ЗА ЭНЕРГИЕЙ — ВГЛУБЬ ЗЕМЛИ

Большинство применяемых во всем мире энергоносителей (каменный уголь, газ, нефтепродукты, радиоактивные материалы и т.п.) относятся к категории невосполнимых. Особняком среди них стоят гидро- и ветровая энергетика. Их транспортирование к месту потребления сопряжено с экологической угрозой, а непосредственное использование приводит к загрязнению окружающей среды. Достаточно вспомнить аварии магистральных трубопроводов и танкеров, необходимость затопления ценных земельных угодий при образовании водохранилищ, а чего стоит катастрофа Чернобыльской АЭС!

Украина, как и большинство других стран мира, находится в значительной экономической зависимости от государств - поставщиков энергетических ресурсов. Ее можно существенно ослабить за счет привлечения нетрадиционных источников энергии. Имеется в виду геотермальная энергия. Ее безграничными запасами априори обладает любое государство. Неоспоримое же экономическое преимущество получат те из них, кто первыми освоят ее промышленную добычу.

Прогнозируемая температура земных недр на глубине 10 км составляет 300-350 градусов Цельсия. Однако в имеющихся сверхглубоких скважинах уже на глубине 5,5-6,5 км зарегистрированы температуры 230°-280°С. Так, в скважинах на юге штата Техас на этих глубинах температура превышает 260°С при среднем градиенте 4,6°С на 100 метров глубины. При сохранении этого градиента на глубине 12 км следует ожидать температуру выше 530°С. Вулканические термальные скважины (глубина залегания термической энергии в них невелика) уже дают промышленную энергию в США, Японии, Новой Зеландии и Исландии.

Промышленное использование геотермальной энергии невозможно без предварительного решения двух задач: разработки принципиально новых технических средств глубинного проникновения в недра и методов преобразования тепла в другие виды энергии с последующей их транспортировкой на поверхность Земли. Вторая из этих задач не содержит принципиальных затруднений и может быть решена на базе имеющегося научно-технического потенциала. На первой же следует остановиться особо.

При наличии даже самого современного бурильного оборудования проходка одной скважины глубиной 12-15 км, по экспертным оценкам, займет около 20 лет и потребует затрат более чем 100 млн. долларов. При этом потребуется коренным образом усовершенствовать методы и средства контактного бурения. Видно, что проникновение к термоактивным пластам земной коры с использованием традиционных механических методов бурения практически нереально.

Всесторонний анализ всех известных методов глубинного проникновения показывает, что наибольшей эффективностью обладают методы проплавления пород термобурами. Разработка технических средств для их осуществления началась в мире в 1960-е годы. Наибольшую эффективность среди них имеют автономные термобуры. В качестве термогенераторов для них предлагается использовать высокотемпературные малогабаритные ядерные реакторы.

В Украине выполнены предварительные исследования и получены исходные данные, необходимые для дальнейшей инженерно-конструкторской разработки автономного атомного бурильного снаряда (В.Ващенко «Очаги глубокофокусных землетрясений», Киев, Научная книга, 1995). Атомный термогенератор нагревает рабочий орган до температуры, превышающей температуру плавления окружающего массива, так что снаряд оказывается погруженным в расплав. Вертикальное перемещение снаряда осуществляется за счет силы тяжести и механического взаимодействия конструктивных элементов с расплавом. Показано, что расчетная скорость термобурения для реальных горных пород находится в интервале от одного до 10 метров в час. Она в десятки раз превосходит скорость проходки традиционными механическими методами. Предлагаемый метод не имеет альтернативы в мировой практике.

Внедрение термических методов глубинного бурения сдерживается из-за отсутствия материалов, обеспечивающих необходимую терморадиоактивную стойкость и механическую прочность оболочки и корпусных деталей термозонда. Эта задача может быть решена на основе недавно предложенных физических методов управления процессами структурообразования, деформирования и разрушения (А.Комаровский «Управление напряженно-деформированным состоянием материалов и конструкций», Киев, Випол, 1996). Создавая регулируемые магнитные, электрические и тепловые поля в головной части термобура, удается, с одной стороны, интенсифицировать процессы расплавления породы, увеличивая тем самым скорость его движения. С другой - изменяя их параметры и ориентацию, можно управлять процессами затвердевания расплава в хвостовой его части. При этом стенка скважины, формирующаяся из остывающего расплава, будет иметь плотную самоупрочняющуюся анизотропную структуру, покрытую водонепроницаемым стекловидным слоем.

Но это, пожалуй, не самое главное. Главное же состоит в том, что специальным образом сформированная пространственная конфигурация постоянных или медленно изменяющихся магнитных, электрических и тепловых полей повышает термическую стойкость и механическую прочность конструкционных материалов, создавая тем самым необходимые условия для надежного функционирования всего агрегата.

Термоустойчивые многофункциональные механизмы могут использоваться не только при создании промышленных геотермальных систем. Они найдут применение в металлургии, космической технике, атомной энергетике, разведке полезных ископаемых и других отраслях. С их помощью можно получать принципиально новую научную информацию о сверхглубинных недрах, недоступных для традиционных контактных методов бурения.

Министерство энергетики США на базе Лос-Аламосской национальной лаборатории уже начало осуществлять проект по использованию геотермальной энергии в районе недействующего вулкана на севере штата Нью-Мексико. В Украине для этих целей могут найти применение отработанные шахты. В них будут размещаться установки по перекачке теплоносителей из термоактивных слоев и механизмы по преобразованию тепловой энергии в электрическую. Это сократит расходы на бурение и решит проблему утилизации отработанных шахт.