Тепло земли. Виды источников геотермальной энергии

Геотермальная энергия - это энергия тепла, которое выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. По данным геолого-геофизических исследований, температура в ядре Земли достигает 3 000-6 000 °С, постепенно снижаясь в направлении от центра планеты к ее поверхности. Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра.
Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км, в океанах - в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км вероятное значение температур на континентах составляет 600-800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С.
Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Сейчас геотермальную энергию эффективно используют такие страны, как США, Италия, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь внутреннее земное тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 °С и часто вырывается наружу как тепло фонтанирующих источников (гейзеры), например, знаменитые гейзеры Йеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии.
Геотермальные источники энергии подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважину, которая является важным источником энергии для электрической железной дороге в Италии (близ г. Лардерелло), с 1904 г. питает сухой горячий пар. Два другие известные в мире места с горячей сухим паром - поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле Сан-Франциско, где также давно и эффективно используют геотермальную энергию. Больше всего в мире влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля чуть меньшей мощности - в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России.
Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:
поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;
энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии;
теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);
энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами.

Запасы геотермальной теплоты (~ 8 * 1030Дж) в 35 млрд раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа. Однако сегодня может быть использована лишь незначительная часть этих ресурсов, и это обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время, накоплен немалый опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) равнялась: 1975 г. - 1 278 МВт, в 1990 году - 7 300 МВт. Наибольшего прогресса в этом вопросе достигли США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.
Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в довольно широких пределах и зависят от геологических характеристик местности (глубины залегания, параметров рабочего тела, его состав и т.д.). Для большинства введенных в эксплуатацию ГеоТЭС себестоимость электроэнергии является подобной себестоимости электроэнергии, получаемой на угольных ТЭС, и составляет 1200 ... 2000 долл. США / МВт.
В Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг глобальное выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.
В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.

Данная энергия относится к альтернативным источникам. В наши дни всё чаще упоминают о возможностях получения ресурсов, которые дарит нам планета. Можно сказать, что мы живем в эпоху моды на возобновляемую энергетику. Создается множество технических решений, планов, теорий в данной области.

Он находится глубоко в земляных недрах и имеет свойства возобновления, другими словами он бесконечный. Классические ресурсы, по данным учёных начинают заканчиваться, иссякнет нефть, уголь, газ.

Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия

Поэтому можно постепенно готовиться принимать на вооружение новые альтернативные методы добычи энергии. Под земной корой находится мощное ядро. Его температура составляет от 3000 до 6000 градусов. Перемещение литосферных плит демонстрирует его огромнейшую силу. Она проявляется в виде вулканического выплескивания магмы. В недрах происходит радиоактивный распад, побуждающий иногда к таким природным катаклизмам.

Обычно магма нагревает поверхность не выходя за её пределы. Так получаются гейзеры или теплые бассейны воды. Таким образом, можно использовать физические процессы в нужных целях для человечества.

Виды источников геотермальной энергии

Её принято разделять на два вида: гидротермальную и петротермальную энергию. Первый образуется за счет теплых источников, а второй тип – это разница температур на поверхности и в глубине земли. Объясняя своими словами, гидротермальный источник состоит из пара и горячей воды, а петротермальный спрятан глубоко под грунтом.

Карта потенциала развития геотермальной энергетики в мире

Для петротермальной энергии необходимо пробурить две скважины, одну наполнить водой, после чего произойдет процесс парения, который выйдет на поверхность. Существует три класса геотермальных районов:

• Геотермальный – расположен вблизи континентальных плит. Градиент температуры более 80С/км. В качестве примера, итальянская коммуна Лардерелло. Там размещена электростанция
• Полутермальный – температура 40 – 80 С/км. Это естественные водоносные пласты, состоящие из раздробленных пород. В некоторых местах Франции обогреваются таким способом здания
• Нормальный – градиент менее 40 С/км. Представительство таких районов наиболее распространено

Они являются отличным источником для потребления. Они находятся в горной породе, на определенной глубине. Более подробно рассмотрим классификацию:

• Эпитермальные – температура от 50 до 90 с
• Мезотермальные – 100 – 120 с
• Гипотермальные – более 200 с

Данные виды состоят из разного химического состава. В зависимости от него, можно использовать воды для различных целей. Например, в производстве электроэнергии, теплообеспечении (тепловые трассы), сырьевой базе.

Видео: Геотермальная энергия

Процесс теплоснабжения

Температура воды 50 -60 градусов, является оптимальной для отопления и горячего снабжения жилого массива. Нужда в отопительных системах зависит от географического расположения и климатических условий. А в потребностях ГВС люди нуждаются постоянно. Для этого процесса сооружаются ГТС (геотермальные тепловые станции).

Если для классического производства тепловой энергии используется котельная, потребляющая твёрдое или газовое топливо, то при данном производстве используется гейзерный источник. Технический процесс очень простой, те же коммуникации, тепловые трассы и оборудование. Достаточно пробурить скважину, очистить её от газов, далее насосами направить в котельную, где будет поддерживаться температурный график, а после она попадёт в теплотрассу.

Главное отличие в том, что нет необходимости использовать топливный котлоагрегат. Это существенно снижает себестоимость тепловой энергии. Зимой абоненты получают тепло и горячее водоснабжение, а летом только ГВС.

Производство электроэнергии

Горячие источники, гейзеры служат основным компонентами в производстве электричества. Для этого применяется несколько схем, сооружаются специальные электростанции. Устройство ГТС:

• Бак ГВС
• Насос
• Газоотделитель
• Паросепаратор
• Генерирующая турбина
• Конденсатор
• Повысительный насос
• Бак – охладитель

Как видим основным элементом схемы, является паровой преобразователь. Это позволяет получать очищенный пар, так как в нем содержатся кислоты, разрушающие оборудование турбин. Существует возможность применение смешанной схемы в технологическом цикле, то есть вода и пар участвуют в процессе. Жидкость проходит всю стадию очистки от газов, так же как и пар.

Схема с бинарным источником

Рабочим компонентом является жидкость с низкой температурой кипения. Термальная вода также участвует в производстве электроэнергии и служит второстепенным сырьем.

С её помощью образуется пар низкокипящего источника. ГТС с таким циклом работы могут быть полностью автоматизированы и не требовать наличия обслуживающего персонала. Более мощные станции используют двухконтурную схему. Такой вид электростанций позволяет выходить на мощность 10 МВт. Двухконтурная структура:

• Паровой генератор
• Турбина
• Конденсатор
• Эжектор
• Питательный насос
• Экономайзер
• Испаритель

Практическое применение

Огромные запасы источников во много раз превосходят ежегодное потребление энергии. Но лишь малая доля используется человечеством. Строительство станций датировано 1916 годом. В Италии была создана первая ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт. Отрасль активно развивается в таких странах как: США, Исландия, Япония, Филиппины, Италия.

Ведутся активные изучение потенциальных мест и более удобные методы добывания. Из года в год растёт производственная мощность. Если брать в расчёт экономический показатель, то себестоимость такой отрасли равна угольным ТЭС. Исландия практически полностью покрывает коммунально-жилой фонд ГТ-источником. 80 % домов для отопления используют горячую воду из скважин. Эксперты из США утверждают, что при должном развитии ГеоТЭС могут произвести в 30 раз больше ежегодного потребления. Если говорить о потенциале, то 39 стран мира смогут полностью себя обеспечить электроэнергией, если на 100 процентов используют недра земли.

Основными источниками тепловой энергии Земли являются [ , ]:

• тепло гравитационной дифференциации;
• радиогенное тепло;
• тепло приливного трения;
• аккреционное тепло;
• тепло трения, выделяющееся за счёт дифференциального вращения внутреннего ядра относительно внешнего, внешнего ядра относительно мантии и отдельных слоёв внутри внешнего ядра.

К настоящему времени количественно оценены лишь первые четыре источника. В нашей стране основная заслуга в этом принадлежит О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову . Нижеприводимые данные в основном базируются на расчётах этих учёных.

Тепло гравитационной дифференциации Земли

Одной из важнейших закономерностей развития Земли является дифференциация её вещества, которая продолжается и в настоящее время. За счёт этой дифференциации произошло формирование ядра и земной коры , изменение состава первичной мантии , при этом разделение первоначально однородного вещества на фракции различной плотности сопровождается выделением тепловой энергии , а максимальное тепловыделение происходит при разделении земного вещества на плотное и тяжёлое ядро и остаточную более лёгкую силикатную оболочку - земную мантию . В настоящее время основная часть этого тепла выделяется на границе мантия - ядро .

Энергии гравитационной дифференциации Земли за всё время её существования выделилось - 1,46*10 38 эрг (1,46*10 31 Дж) . Данная энергия в большей своей части сначала переходит в кинетическую энергию конвективных течений мантийного вещества, а затем в тепло ; другая её часть расходуется на дополнительное сжатие земных недр , возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральной части Земли. Из 1,46*10 38 эрг энергии гравитационной дифференциации Земли на её дополнительное сжатие пошло 0,23*10 38 эрг (0,23*10 31 Дж ), а в форме тепла выделилось 1,23*10 38 эрг (1,23*10 31 Дж ). Величина этой тепловой составляющей существенно превышает суммарное выделение в Земле всех остальных видов энергии. Распределение во времени общей величины и скорости выделения тепловой компоненты гравитационной энергии отражено на Рис. 3.6 .

Рис. 3.6.

Современный уровень генерации тепла при гравитационной дифференциации Земли - 3*10 20 эрг/с (3*10 13 Вт ), что от величины современного теплового потока, проходящего через поверхность планеты в (4,2-4,3)*10 20 эрг/с ((4,2-4,3)*10 13 Вт ), составляет ~ 70% .

Радиогенное тепло

Обусловливается радиоактивным распадом нестабильных изотопов . Наиболее энергоёмкими и долгоживущими (с периодом полураспада , соизмеримым с возрастом Земли) являются изотопы 238 U , 235 U , 232 Th и 40 K . Основной их объём сосредоточен в континентальной коре . Современный уровень генерации радиогенного тепла :

• по американскому геофизику В.Вакье - 1,14*10 20 эрг/с (1,14*10 13 Вт ) ,
• по российским геофизикам О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову - 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) .

От величины современного теплового потока это составляет ~ 27-30 %.

Из общей величины тепла радиоактивного распада в 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) в земной коре выделяется - 0,91*10 20 эрг/с , а в мантии - 0,35*10 20 эрг/с . Отсюда следует, что доля мантийного радиогенного тепла не превышает 10 % от суммарных современных теплопотерь Земли, и она не может являться основным источником энергии активных тектоно-магматических процессов, глубина зарождения которых может достигать 2900 км; а радиогенное тепло, выделяющееся в коре, относительно быстро теряется через земную поверхность и практически не участвует в разогреве глубинных недр планеты.

В прошлые геологические эпохи величина радиогенного тепла, выделяемого в мантии, должна была быть более высокой. Её оценки на момент образования Земли (4,6 млрд. лет назад ) дают - 6,95*10 20 эрг/с . С этого времени происходит неуклонное снижение скорости выделения радиогенной энергии (Рис. 3.7 ).

За всё время в Земле выделилось ~4,27*10 37 эрг (4,27*10 30 Дж ) тепловой энергии радиоактивного распада, что почти в три раза ниже общей величины тепла гравитационной дифференциации.

Тепло приливного трения

Выделяется при гравитационном взаимодействии Земли в первую очередь с Луной, как ближайшим крупным космическим телом. Благодаря взаимному гравитационному притяжению в их телах возникают приливные деформации - вздутия или горбы . Приливные горбы планет своим дополнительным притяжением оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих приливных горбов Земли создаёт пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние ближнего, обращённого к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. В связи с тем, что угловая скорость вращения современной Земли (7,27*10 -5 с -1 ) превышает орбитальную скорость движения Луны (2,66*10 -6 с -1 ), а вещество планет не является идеально упругим, то приливные горбы Земли как бы увлекаются её вращением вперед и заметно опережают движение Луны. Это приводит к тому, что максимальные приливы Земли всегда наступают на её поверхности несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и Луну действует дополнительный момент сил (Рис. 3.8 ) .

Абсолютные значения сил приливного взаимодействия в системе Земля-Луна сейчас относительно невелики и обусловливаемые ими приливные деформации литосферы могут достигать лишь нескольких десятков сантиметров, но они приводят к постепенному торможению вращения Земли и, наоборот, к ускорению орбитального движения Луны и к её удалению от Земли. Кинетическая энергия движения земных приливных горбов переходит в тепловую энергию, вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах.

В настоящее время скорость выделения приливной энергии по Г. Макдональду составляет ~0,25*10 20 эрг/с (0,25*10 13 Вт ), при этом основная её часть (около 2/3) предположительно диссипирует (рассеивается) в гидросфере. Следовательно, доля приливной энергии, вызванной взаимодействием Земли с Луной и рассеиваемой в твёрдой Земле (в первую очередь в астеносфере), не превышает 2 % полной тепловой энергии, генерируемой в её недрах; а доля солнечных приливов не превышает 20 % от воздействия лунных приливов. Поэтому твёрдые приливы не играют теперь практически никакой роли в питании тектонических процессов энергией, но в отдельных случаях могут выступать в качестве "спусковых механизмов", например землетрясений .

Величина приливной энергии прямо связана с расстоянием между космическими объектами. И если для расстояния между Землёй и Солнцем не предполагается каких-либо существенных изменений в геологическом масштабе времени, то в системе Земля-Луна этот параметр является переменной величиной. Вне зависимости от представлений об практически все исследователи признают, что на ранних стадиях развития Земли расстояние до Луны было существенно меньше современного, в процессе же планетного развития, по мнению большинства учёных, оно постепенно увеличивается, а по Ю.Н. Авсюку это расстояние испытывает долгопериодические изменения в виде циклов "прихода - ухода" Луны . Отсюда исходит, что в прошлые геологические эпохи роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была более значительной. В целом, за всё время развития Земли в ней выделилось ~3,3*10 37 эрг (3,3*10 30 Дж ) энергии приливного тепла (это при условии последовательного удаления Луны от Земли). Изменение же во времени скорости выделения этого тепла представлено на Рис. 3.10 .

Более половины общей величины приливной энергии выделилось в катархее (гадее )) - 4,6-4,0 млрд. лет назад, и в это время только за счёт этой энергии Земля дополнительно могла прогреться на ~500 0 С. Начиная с позднего архея лунные приливы вносили лишь ничтожно малое влияние в развитие энергоёмких эндогенных процессов .

Аккреционное тепло

Это тепло, сохранённое Землёй с момента её формирования. В процессе аккреции , которая продолжалась в течение нескольких десятков миллионов лет, благодаря соударению планетезималей Земля испытала существенный разогрев. При этом по поводу величины этого разогрева нет единого мнения. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что в процессе аккреции Земля испытала если не полное, то значительное частичное плавление, что привело к начальной дифференциации ПротоЗемли на тяжёлое железное ядро и лёгкую силикатную мантию, и к формированию "магматического океана" на её поверхности или на небольшой глубине. Хотя ещё до 1990-х годов практически общепризнанной считалась модель относительно холодной первичной Земли, которая постепенно разогревалась за счёт вышерассмотренных процессов, сопровождавшихся выделением значительного количества тепловой энергии.

Точная оценка первичного аккреционного тепла и её сохранившейся до настоящего времени доли связана со значительными трудностями . По О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову , являющихся сторонниками относительно холодной первичной Земли, величина энергии аккреции, перешедшей в тепло, составляет - 20,13*10 38 эрг (20,13*10 31 Дж) . Этой энергии при отсутствии теплопотерь хватило бы для полного испарения земного вещества, т.к. температура могла бы подняться до 30 000 0 С . Но процесс аккреции был относительно длительным, а энергия ударов планетезималей выделялась лишь в приповерхностных слоях растущей Земли и быстро терялась с тепловым излучением, поэтому первичный разогрев планеты не был большим. Величину этого теплового излучения, идущего параллельно с формированием (аккрецией) Земли, указанные авторы оценивают в 19,4*10 38 эрг (19,4*10 31 Дж ) .

В современном энергетическом балансе Земли аккреционное тепло, вероятнее всего, играет незначительную роль.

В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.

На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м 2 , или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке - 6°C на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.

Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км - 70°C, на 2 км - 80°C, на 3 км - 108°C.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км - 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000–5000°C.

На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull ) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров - Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.

Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века - и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.

Примеру Италии в конце XIX-начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м - в Японии, в 1928-м - в Исландии.

В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии - в 1958 году, в Мексике - в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) - в 1965-м.

Старый принцип на новом источнике

Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, - более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция - разновидность ТЭС.

На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.

Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь - тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.

Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.

Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.

Самая простая и потому первая из освоенных схем - прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.

ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.

Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, - в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.

На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.

Принцип работы бинарной ГеоЭС. Горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела и имеющей менее высокую температуру кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой, в свою очередь, вращают турбину

Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.

Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.

Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины - нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия - для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.

Схема работы петротермальной системы. Система основана на использовании температурного градиента между поверхностью земли и её недрами, где температура выше. Вода с поверхности закачивается в нагнетательную скважину и нагревается на глубине, далее нагретая вода или образовавшийся в результате нагрева пар подаются на поверхность по эксплуатационной скважине.

Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.

В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) - Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.

Подарок лорда Кельвина

Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же - лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие - в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае - первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.

Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов - обогрев помещений. По сути - это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае - отапливаемое помещение, во втором - охлаждаемая камера холодильника), внешней средой - источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же - теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.

В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.

В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение - эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.

Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду - систему отопления помещения.

В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.

В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.

Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.

Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.

В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.

Экокорректная энергетика

Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м 2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м 2 . К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление - 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.

Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое - воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.

Главный источник химического загрязнения среды - собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.

Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.

На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды - вода и пар - обычно содержат углекислый газ (CO 2), сульфид серы (H 2 S), аммиак (NH 3), метан (CH 4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.

В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г - на угольных ТЭС, 906 г - на мазутных и 453 г - на газовых ТЭС.

Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь - закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.

Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).

Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.

Почём энергия Земли?

Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне - от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.

Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.

Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС - бесплатный энергоноситель. Для сравнения - в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.

Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов - это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.

В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях - около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).

Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.

Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.

Форварды геотермальной энергетики

Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.

Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.

В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли - острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива - развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.

В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.

От Камчатки до Кавказа

В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.

Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона - Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором - об использовании тепловой энергии термальной воды.

На Северном Кавказе - в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане - тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.

На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.

Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.

Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей - нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики - Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).

Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС - уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.

В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.

Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов - Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.

Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы - российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.

Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.

Кирилл Дегтярев,
научный сотрудник, МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №9, №10 2013

И.М. Капитонов

Ядерное тепло Земли

Земное тепло

Земля – довольно сильно нагретое тело и является источником тепла. Она нагревается, прежде всего, за счёт поглощаемого ею солнечного излучения. Но Земля имеет и собственный тепловой ресурс сопоставимый с получаемым теплом от Солнца. Считается, что эта собственная энергия Земли имеет следующее происхождение. Земля возникла около 4.5 млрд лет назад вслед за образованием Солнца из вращающегося вокруг него и уплотняющегося протопланетного газо-пылевого диска. На раннем этапе своего формирования происходил разогрев земной субстанции за счёт сравнительно медленного гравитационного сжатия. Большую роль в тепловом балансе Земли играла также энергия, выделявшаяся при падении на неё мелких космических тел. Поэтому молодая Земля была расплавленной. Остывая, она постепенно пришла к своему нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью, значительная часть которой покрыта океаническими и морскими водами. Этот твёрдый наружный слой называют земной корой и в среднем на участках суши его толщина около 40 км, а под океаническими водами – 5-10 км. Более глубокий слой Земли, называемый мантией , также состоит из твёрдого вещества. Он простирается на глубину почти до 3000 км и в нём содержится основная часть вещества Земли. Наконец самая внутренняя часть Земли – это её ядро . Оно состоит из двух слоёв – внешнего и внутреннего. Внешнее ядро это слой расплавленного железа и никеля при температуре 4500-6500 K толщиной 2000-2500 км. Внутреннее ядро радиусом 1000-1500 км представляет собой нагретый до температуры 4000-5000 K твёрдый железо-никелевый сплав плотностью около 14 г/см 3 , возникший при огромном (почти 4 млн бар) давлении.
Помимо внутреннего тепла Земли, доставшегося её в наследство от самого раннего горячего этапа её формирования, и количество которого должно уменьшаться со временем, существует и другой, – долговременный, связанный с радиоактивным распадом ядер с большим периодом полураспада – прежде всего, 232 Th, 235 U, 238 U и 40 K. Энергия, выделяющаяся в этих распадах – на их долю приходится почти 99% земной радиоактивной энергии – постоянно пополняет тепловые запасы Земли. Вышеперечисленные ядра содержатся в коре и мантии. Их распад приводит к нагреву как внешних, так и внутренних слоёв Земли.
Часть огромного тепла, содержащегося внутри Земли, постоянно выходит на её поверхность часто в весьма масштабных вулканических процессах. Тепловой поток, вытекающий из глубин Земли через её поверхность известен. Он составляет (47±2)·10 12 Ватт , что эквивалентно теплу, которое могут генерировать 50 тысяч атомных электростанций (средняя мощность одной АЭС около 10 9 Ватт). Возникает вопрос, играет ли какую-либо существенную роль радиоактивная энергия в полном тепловом бюджете Земли и если играет, то какую? Ответ на эти вопросы долгое время оставался неизвестным. В настоящее время появились возможности ответить на эти вопросы. Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино (антинейтрино), которые рождаются в процессах радиоактивного распада ядер, входящих в состав вещества Земли и которые получили название гео-нейтрино .

Гео-нейтрино

Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):

Период полураспада (T 1/2) ядра 228 Ra равен 5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет около 46 кэВ. Энергетический спектр антинейтрино непрерывен с верхней границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады ядер 232 Th, 235 U, 238 U представляют собой цепочки последовательных распадов, образующих так называемые радиоактивные ряды . В таких цепочках α-распады перемежаются β − -распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются смещёнными от линии β-стабильности в область ядер, перегруженных нейтронами. После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126). Такими конечными ядрами являются стабильные изотопы свинца или висмута. Так распад T 1/2 завершается образованием дважды магического ядра 208 Pb, причем на пути 232 Th → 208 Pb происходит шесть α-распадов, перемежающихся четырьмя β − -распадами (в цепочке 238 U → 206 Pb восемь α- и шесть β − -распадов; в цепочке 235 U → 207 Pb семь α- и четыре β − -распада). Таким образом, энергетический спектр антинейтрино от каждого радиоактивного ряда представляет собой наложение парциальных спектров от отдельных β − -распадов, входящих в состав этого ряда. Спектры антинейтрино, образующихся в распадах 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, показаны на рис. 1. Распад 40 K это однократный β − -распад (см. таблицу). Наибольшей энергии (до 3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po, являющемся звеном радиоактивного ряда 238 U. Полная энергия, выделяющаяся при прохождении всех звеньев распада ряда 232 Th → 208 Pb, равна 42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U и 238 U эти энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ. Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca, составляет 1.31 МэВ.

Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Ядро	Доля в % в смеси изотопов	Число ядер относит. ядер Si	T 1/2 , млрд лет	Первые звенья распада
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

Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.

Рис. 1. Энергетические спектры антинейтрино от распада ядер

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра

Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция

P → e + + n, (1)

в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.

Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино

Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения нейтринной лаборатории под горным массивом Гран Сассо (центральная Италия)

Борексино это несегментированный массивный детектор, активной средой которого являются
280 тонн органического жидкого сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис. 3). Сцинтиллятором является псевдокумол (С 9 Н 12) со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5 г/л). Свет от сцинтиллятора собирается 2212 восьмидюймовыми фотоумножителями (ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей стали (СНС).

Рис. 3. Схема устройства детектора Борексино

Нейлоновый сосуд с псевдокумолом является внутренним детектором, в задачу которого и входит регистрация нейтрино (антинейтрино). Внутренний детектор окружён двумя концентрическими буферными зонами, защищающими его от внешних гамма-квантов и нейтронов. Внутренняя зона заполнена несцинтиллирующей средой, состоящей из 900 тонн псевдокумола с добавками диметилфталата, гасящими сцинтилляции. Внешняя зона располагается поверх СНС и является водным черенковским детектором, содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и отсекающим сигналы от мюонов, попадающих в установку извне. Для каждого взаимодействия, происходящего во внутреннем детекторе, определяется энергия и время. Калибровка детектора с использованием различных радиоактивных источников позволила весьма точно определить его энергетическую шкалу и степень воспроизводимости светового сигнала.
Борексино является детектором очень высокой радиационной чистоты. Все материалы прошли строгий отбор, а сцинтиллятор был подвергнут очистке для максимального уменьшения внутреннего фона. Вследствие высокой радиационной чистоты Борексино является прекрасным детектором для регистрации антинейтрино.
В реакции (1) позитрон даёт мгновенный сигнал, за которым через некоторое время следует захват нейтрона ядром водорода, что приводит к появлению γ-кванта с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал, задержанный относительно первого. В Борексино время захвата нейтрона около 260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы коррелируют в пространстве и во времени, обеспечивая точное распознавание события, вызванного e .
Порог реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K и 235 U оказываются ниже этого порога и лишь часть гео-нейтрино, возникших в распадах 232 Th и 238 U, может быть зарегистрирована.
Детектор Борексино впервые зарегистрировал сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно опубликованы новые результаты, основанные на наблюдениях в течение 2056 дней в период с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы приведём полученные данные и результаты их обсуждения, основываясь на статье .
В результате анализа экспериментальных данных были идентифицированы 77 кандидатов в электронные антинейтрино, прошедшие все критерии отбора. Фон от событий, имитирующих e , оценивался величиной . Таким образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным источником фона были реакторные антинейтрино. Для Борексино ситуация была достаточно благоприятной, так как вблизи лаборатории Гран Сассо нет ядерных реакторов. Кроме того, реакторные антинейтрино более энергичные по сравнению с гео-нейтрино, что позволяло отделить эти антинейтрино по величине сигнала от позитрона. Результаты анализа вкладов гео-нейтрино и реакторных антинейтрино в полное число зарегистрированных событий от e показаны на рис. 4. Количество зарегистрированных гео-нейтрино, даваемое этим анализом (на рис. 4 им соответствует затемнённая область), равно . В извлечённом в результате анализа спектре гео-нейтрино видны две группы – менее энергичная, более интенсивная и более энергичная, менее интенсивная. Эти группы авторы описываемого исследования связывают с распадами соответственно тория и урана.
В обсуждаемом анализе использовалось отношение масс тория и урана в веществе Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в таблице эта величина ≈3.8). Указанная цифра отражает относительное содержание этих химических элементов в хондритах – наиболее распространённой группе метеоритов (более 90% метеоритов, упавших на Землю, относятся к этой группе). Считается, что состав хондритов за исключением лёгких газов (водород и гелий) повторяет состав Солнечной системы и протопланетного диска, из которого образовалась Земля.

Рис. 4. Спектр светового выхода от позитронов в единицах числа фотоэлектронов для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино. Сплошная линия – вклад реакторных антинейтрино.