaniche possono avere sorgenti termali, vulcani di fango, fumarole, ma ci sono pochissimi posti con geyser. Il fatto è che anche se un geyser si fosse formato nel luogo di attività di un vulcano, le successive eruzioni distruggeranno la superficie della terra e cambieranno il suo stato, il che porterà alla scomparsa del geyser.

L'energia della terra (energia geotermica) si basa sull'utilizzo del calore naturale della terra. Le viscere della Terra sono cariche di una fonte di energia colossale, praticamente inesauribile. La radiazione annuale di calore interno sul nostro pianeta è di 2,8 * 1014 miliardi di kWh. È costantemente compensato dal decadimento radioattivo di alcuni isotopi nella crosta terrestre.

Le fonti di energia geotermica possono essere di due tipi. Il primo tipo sono le piscine sotterranee di portatori di calore naturali: acqua calda (sorgenti idrotermali) o vapore (sorgenti termali di vapore) o una miscela di acqua e vapore. Si tratta, in sostanza, di "caldaie sotterranee" direttamente pronte all'uso, da cui è possibile produrre acqua o vapore mediante fori convenzionali. Il secondo tipo è il calore delle rocce calde. Pompando acqua in tali orizzonti, puoi anche ottenere vapore o acqua surriscaldata da utilizzare ulteriormente per scopi energetici.

Ma in entrambi i casi d'uso, lo svantaggio principale è forse la bassissima concentrazione di energia geotermica. Tuttavia, nei luoghi in cui si formano anomalie geotermiche peculiari, dove sorgenti termali o rocce si avvicinano relativamente alla superficie e dove, immersi in profondità, la temperatura sale di 30-40 °C ogni 100 m, la concentrazione di energia geotermica può creare le condizioni per il suo uso economico. A seconda della temperatura dell'acqua, del vapore o della miscela vapore-acqua, le sorgenti geotermiche si suddividono in bassa e media temperatura (con temperature fino a 130 - 150 ° C) e alta temperatura (oltre 150 °). La natura del loro utilizzo dipende in gran parte dalla temperatura.

Si può sostenere che l'energia geotermica ha quattro caratteristiche benefiche.

Innanzitutto, le sue riserve sono praticamente inesauribili. Secondo le stime della fine degli anni '70, a una profondità di 10 km, ammontano a 3,5 mila volte superiori alle riserve dei tipi tradizionali di combustibile minerale.

In secondo luogo, l'energia geotermica è piuttosto diffusa. La sua concentrazione è associata principalmente alle fasce di attività sismica e vulcanica attiva, che occupano 1/10 della superficie terrestre. All'interno di queste cinture si possono identificare alcune delle "regioni geotermiche" più promettenti, come la California negli Stati Uniti, la Nuova Zelanda, il Giappone, l'Islanda, la Kamchatka e il Caucaso settentrionale in Russia. Nella sola ex URSS, all'inizio degli anni '90, furono aperti circa 50 bacini sotterranei di acqua calda e vapore.

In terzo luogo, l'uso dell'energia geotermica non richiede costi elevati, perché in questo caso si tratta di fonti energetiche già “pronte all'uso” create dalla natura stessa.

Infine, in quarto luogo, l'energia geotermica è ecologicamente completamente innocua e non inquina l'ambiente.

L'uomo utilizza da tempo l'energia del calore interno della Terra (ricordate, almeno, le famose Terme Romane), ma il suo uso commerciale iniziò solo negli anni '20 con la costruzione delle prime centrali geoelettriche in Italia, e poi in altri paesi . All'inizio degli anni '80, nel mondo erano in funzione circa 20 di queste stazioni con una capacità totale di 1,5 milioni di kW. Il più grande di questi è la stazione Geyser negli Stati Uniti (500 mila kW).

L'energia geotermica viene utilizzata per generare elettricità, riscaldare case, serre, ecc. Come vettore di calore viene utilizzato vapore secco, acqua surriscaldata o qualsiasi refrigerante a basso punto di ebollizione (ammoniaca, freon, ecc.).

Il termine "energia geotermica" deriva dalla parola greca per terra (geo) e termica (termica). Infatti, l'energia geotermica proviene dalla terra stessa... Il calore del nucleo terrestre, che ha una media di 3.600 gradi Celsius, si irradia verso la superficie del pianeta.

Il riscaldamento di sorgenti e geyser sotterranei a una profondità di diversi chilometri può essere effettuato mediante appositi pozzi attraverso i quali acqua calda(o vapore da esso) in superficie, dove può essere utilizzato direttamente come calore o indirettamente per generare elettricità azionando turbine rotanti.

Poiché l'acqua al di sotto della superficie terrestre è costantemente ricostituita e il nucleo terrestre continuerà a generare calore in relazione alla vita umana indefinitamente, l'energia geotermica finirà per pulito e rinnovabile.

Metodi di raccolta delle risorse energetiche della Terra

Oggi esistono tre metodi principali per raccogliere l'energia geotermica: vapore secco, acqua calda e ciclo binario. Il processo a vapore secco fa ruotare direttamente gli azionamenti delle turbine dei generatori di corrente. L'acqua calda entra dal basso verso l'alto, quindi viene spruzzata nel serbatoio per creare vapore per azionare le turbine. Questi due metodi sono i più comuni e generano centinaia di megawatt di elettricità negli Stati Uniti, in Islanda, in Europa, in Russia e in altri paesi. Ma la posizione è limitata, poiché queste fabbriche operano solo nelle regioni tettoniche dove è più facile accedere all'acqua riscaldata.

Con la tecnologia del ciclo binario, l'acqua calda (non necessariamente calda) viene estratta in superficie e combinata con butano o pentano, che ha un basso punto di ebollizione. Questo liquido viene pompato attraverso uno scambiatore di calore dove viene vaporizzato e inviato attraverso una turbina prima di essere ricircolato nel sistema. La tecnologia del ciclo binario fornisce decine di megawatt di elettricità negli Stati Uniti: California, Nevada e Isole Hawaii.

Il principio di ottenere energia

Svantaggi di ottenere energia geotermica

A livello di utilità, le centrali geotermiche sono costose da costruire e da far funzionare. Trovare una posizione adatta richiede un costoso sondaggio del pozzo senza la garanzia di entrare in una metropolitana produttiva punto di accesso... Tuttavia, gli analisti prevedono che questa capacità raddoppierà quasi nei prossimi sei anni.

Inoltre, le aree con un'alta temperatura della sorgente sotterranea si trovano in aree con vulcani geologici attivi. Questi "punti caldi" si sono formati ai confini delle placche tettoniche in luoghi in cui la crosta è piuttosto sottile. La regione del Pacifico viene spesso definita l'anello di fuoco di molti vulcani con molti punti caldi, tra cui Alaska, California e Oregon. Il Nevada ha centinaia di hotspot che coprono la maggior parte degli Stati Uniti settentrionali.

Ci sono anche altre regioni sismicamente attive. I terremoti e il movimento del magma consentono la circolazione dell'acqua. In alcuni luoghi, l'acqua sale in superficie e si verificano sorgenti termali naturali e geyser, come in Kamchatka. L'acqua nei geyser della Kamchatka raggiunge i 95 ° C.

Uno dei problemi con i sistemi a geyser aperti è il rilascio di alcuni inquinanti atmosferici. L'idrogeno solforato è un gas tossico con un odore di "uovo marcio" molto riconoscibile: una piccola quantità di arsenico e minerali rilasciati con il vapore. Il sale può anche rappresentare un problema ambientale.

Nelle centrali geotermiche offshore, nei tubi si accumula una quantità significativa di sale interferente. Negli impianti chiusi non ci sono emissioni e tutto il liquido portato in superficie viene restituito.

Il potenziale economico della risorsa energetica

I punti caldi non sono gli unici luoghi in cui si può trovare l'energia geotermica. C'è una fornitura costante di calore utilizzabile per scopi di riscaldamento diretto ovunque da 4 metri a diversi chilometri sotto la superficie di praticamente ovunque sulla terra. Anche il terreno nel proprio cortile o nella scuola locale ha il potenziale economico sotto forma di calore per essere pompato in casa o in altri edifici.

Inoltre, c'è un'enorme quantità di energia termica nelle formazioni rocciose secche molto profonde sotto la superficie (4-10 km).

L'uso della nuova tecnologia potrebbe espandere i sistemi geotermici, in cui gli esseri umani possono utilizzare questo calore per generare elettricità su una scala molto più ampia rispetto alle tecnologie convenzionali. I primi progetti dimostrativi di questo principio di generazione di elettricità sono stati presentati negli Stati Uniti e in Australia nel 2013.

Se sarà possibile realizzare il pieno potenziale economico delle risorse geotermiche, questo rappresenterà un'enorme fonte di elettricità per gli impianti di produzione. Gli scienziati suggeriscono che le fonti geotermiche convenzionali hanno un potenziale di 38.000 MW, che possono generare 380 milioni di MW di elettricità all'anno.

Le rocce calde e secche si trovano a profondità da 5 a 8 km ovunque nel sottosuolo ea profondità inferiori in alcuni punti. L'accesso a queste risorse comporta l'immissione di acqua fredda circolante attraverso le rocce calde e la rimozione di acqua riscaldata. Attualmente non esiste un'applicazione commerciale per questa tecnologia. Le tecnologie esistenti non consentono ancora di ripristinare energia termica direttamente dal magma, molto profondo, ma è la più potente risorsa di energia geotermica.

Con la combinazione di risorse energetiche e la sua consistenza, l'energia geotermica può svolgere un ruolo insostituibile come sistema energetico più pulito e sostenibile.

Strutture di centrali geotermiche

Energia geotermicaÈ calore puro e stabile dalla Terra. Grandi risorse si trovano nel raggio di diversi chilometri sotto la superficie della terra, e ancora più in profondità, fino all'alta temperatura della roccia fusa chiamata magma. Ma come descritto sopra, le persone non hanno ancora raggiunto il magma.

Tre progetti di centrali geotermiche

La tecnologia applicativa è determinata dalla risorsa. Se l'acqua proviene dal pozzo come vapore, può essere utilizzata direttamente. Se l'acqua calda è sufficientemente calda, deve passare attraverso uno scambiatore di calore.

Il primo pozzo per la produzione di energia fu perforato prima del 1924. Pozzi più profondi sono stati perforati negli anni '50, ma il vero sviluppo avviene negli anni '70 e '80.

Utilizzo diretto del calore geotermico

Le fonti geotermiche possono essere utilizzate anche direttamente per il riscaldamento. L'acqua calda viene utilizzata per riscaldare gli edifici, coltivare piante nelle serre, essiccare pesci e colture, migliorare il recupero del petrolio, aiutare i processi industriali come pastorizzatori del latte e riscaldare l'acqua negli allevamenti ittici. Negli Stati Uniti, Klamath Falls, Oregon e Boise, Idaho, l'acqua geotermica è stata utilizzata per riscaldare case ed edifici per oltre un secolo. Sulla costa orientale, la città di Warm Springs, in Virginia, riceve il calore direttamente dall'acqua di sorgente, utilizzando fonti di calore presso uno dei resort locali.

In Islanda, quasi tutti gli edifici del paese sono riscaldati dall'acqua termale. In effetti, l'Islanda ottiene oltre il 50 percento della sua energia primaria da fonti geotermiche. A Reykjavik, ad esempio (118mila abitanti), l'acqua calda viene convogliata per 25 chilometri e i residenti la utilizzano per il riscaldamento e per i bisogni naturali.

La Nuova Zelanda ottiene un ulteriore 10% della sua elettricità. è sottosviluppato, nonostante la presenza di acque termali.

LORO. Kapitonov

Calore nucleare della Terra

Calore terreno

La terra è un corpo abbastanza caldo ed è una fonte di calore. Si riscalda, prima di tutto, a causa della radiazione solare assorbita. Ma anche la Terra ha una propria risorsa di calore paragonabile al calore ricevuto dal Sole. Si ritiene che questa autoenergia della Terra abbia la seguente origine. La Terra è emersa circa 4,5 miliardi di anni fa in seguito alla formazione del Sole da un disco protoplanetario gas-polvere che ruotava attorno ad esso e si condensava. Nella fase iniziale della sua formazione, la sostanza terrestre è stata riscaldata a causa della compressione gravitazionale relativamente lenta. Un ruolo importante nell'equilibrio termico della Terra era svolto anche dall'energia rilasciata quando piccoli corpi cosmici cadevano su di essa. Pertanto, la giovane Terra era fusa. Raffreddandosi, è tornato gradualmente allo stato attuale con una superficie solida, una parte significativa della quale è ricoperta da acque oceaniche e marine. Questo strato esterno duro è chiamato Crosta e in media, sulle aree terrestri, il suo spessore è di circa 40 km e sotto le acque oceaniche - 5-10 km. Lo strato più profondo della Terra, chiamato mantello, è costituito anche da un solido. Si estende fino a una profondità di quasi 3000 km e contiene la maggior parte del materiale terrestre. Infine, la parte più interna della Terra è lei nucleo... Consiste di due strati: esterno e interno. Nucleo esternoè uno strato di ferro fuso e nichel ad una temperatura di 4500-6500 K e uno spessore di 2000-2500 km. Nucleo interno con un raggio di 1000-1500 km è una lega di ferro-nichel dura riscaldata a una temperatura di 4000-5000 K con una densità di circa 14 g / cm 3, che si è formata a una pressione enorme (quasi 4 milioni di bar).
Oltre al calore interno della Terra, ereditato dalla prima fase calda della sua formazione, e la cui quantità dovrebbe diminuire nel tempo, ce n'è un altro, a lungo termine, associato al decadimento radioattivo dei nuclei con una lunga emivita - principalmente 232 Th, 235 U , 238 U e 40 K. L'energia rilasciata in questi decadimenti - rappresentano quasi il 99% dell'energia radioattiva terrestre - reintegra costantemente le riserve termiche della Terra. I suddetti nuclei si trovano nella crosta e nel mantello. Il loro decadimento porta al riscaldamento sia degli strati esterni che interni della Terra.
Parte dell'enorme calore contenuto all'interno della Terra esce costantemente sulla sua superficie, spesso in processi vulcanici su larga scala. È noto il flusso di calore che fluisce dalle profondità della Terra attraverso la sua superficie. È (47 ± 2) · 10 12 watt, che equivale al calore che possono generare 50 mila centrali nucleari (la potenza media di una centrale nucleare è di circa 10 9 watt). Sorge la domanda se l'energia radioattiva svolge un ruolo significativo nel bilancio termico totale della Terra, e se lo fa, allora quale ruolo? La risposta a queste domande è rimasta sconosciuta per molto tempo. Ora sono emerse opportunità per rispondere a queste domande. Il ruolo chiave qui spetta ai neutrini (antineutrini), che nascono nei processi di decadimento radioattivo dei nuclei che compongono la sostanza terrestre e che sono chiamati geo-neutrino.

Geo-neutrino

Geo-neutrino- Questo è il nome collettivo dei neutrini o antineutrini, che vengono emessi a seguito del decadimento beta di nuclei situati al di sotto della superficie terrestre. Ovviamente, per la loro capacità di penetrazione senza precedenti, la loro registrazione (e solo loro) da parte di rivelatori di neutrini a terra può fornire informazioni oggettive sui processi di decadimento radioattivo che avvengono nelle profondità della Terra. Un esempio di tale decadimento è il decadimento β - del nucleo 228 Ra, che è un prodotto del decadimento α del nucleo longevo 232 Th (vedi tabella):

L'emivita (T 1/2) del nucleo di 228 Ra è di 5,75 anni, l'energia rilasciata è di circa 46 keV. Lo spettro energetico dell'antineutrino è continuo con il limite superiore vicino all'energia rilasciata.
I decadimenti dei nuclei 232 Th, 235 U, 238 U sono catene di decadimenti successivi che formano i cosiddetti ranghi radioattivi... In tali catene, i decadimenti α sono intervallati da decadimenti -, poiché durante i decadimenti α i nuclei finali vengono spostati dalla linea di stabilità alla regione dei nuclei sovraccaricati di neutroni. Dopo una catena di decadimenti successivi alla fine di ogni riga, si formano nuclei stabili con un numero magico di protoni e neutroni vicino o uguale (Z = 82,n= 126). Tali nuclei finali sono isotopi stabili di piombo o bismuto. Quindi, il decadimento di T 1/2 termina con la formazione di un nucleo doppiamente magico 208 Pb, e sul percorso 232 Th → 208 Pb, si verificano sei decadimenti α, alternati a quattro - -decadimenti (nel 238 U → 206 Pb, otto α- e sei β - - decadimenti; nella catena 235 U → 207 Pb, ci sono sette α e quattro β - decadimenti). Pertanto, lo spettro energetico degli antineutrini di ciascuna serie radioattiva è una sovrapposizione di spettri parziali dei singoli decadimenti che compongono questa serie. Gli spettri degli antineutrini formati nei decadimenti 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sono mostrati in Fig. 1. Il decadimento di 40 K è un singolo decadimento (vedi tabella). Gli antineutrini raggiungono la massima energia (fino a 3,26 MeV) nel decadimento
214 Bi → 214 Po, che è un collegamento nella serie radioattiva 238 U. L'energia totale rilasciata durante il passaggio di tutti i collegamenti di decadimento della serie 232 Th → 208 Pb è 42,65 MeV. Per le serie radioattive 235 U e 238 U, queste energie sono rispettivamente 46,39 e 51,69 MeV. Energia rilasciata in decadimento
40 K → 40 Ca, è 1,31 MeV.

Caratteristiche di 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K core

Nucleo	Condividere% nel miscuglio isotopi	Numero di core si riferisce. nuclei Si	T 1/2, miliardi di anni	Primi link decadimento
232 Th	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 stima del flusso di geoneutrini, effettuata sulla base del decadimento dei nuclei 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K contenuti nella composizione della materia terrestre, porta ad un valore dell'ordine di 10 6 cm - 2 secondi -1. Registrando questi geo-neutrini, si possono ottenere informazioni sul ruolo del calore radioattivo nel bilancio termico totale della Terra e verificare le nostre idee sul contenuto di radioisotopi a lunga vita nella composizione della materia terrestre.

Riso. 1. Spettri energetici degli antineutrini da decadimento nucleare

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalizzato a un decadimento del nucleo genitore

Per registrare gli antineutrini elettronici si usa la reazione

P → e + + n, (1)

in cui questa particella è stata effettivamente scoperta. La soglia per questa reazione è 1,8 MeV. Pertanto, nella suddetta reazione possono essere registrati solo i geoneutrini formati in catene di decadimento a partire da nuclei di 232 Th e 238 U. La sezione trasversale effettiva della reazione discussa è estremamente piccola: σ 10 -43 cm2. Ne consegue che un rivelatore di neutrini con un volume sensibile di 1 m 3 registrerà non più di pochi eventi all'anno. Ovviamente, per la fissazione affidabile dei flussi di geoneutrini, sono necessari rivelatori di neutrini di grande volume, situati in laboratori sotterranei per la massima protezione dallo sfondo. L'idea di utilizzare rivelatori progettati per studiare i neutrini solari e dei reattori per la registrazione dei geo-neutrini è nata nel 1998. Attualmente esistono due rivelatori di neutrini di grande volume che utilizzano uno scintillatore liquido e adatti a risolvere questo problema. Questi sono i rivelatori di neutrini degli esperimenti KamLAND (Giappone) e Borexino (Italia). Di seguito consideriamo il dispositivo del rivelatore Borexino e i risultati ottenuti su questo rivelatore sulla registrazione dei geo-neutrini.

Rilevatore Borexino e registrazione geoneutrino

Il rivelatore di neutrini Borexino si trova nell'Italia centrale in un laboratorio sotterraneo sotto la catena del Gran Sasso, le cui vette raggiungono i 2,9 km (Fig. 2).

Riso. 2. Layout del laboratorio di neutrini sotto la catena del Gran Sasso (Italia centrale)

Borexino è un rivelatore massivo non segmentato, il cui mezzo attivo è
280 tonnellate di scintillatore liquido organico. Riempiva un recipiente sferico di nylon di 8,5 m di diametro (Fig. 3). Lo scintillatore è pseudocumene (C 9 H 12) con un additivo PPO che sposta lo spettro (1,5 g / L). La luce dello scintillatore viene raccolta da 2.212 tubi fotomoltiplicatori da otto pollici (PMT) montati su una sfera di acciaio inossidabile (SNS).

Riso. 3. Schema del dispositivo rilevatore Borexino

Un vaso di nylon con pseudocumene è un rivelatore interno il cui compito è registrare i neutrini (antineutrini). Il rivelatore interno è circondato da due zone tampone concentriche che lo proteggono dai raggi gamma e dai neutroni esterni. La zona interna è riempita con un mezzo non scintillante costituito da 900 tonnellate di pseudocumene con additivi di dimetilftalato di spegnimento per scintillazione. La zona esterna si trova in cima al SNS ed è un rivelatore di acqua Cherenkov contenente 2000 tonnellate di acqua ultrapura e taglia i segnali dai muoni che entrano nella configurazione dall'esterno. Per ogni interazione che avviene nel rivelatore interno vengono determinati energia e tempo. La calibrazione del rivelatore utilizzando varie sorgenti radioattive ha permesso di determinare con molta precisione la sua scala energetica e il grado di riproducibilità del segnale luminoso.
Borexino è un rivelatore di purezza di radiazione molto elevata. Tutti i materiali sono stati rigorosamente selezionati e lo scintillatore è stato purificato per ridurre al minimo lo sfondo interno. Grazie alla sua elevata purezza delle radiazioni, Borexino è un ottimo rivelatore per rilevare gli antineutrini.
Nella reazione (1), il positrone emette un segnale istantaneo, seguito dopo un po' dalla cattura di un neutrone da parte di un nucleo di idrogeno, che porta alla comparsa di un quanto con un'energia di 2,22 MeV, che crea un segnale ritardato rispetto al primo. A Borexino, il tempo di cattura dei neutroni è di circa 260 μs. I segnali istantanei e ritardati sono correlati nello spazio e nel tempo, fornendo un riconoscimento accurato dell'evento causato da e.
La soglia per la reazione (1) è 1.806 MeV e, come si può vedere dalla Fig. 1, tutti i geoneutrini da decadimenti di 40 K e 235 U risultano essere al di sotto di questa soglia, e solo una parte dei geoneutrini prodotti in decadimenti di 232 Th e 238 U può essere rilevata.
Il rivelatore Borexino ha rilevato per la prima volta segnali di geo-neutrini nel 2010 e recentemente sono stati pubblicati nuovi risultati basati su osservazioni di 2056 giorni da dicembre 2007 a marzo 2015. Di seguito presentiamo i dati ottenuti e i risultati della loro discussione, basata sull'articolo.
Come risultato dell'analisi dei dati sperimentali, sono stati identificati 77 candidati per gli antineutrini elettronici che hanno superato tutti i criteri di selezione. Lo sfondo di eventi che imitano e è stato stimato dal valore. Pertanto, il rapporto segnale-sfondo era ≈100.
Gli antineutrini del reattore erano la principale fonte di fondo. Per Borexino la situazione era abbastanza favorevole, dal momento che non ci sono reattori nucleari nei pressi del laboratorio del Gran Sasso. Inoltre, gli antineutrini del reattore sono più energetici dei geo-neutrini, il che ha permesso di separare questi antineutrini dal positrone in magnitudo del segnale. I risultati dell'analisi dei contributi di geo-neutrini e antineutrini di reattore al numero totale di eventi registrati da e sono mostrati in Fig. 4. Il numero di geoneutrini rilevati dato da questa analisi (in Fig. 4 corrispondono alla regione oscurata) è pari a ... Nello spettro del geoneutrino estratto a seguito dell'analisi, sono visibili due gruppi: meno energetico, più intenso e più energetico, meno intenso. Gli autori dello studio descritto associano questi gruppi rispettivamente ai decadimenti del torio e dell'uranio.
L'analisi discussa ha utilizzato il rapporto tra le masse di torio e uranio nel materiale della Terra
m (Th) / m (U) = 3,9 (nella tabella questo valore è ≈3,8). Questa cifra riflette il contenuto relativo di questi elementi chimici nelle condriti, il gruppo più comune di meteoriti (oltre il 90% dei meteoriti caduti sulla Terra appartiene a questo gruppo). Si ritiene che la composizione delle condriti, ad eccezione dei gas leggeri (idrogeno ed elio), ripeta la composizione del sistema solare e del disco protoplanetario da cui si è formata la Terra.

Riso. 4. Spettro della luce emessa dai positroni in unità del numero di fotoelettroni per eventi antineutrini candidati (punti sperimentali). L'area ombreggiata è il contributo dei geoneutrini. La linea continua è il contributo degli antineutrini del reattore.

Dottore in Scienze Tecniche SU. vergogna, professore,
Accademico dell'Accademia Russa delle Scienze Tecnologiche, Mosca

Negli ultimi decenni, il mondo ha preso in considerazione la direzione di un uso più efficiente dell'energia del calore profondo della Terra per sostituire parzialmente il gas naturale, il petrolio e il carbone. Ciò diventerà possibile non solo in aree con parametri geotermici elevati, ma anche in qualsiasi regione del mondo durante la perforazione di pozzi di iniezione e produzione e la creazione di sistemi di circolazione tra di essi.

L'interesse per le fonti energetiche alternative che è aumentato negli ultimi decenni nel mondo è causato dall'esaurimento delle riserve di idrocarburi e dalla necessità di risolvere una serie di problemi problemi ambientali... Fattori oggettivi (riserve di combustibili fossili e di uranio, nonché cambiamenti nell'ambiente causati dal fuoco tradizionale e dall'energia nucleare) consentono di affermare che il passaggio a nuovi metodi e forme di produzione di energia è inevitabile.

L'economia mondiale si è ormai avviata verso una transizione verso una combinazione razionale di fonti energetiche tradizionali e nuove. Il calore della Terra occupa uno dei primi posti tra questi.

Le risorse energetiche geotermiche si dividono in idrogeologiche e petrogeotermiche. I primi sono rappresentati da vettori di calore (costituiscono solo l'1% delle risorse totali di energia geotermica) - acque sotterranee, vapore e miscele vapore-acqua. Questi ultimi sono energia geotermica contenuta nelle rocce calde.

La tecnologia delle fontane (autoscaricamento) utilizzata nel nostro Paese e all'estero per l'estrazione di vapore naturale e acque geotermiche è semplice, ma inefficace. Con una bassa portata di pozzi autofluenti, la loro produzione di calore può recuperare i costi di perforazione solo a bassa profondità di serbatoi geotermici con alte temperature in aree di anomalie termiche. La durata di tali pozzi in molti paesi non raggiunge nemmeno i 10 anni.

Allo stesso tempo, l'esperienza conferma che in presenza di serbatoi poco profondi di vapore naturale, la costruzione di una centrale geotermica è l'opzione più redditizia per l'utilizzo dell'energia geotermica. Il funzionamento di tali centrali geotermiche ha dimostrato la loro competitività rispetto ad altri tipi di centrali elettriche. Pertanto, l'uso delle riserve di acque geotermiche e idroterme a vapore nel nostro paese sulla penisola di Kamchatka e sulle isole della cresta Kuril, nelle regioni del Caucaso settentrionale, nonché possibilmente in altre regioni, è opportuno e tempestivo. Ma i depositi di vapore sono rari, le sue riserve note e probabili sono piccole. I depositi molto più diffusi di acqua calda e elettrica sono tutt'altro che sempre sufficientemente vicini al consumatore: l'oggetto di fornitura di calore. Ciò esclude la possibilità di un loro uso efficiente su larga scala.

Abbastanza spesso, le questioni relative al controllo della scalabilità si trasformano in un problema complesso. L'uso di sorgenti geotermiche, solitamente mineralizzate come vettore di calore, porta alla crescita eccessiva delle zone dei pozzi con formazioni di ossido di ferro, carbonato di calcio e silicato. Inoltre, i problemi di erosione-corrosione e depositi di calcare influiscono negativamente sul funzionamento dell'apparecchiatura. Il problema, inoltre, è lo scarico di acque reflue mineralizzate contenenti impurità tossiche. Pertanto, la tecnologia delle fontane più semplice non può fungere da base per l'ampio sviluppo delle risorse geotermiche.

Secondo stime preliminari sul territorio Federazione Russa Le riserve previste di acque termali con una temperatura di 40-250 ° C, salinità 35-200 g / l e una profondità fino a 3000 m sono 21-22 milioni di m3 / giorno, che equivale a bruciare 30-40 milioni di tonnellate di carburante equivalente. nell'anno.

Le riserve previste della miscela vapore-aria con una temperatura di 150-250 ° C della penisola di Kamchatka e delle Isole Curili sono di 500 mila m3 / giorno. e riserve di acque termali con una temperatura di 40-100 ° C - 150 mila m3 / giorno.

Sono considerate prioritarie per lo sviluppo le riserve di acqua termale con una portata di circa 8 milioni di m3/giorno, con una salinità fino a 10 g/le una temperatura superiore a 50°C.

L'estrazione di energia termica, risorsa petrogeotermica praticamente inesauribile, riveste un'importanza molto maggiore per il settore energetico del futuro. Questa energia geotermica, racchiusa in solide rocce calde, rappresenta il 99% delle risorse totali di energia termica sotterranea. A una profondità di 4-6 km, massicci con una temperatura di 300-400 ° C si trovano solo vicino ai fuochi intermedi di alcuni vulcani, ma rocce calde con una temperatura di 100-150 ° C sono distribuite a queste profondità quasi ovunque , e con una temperatura di 180-200 ° C in una parte abbastanza significativa del territorio della Russia.

Per miliardi di anni, i processi nucleari, gravitazionali e di altro tipo all'interno della Terra hanno generato e stanno generando energia termica. Parte della sua frazione viene irradiata nello spazio esterno e il calore si accumula nelle viscere, ad es. il contenuto di calore delle fasi solida, liquida e gassosa della materia terrestre è chiamato energia geotermica.

La generazione continua di calore interno compensa le sue perdite esterne, funge da fonte di accumulo di energia geotermica e determina la parte rinnovabile delle sue risorse. La rimozione totale del calore dal sottosuolo a la superficie terrestre tre volte la capacità attuale delle centrali elettriche nel mondo ed è stimata in 30 TW.

Tuttavia, è chiaro che la rinnovabilità conta solo per un periodo limitato risorse naturali, e il potenziale totale dell'energia geotermica è praticamente inesauribile, poiché dovrebbe essere definito come la quantità totale di calore che possiede la Terra.

Non è un caso che negli ultimi decenni il mondo abbia preso in considerazione la direzione di un uso più efficiente dell'energia del calore profondo della Terra per sostituire parzialmente il gas naturale, il petrolio e il carbone. Ciò sarà possibile non solo in aree con parametri geotermici elevati, ma anche in qualsiasi regione del mondo durante la perforazione di pozzi di iniezione e produzione e la creazione di sistemi di circolazione tra di essi.

Naturalmente, con bassa conducibilità termica delle rocce, per un efficiente funzionamento dei sistemi di circolazione, è necessario avere o creare una superficie di scambio termico sufficientemente sviluppata nella zona di estrazione del calore. Tale superficie è dotata di formazioni porose e zone di naturale tenacità a frattura, che spesso si trovano alle profondità sopra indicate, la cui permeabilità consente di organizzare la filtrazione forzata del refrigerante con un'efficace estrazione dell'energia della roccia, nonché di creare artificialmente un'ampia superficie di scambio termico in massicci porosi poco permeabili mediante fratturazione idraulica (vedi figura).

Attualmente, la fratturazione idraulica viene utilizzata nell'industria petrolifera e del gas come un modo per aumentare la permeabilità dei giacimenti per migliorare il recupero del petrolio nello sviluppo dei giacimenti petroliferi. Tecnologia moderna permette di creare una fessura stretta ma lunga, oppure una fessura corta ma larga. Sono noti esempi di fratture idrauliche con fratture lunghe fino a 2-3 km.

L'idea domestica di estrarre le principali risorse geotermiche contenute in rocce dure, è stato espresso nel 1914 da K.E. Tsiolkovsky e nel 1920 il sistema di circolazione geotermica (GCC) in un massiccio di granito caldo è stato descritto da V.A. Obruchev.

Nel 1963 viene creato a Parigi il primo GCC per l'estrazione di calore dalle rocce porose per il riscaldamento e il condizionamento dell'aria nei locali del complesso Brodkastin Chaos. Nel 1985 erano già in funzione in Francia 64 GVC con una potenza termica complessiva di 450 MW, con un risparmio annuo di circa 150mila tonnellate di petrolio. Nello stesso anno, il primo GCC di questo tipo è stato creato in URSS nella valle di Khankala vicino a Grozny.

Nel 1977, su progetto del Los Alamos National Laboratory degli USA, nel sito di Fenton Hill, nello stato del New Mexico, iniziarono le prove di un GVC sperimentale con fratturazione idraulica di una massa quasi impermeabile. Iniettato attraverso il pozzo (iniezione) freddo acqua dolceè stato riscaldato per scambio termico con un ammasso roccioso (185 OC) in una frattura verticale con una superficie di 8000 m2, formata da fratturazione idraulica a una profondità di 2,7 km. In un altro pozzo (produzione), attraversando anche questa frattura, l'acqua surriscaldata usciva in superficie sotto forma di getto di vapore. Quando circola in un circuito chiuso sotto pressione, la temperatura dell'acqua surriscaldata in superficie ha raggiunto 160-180 ° C e la potenza termica del sistema - 4-5 MW. Le perdite di refrigerante nel massiccio circostante rappresentavano circa l'1% della portata totale. La concentrazione di impurità meccaniche e chimiche (fino a 0,2 g/l) corrispondeva alle condizioni di fresco bevendo acqua... La frattura idraulica non necessitava di fissaggio ed era mantenuta aperta dalla pressione idrostatica del fluido. La libera convezione che si sviluppava in esso assicurava un'effettiva partecipazione allo scambio termico di quasi l'intera superficie dell'affioramento dell'ammasso roccioso.

L'estrazione di energia termica sotterranea da rocce calde impermeabili, basata sui metodi di perforazione direzionale e fratturazione idraulica, sviluppati e praticati a lungo nell'industria petrolifera e del gas, non ha causato attività sismica o altri effetti dannosi sull'ambiente.

Nel 1983, gli scienziati britannici replicarono l'esperienza americana creando un GVC sperimentale con fratturazione idraulica dei graniti a Carnwell. Un lavoro simile è stato svolto in Germania e Svezia. Negli Stati Uniti sono stati realizzati più di 224 progetti di riscaldamento geotermico. Allo stesso tempo, si presume che le risorse geotermiche possano fornire la maggior parte del fabbisogno futuro di energia termica degli Stati Uniti per esigenze non elettriche. In Giappone, la capacità della centrale geotermica nel 2000 ha raggiunto circa 50 GW.

Attualmente, la ricerca e l'esplorazione delle risorse geotermiche vengono svolte in 65 paesi. Nel mondo sono state realizzate stazioni con una capacità totale di circa 10 GW sulla base dell'energia geotermica. L'ONU sostiene attivamente lo sviluppo dell'energia geotermica.

L'esperienza nell'utilizzo di vettori di calore geotermici accumulati in molti paesi del mondo mostra che in condizioni favorevoli risultano essere 2-5 volte più redditizi delle centrali termiche e nucleari. I calcoli mostrano che un pozzo geotermico può sostituire 158mila tonnellate di carbone all'anno.

Pertanto, il calore della Terra è, forse, l'unica grande risorsa energetica rinnovabile, il cui sviluppo razionale promette di ridurre il costo dell'energia rispetto alla moderna energia da combustibile. Con un potenziale energetico altrettanto inesauribile, gli impianti solari e termonucleari, purtroppo, saranno più costosi di quelli esistenti per i combustibili.

Nonostante una storia molto lunga di sviluppo del calore terrestre, la tecnologia geotermica non ha ancora raggiunto il suo alto sviluppo. Lo sviluppo dell'energia termica terrestre sta incontrando grandi difficoltà nella costruzione di pozzi profondi, che sono un canale per portare il refrigerante in superficie. A causa dell'elevata temperatura al fondo pozzo (200-250 ° C), gli strumenti tradizionali per il taglio della roccia sono di scarsa utilità in tali condizioni; requisiti speciali sono imposti alla selezione di aste di perforazione e rivestimento, fanghi di cemento, tecnologia di perforazione, rivestimento e pozzo completamento. Le apparecchiature di misurazione domestiche, i raccordi e le apparecchiature di servizio in serie sono fabbricati in un design che consente temperature non superiori a 150-200 ° C. La tradizionale perforazione meccanica profonda dei pozzi a volte richiede anni e costi finanziari significativi. Nei principali asset produttivi, il costo dei pozzi varia dal 70 al 90%. Questo problema può e deve essere risolto solo creando una tecnologia progressiva per lo sviluppo della maggior parte delle risorse geotermiche, vale a dire. estrarre energia dalle rocce calde.

Il nostro gruppo di scienziati e specialisti russi si occupa da più di un anno del problema dell'estrazione e dell'utilizzo dell'inesauribile e rinnovata energia termica profonda delle rocce calde della Terra sul territorio della Federazione Russa. Lo scopo del lavoro è creare, sulla base delle alte tecnologie domestiche, mezzi tecnici per la penetrazione profonda nelle viscere della crosta terrestre. Attualmente sono state sviluppate diverse varianti di gruppi di perforazione (BS), che non hanno analoghi nella pratica mondiale.

Il funzionamento della prima opzione BS è legato alla tecnologia convenzionale di perforazione di pozzi esistente. La velocità di perforazione di rocce dure (densità media 2500-3300 kg / m3) è fino a 30 m / h, il diametro del foro è 200-500 mm. La seconda versione del BS esegue la perforazione di pozzi in modo autonomo e automatico. Il lancio viene effettuato da un'apposita piattaforma di lancio e accettazione, dalla quale ne viene controllato il movimento. Mille metri di BS in rocce dure potranno passare in poche ore. Diametro del foro da 500 a 1000 mm. Le opzioni BS riutilizzabili sono convenienti e hanno un enorme valore potenziale. L'introduzione del BS in produzione aprirà una nuova fase nella costruzione di pozzi e fornirà l'accesso a fonti inesauribili di energia termica dalla Terra.

Per le esigenze di fornitura di calore, la profondità richiesta dei pozzi in tutto il paese si trova nell'intervallo fino a 3-4,5 mila metri e non supera i 5-6 mila metri La temperatura del vettore di calore per l'alloggio e la fornitura di calore comunale non non superare i 150 °C. Per gli impianti industriali, la temperatura, di regola, non supera i 180-200 ° C.

Lo scopo del GCC è fornire calore permanente, conveniente ed economico alle regioni remote, difficili da raggiungere e non sviluppate della Federazione Russa. La durata dell'operazione del GCS è di 25-30 anni e oltre. Periodo di ammortamento delle stazioni (tenendo conto le ultime tecnologie perforazione) - 3-4 anni.

La creazione nella Federazione Russa nei prossimi anni di capacità adeguate per l'utilizzo dell'energia geotermica per esigenze non elettriche consentirà di sostituire circa 600 milioni di tonnellate di combustibile equivalente. I risparmi possono ammontare fino a 2 trilioni di rubli.

Nel periodo fino al 2030, diventa possibile creare capacità energetiche per sostituire l'energia del fuoco fino al 30% e fino al 2040 per escludere quasi completamente le materie prime organiche come combustibile dal bilancio energetico della Federazione Russa.

Letteratura

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2. Regime termico della Terra

La terra è un corpo spaziale freddo. La temperatura superficiale dipende principalmente dal calore esterno. Il 95% del calore dello strato superiore della Terra è esterno (solare) caldo e solo il 5% caldo interno , che proviene dalle viscere della Terra e comprende diverse fonti di energia. All'interno della Terra, la temperatura aumenta con la profondità da 1300 o C (nel mantello superiore) a 3700 o C (al centro del nucleo).

Calore esterno... Il calore arriva alla superficie della Terra principalmente dal Sole. Ogni centimetro quadrato di superficie riceve circa 2 calorie di calore in un minuto. Questa quantità si chiama costante solare e determina la quantità totale di calore fornita alla Terra dal Sole. Per un anno ammonta a 2,26 · 10 21 calorie. La profondità di penetrazione del calore solare nelle viscere della Terra dipende principalmente dalla quantità di calore che cade per unità di superficie e dalla conduttività termica delle rocce. La profondità massima alla quale penetra il calore esterno è di 200 m negli oceani e di circa 40 m sulla terraferma.

Calore interno... Con la profondità, c'è un aumento della temperatura, che si verifica in modo molto irregolare in diversi territori. L'aumento di temperatura segue la legge adiabatica e dipende dalla compressione della sostanza in pressione quando lo scambio termico con l'ambiente è impossibile.

Le principali fonti di calore all'interno della Terra:

Il calore rilasciato durante il decadimento radioattivo degli elementi.

Calore residuo dalla formazione della Terra.

Calore gravitazionale rilasciato durante la compressione della Terra e distribuzione della materia per densità.

Calore generato da reazioni chimiche nelle profondità della crosta terrestre.

Calore rilasciato dall'attrito delle maree della Terra.

Ci sono 3 zone di temperatura:

IO - zona a temperatura variabile ... La variazione di temperatura è determinata dal clima locale. Le fluttuazioni giornaliere si attenuano praticamente a una profondità di circa 1,5 m e le fluttuazioni annuali a una profondità di 20 ... 30 m. zona di congelamento.

II- zona a temperatura costante situato a una profondità di 15 ... 40 m, a seconda della regione.

III - zona di aumento della temperatura .

Il regime di temperatura delle rocce nelle viscere della crosta terrestre è solitamente espresso da un gradiente geotermico e da un gradino geotermico.

Viene chiamata la quantità di aumento di temperatura per ogni 100 m di profondità gradiente geotermico... In Africa, nel campo di Witwatersrand, è 1,5 ° C, in Giappone (Echigo) - 2,9 ° C, in South Australia - 10,9 ° C, in Kazakistan (Samarinda) - 6,3 ° C, nella penisola di Kola - 0,65 ° C .

Riso. 3. Zone di temperatura nella crosta terrestre: I - zona di temperatura variabile, Iа - zona di congelamento; II - zona di temperature costanti; III - zona di aumento della temperatura.

Viene chiamata la profondità alla quale la temperatura aumenta di 1 grado passo geotermico. I valori numerici del passaggio geotermico non sono costanti non solo a diverse latitudini, ma anche a diverse profondità dello stesso punto nella regione. La grandezza del gradino geotermico varia da 1,5 a 250 m. Ad Arkhangelsk è di 10 m, a Mosca - 38,4 m e a Pyatigorsk - 1,5 m. Il valore medio teorico di questo passaggio è di 33 m.

In un pozzo perforato a Mosca a una profondità di 1630 m, la temperatura del pozzo di fondo era di 41 ° C e in una miniera perforata nel Donbass a una profondità di 1545 m, la temperatura era di 56,3 ° C. La temperatura più alta è stata registrata negli Stati Uniti in un pozzo con una profondità di 7136 m, dove è pari a 224 ° C. L'aumento della temperatura con la profondità dovrebbe essere preso in considerazione quando si progettano strutture profonde.Secondo i calcoli, a una profondità di 400 km, la temperatura dovrebbe raggiungere 1400 ... 1700 ° C. Le temperature più alte (circa 5000°C) sono state ottenute per il nucleo terrestre.