DE1277171B - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen und/oder chemonuklearen Behandlung von Stoffen unter Tage - Google Patents

Description

• Vorrichtung und Verfahren zur thermischen und/ oder chemonuklearen Behandlung von Stoffen unter Tage Zusatz zum Patent; 1240 O1.4 Das Patent 1.240 014 hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gegenstand, die eine thermische und/oder chemonukleare Behandlung von Stoffen unter Tage bezwecken. Neben Verfahren und Vorrichtungen, mit denen getrennt eine thermische oder eine strahlenchemische Behandlung durchgeführt werden kann, sind auch solche beschrieben, bei denen die therwische und die strahlenchemische Behandlung gleichzeitig im Kernreaktor ausgeübt wird. Der Kernbrennstoff oder Spaltstoff kann die Foren von Kugeln, Fäden, Röhrchen besitzen und als solcher oder versehen reit einer Umhüllung aus Glas, rostfreiem Stahl oder anderen geeigneten Stoffen, verwendet werden.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die in besonderer Weise geeignet ist, eine thermische und/oder strahlenchemische Behandlung von Stoffen unter Tage zu ermöglichen.
• Die thermische Einwirkung kann zunächst darin bestehen, daß Stoffe auf eine gewünschte höhere Temperatur gebracht werden. So kann Erdöl unter Tage erwärmt werden, um seine Viskosität herabzusetzen, oder es kann, ebenso wie auch Bitumen, auf so hohe Temperaturen erhitzt werden, daß Verdampfung bzw. Entgasung oder nach Zusatz geeigneter Mittel eine Vergasung eintritt. Es können auch andere Stoffe, wie Luft, Wasser u. dgl. von über Tage der Reaktorvorrichtung zugeleitet werden, wo sie lediglich Wärmeenergie aufnehmen, um dann, wieder über Tage als Wärmeträger, z. B. Wasserdampf, Verwendung zu finden, Die chemonukleare Einwirkung äußert sich in bekannter Weise in der Einleitung und. Durchführung chemischer Reaktionen, und es ist deshalb besonders vorteilhaft, dies unter Tage zu tun, weil dann die Schutzvorrichtungen entfallen können, die bei Betrieb eines Reaktors über Tage unbedingt erforderlich sind. Und schließlich können auch beide Behandlungsarten, die thermische und die chemonukleare, gleichzeitig zur Einwirkung kommen.
• Entsprechend der Erfindung, fußend auf Patent 1240 014, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Brennkammer mit Spaltstoffkörpern verschiedenen Gewichtes und verschiedener Raumform ohne oder mit Umhüllung aus Metallen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten beschickt ist, die mit einem mit explodierbaren Stoffen gefüllten Gasraum und weiterhin mit Steig- und Fallrohren in Verbindung steht zur Kreislaufbewegung unter Thermosyphonwirkung des Moderatormediums, zusammen mit leichten Spaltstoffkörpern zwecks übertragung von thermischer und Strahlungsenergie auf die zu behandelnden Stoffe. Die ring- oder ellipsenförmigen Spaltstoffelemente sollen erfindungsgemäß in eine Umhüllung aus zwei Metallen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten eingebettet und zu zylinderförmigen Körpern oder Knäueln zusammengesteckt werden, oder sie sollen vors einer Umhüllung aus einem einheitlichen Material umgeben sein.
• Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Der in einer Bohrung unter Tage installierte Reaktor 1 ist mit dem Wärmetauscher 3 verbunden, in welchem eine durch Leitung 2 zugeführte Flüssigkeit, beispielsweise Erdöl, erwärmt wird und den Wärmetauscher durch die Leiturig 4 verläßt. Das im Reaktor 1 durch die gesteuerten Kettenreaktionen erwärmte Moderator- bzw. Kühlmedium steigt durch Leitung S bis zum Kopf des Wärmetauschers 3 auf. 1m Reaktorraum befinden sich Spaltstoffkörper von, verschiedenem Gewicht, leichte, die mit dem Moderator- bzw. Kühlmittel im Kreislauf mitgenommen werden, und schwere, die zwar im Gewicht erleichtert sind, nicht aber in dem Kreislauf mitgeführt werden, Unter Abgabe von Wärme und Strahlungsquanten durchfließen die leichten Spaltstoffkörper den Wärmetauscher 3, gelangen in die Kaiarmer 8, wo sie unter gleichzeitiger Kühlung des Raumes 9 Wärme aufnehmen und fließen durch Leitung 7 über den Sumpf 16 wieder in die Reaktorkammer 1 zurück. Der Kreislauf beruht auf Thermosyphonwirkung. Die mitgeführten leichten Spaltstoffelemente 12 bewirken zusätzlich durch Abgabe von beträchtlichen Spaltenergiewerten im Wärmetaus eher chemonukleare Reaktionen. Es ist vorgesehen, einen Teil der leichten Spaltstofkörper zwecks Aktivierung gegebenenfalls nicht direkt in den Reaktorraum zurückzuführen; dies wird durch Leitung 18 ermöglicht. Man kann durch Einbau eines Siebes 19 ihren Eintritt in den Reaktorraum aus Leitung 7 ganz verhindern.
• Die schweren Spaltstofkörper 13 sind so dimensioniert, daß sie bei normaler Umlaufgeschwindigkeit des im Kreislauf geführten Kühlmediums von diesem in der Reaktorkammer stark im Gewicht erleichtert werden.
• Die Gewichtserleichterung ist durch den Auftrieb und durch die Strömungskräfte bedingt. Beispielsweise kann ein Spaltstoffkörper von 125 g Gewicht einen Auftrieb von 13,5 g erfahren. Dazu kommen die Reibungs- und Umlenkungskräfte des fließenden Kühlmittels von 98 g (zusammen 111,5 g), so daß sich eine nach unten gerichtete Gewichtskomponente von (125-111,5) = 13,5 g ergibt. Die Folge ist, daß die Spaltkörper während der Reaktortätigkeit ruhig liegen; sie können bis zur Höhe des Siebes 11 gestapelt werden.
• Hat z. B. das Kühlmedium eine Fließgeschwindigkeit von - 1 m/sec- und beträgt der Querschnitt des Sumpfes 16 1/5 des Brennkammerquerschnittes, dann fließt das Kühlmittel im Sumpf mit 5 m/sec. Die Reibungskräfte, soweit sie .aus laminarer Strömung kommen, vergrößern, sich auf das Fünffache; die aus turbulenter Strömung auf den Spaltstoffkörper wirkenden Kräfte wachsen mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, so daß im Mittel eine 10mal größere Kraft auf den Spaltstoffkörper ausgeübt wird. Damit schweben sie mit 980 g -13,5 g = 966,5 g Schub in die Brennkammer ein. Diese Kraft reicht aus, alle Körper in der Kammer zu halten; der Reaktor bleibt kritisch.
• Wenn infolge fehlender oder nur geringer Wärmeabgabe im Wärmetauscher 3 die Umlaufgeschwindigkeit im Kreislauf zwischen Reaktor, Wärmetauscher und zurück absinkt, lagert sich ein Teil der schweren Spaltstoffelemente13 im Sumpf 16 unter der Reaktorkammer ab und die Kettenreaktionen in dieser kommen zum Erliegen. Erst wenn wieder durch eine größere Wärmeabgabe im Wärmetauscher die Temperatur in der Falleitung 7@sinkt; steigt die Umlaufgeschwindigkeit des Mediums, die abgesunkenen Spaltstoffelemente 13 werden wieder aus dem Sumpf in die Reaktorkammer aufwärts getragen und die Spaltreaktion springt wieder an. Die Rückführung des Mediums durch den Sumpf des Reaktors bedingt weiterhin den Vorteil, daß die Regelvorrichtung gemäß Patent 1240 014, bestehend aus einem Bourdonrohr 15 und Regelstab 14, in den Strom des im Kreislauf geführten Moderator- und Kühlmediums zu liegen kommt und die regelnde Wirkung des Stabes 14 beim An- und Abstellen des Reaktors sich sehr frühzeitig einstellen kann.
• Zur Steuerung der Kernreaktion in Abhängigkeit von der Reaktortemperatur wird weiterhin erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Spaltstoff eine besondere Form zugeben.
• Wichtig ist, daß die Konzentration der Spaltstoffkörper im Reaktorraum, d.- h. die Menge des Spalt-Stoffes je Liter Reaktorraum, einen optimalen Wert von 75 bis 350 g Spalts töf erhält. Von nicht minderer Bedeutung ist es, bei der gegebenen Konzentration ihn so zu gestalten, daß er dem Kühlmedium günstigste Kontaktmöglichkeiten bietet.
• Es wird daher vorgeschlagen, den Spaltstoff mit einer Umhüllung zu versehen, die aus zwei verschiedenen Metallen, z. B. Aluminium und Stahl, besteht. Man verschweißt Bänder aus solchen Metallen, von einer Dicke von 0,30 bis 1,5 mm, einer Breite von 10 bis 20 mm und variabler Länge, an den Rändern und erhält so eine Hülle, in die man den Spaltstoff als Band oder als Pulver von einer Stärke von 0,2 bis 3 mm einführen kann.
• In F i g. 2 sind verschiedene Ausführungsformen der Spaltstoffkörper dargestellt; der Spaltstoff selbst ist durch eine Vielzahl von Punkten gekennzeichnet, gestrichelte und durchgezogene Linien an einem Spalt-Stoffkörper sollen zum Ausdruck bringen, daß die Verkleidung aus zwei verschiedenen Metallen besteht. Nach F i g. 2, a kann der bimetallumhüllte Spaltstoffkörper oval, rechteckig, F i g. 2, b, oder kreisförmig, F i g. 2, c, sein. Die in solcher Art hergestellten Bänder werden kreisförmig mit einem Durchmesser von 20 bis 100 mm, F i g. 2, d, oder elliptisch gebogen und sind an den Enden offen. Die offenen Ringe wieder kann man aufeinanderlegen, so daß sie Zylinder, F i g. 2, e, (0 = 20 bis 100 mm) bilden, die durch Abstandshalter, F i g. 2,f, mit einer Länge von 5 bis 10 mm räundich voneinander getrennt gehalten werden, oder man kann sie regellos, gewissermaßen nach Art eines Wollknäuels, übereinanderstecken, F i g. 2, g.
• Nach dem gleichen Vorschlag der Erfindung kann der Spaltstoff ebenso auf der Außenseite von zu einem Bimetallstreifen verschweißten Bändern aus verschiedenen Metallen aufgebracht sein. Die äußere Form der in dieser Weise hergestellten Körper gleicht den oben nach F i g. 2, a bis g beschriebenen Ausführungen.
• Die Bimetallumhüllung bzw. der Bimetallkern der Spaltstoffkörper vergrößert oder verkleinert bei Temperaturänderungen durch ungleiche Ausdehnung die Abstände der Körper voneinander und bewirkt so eine zusätzliche Regelung der Kernreaktion.
• Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Spaltstoff mit einer Hülle aus nur einem Metall umgeben sein. Die in gleicher Weise hergestellten Bänder sind dann an ihren Enden verschweißt, rund oder elliptisch gebogen, F i g. 2, h, und etwa wie F i g. 2, g übereinandergesteckt.
• Schließlich ist es auch möglich, den Spaltstoff als solchen ohne jede Hülle in Form eines runden Fadens oder eines Bandes nach Art der F i g. 2, g bzw. 2, h zu wickeln.
• Da: plötzlich Verdampfungsstöße im Reaktor auftreten können, wird vorgeschlagen, einen Pufferraum 9 am Kopf der Reaktorkammer 1 zu bilden, um diese Stöße aufzufangen. Nach der Reaktorkammer zu ist der Pufferraum durch den Rost 11 abgeschlossen. Das Steigerohr 5, durch das das Moderatormedium zum Wärmetauscher 3 aufsteigt, reicht mit dem Rohrende 17 bis in die Reaktorkammer 1, so daß die gasförmigen Zersetzungsprodukte des Moderator- oder Kühlmediums sich im Pufferraum 9 sammeln können. Dieser ist mit Sauerstoff aufnehmenden Verbindungen, z. B. Kupferspänen, gefüllt, die das angesammelte Gas von Sauerstoff auch bei tieferen Temperaturen frei machen.
• überschüssige Zerfallgase, wie 14 und 02, die in den Kreislauf des Kühlmittels gelangen, werden an der höchsten Stelle der Umlaufbahn bei 6 laufend mit Platinkatalysatoren zu H20 verbrannt. Um am kritischen Zustand leichter anfahren zu können, gibt man dem durch den Reaktorkern fließenden Kühlmittel geringe Mengen einer Uransalzlösung mit etwa 3 bis 10 g Uran pro Liter zu.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur thermischen und chemonuklearen Behandlung von Stoffen unter Tage, bestehend aus einer mit Spaltstoffen beschickten und mit einer automatischen Regelvorrichtung versehenen Brennkammer und aus einem damit verbundenem Wärmeaustauscher, der auch als Chemiereaktor dient nach Patent 1240 014, dadurch gekennzeichnet, daßdieBrennkammer mit Spaltstoffkörpern verschiedenen Gewichtes und verschiedener Raumform ohne oder mit Umhüllung aus Metallen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten beschickt ist, die mit einem mit oxydierbaren Stoffen gefüllten Gasraum und weiterhin mit Steig- und Fallrohren in Verbindung steht zur Kreislaufbewegung unter Thermosyphonwirkung des Moderatormediums, zusammen mit leichten Spaltstoffkörpern zwecks übertragung von thermischer und Strahlungsenergie auf die zu behandelnden Stoffe.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ring- oder ellipsenförmigen Spaltstoffelemente in eine Umhüllung aus zwei Metallen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten eingebettet werden und daß diese zu zylinderförmigen Körpern oder zu Knäueln zusammengesteckt werden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffelemente von einer Umhüllung aus einem einheitlichen Material umgeben sind.
4. 4. Verfahren zur Anwendung einer Vorrichtung zur thermischen und chemonuklearen Behandlung von Stoffen unter Tage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in einen Reaktor Spaltstoffkörper verschiedenen Gewichtes und verschiedener Raumform oder Spaltstoffanteile in gelöster Form einbringt und die Kernreaktion in Gang setzt, mit den schweren Spaltstoffkörpern die Kernreaktion aufrechterhält und die erzeugte Strahlung mit Hilfe der leichten, im Kreislauf geführten Brennstoffkörper oder der gelösten Spaltstoffanteile an die zu behandelnden Stoffe in einem Austauscher überträgt.
5. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 843 091; USA.-Patentschriften Nr. 2 943 986, 2 947 676, 2 947 080; »Atomenergie«,
6. 6. Jahrgang (1961), Heft 11, S.425 bis 433; »Die Atomwirtschaft«, Mai 1961, S. 261 bis 265.