DE1277171B

DE1277171B - Device and method for the thermal and / or chemonuclear treatment of substances underground

Info

Publication number: DE1277171B
Application number: DED42480A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Lange
Original assignee: Deutsche Erdoel AG
Current assignee: Wintershall Dea International AG
Priority date: 1963-09-14
Filing date: 1963-09-14
Publication date: 1968-09-12

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.Device and method for thermal and / or chemonuclear Treatment of substances underground Addition to the patent; 1240 O1.4 The patent 1,240 The subject of 014 is a method and a device that have a thermal and / or aim at chemonuclear treatment of substances underground. In addition to processes and devices, with which a thermal or a radiation chemical treatment is carried out separately can also be described in which the thermal and the radiochemical Treatment is carried out simultaneously in the nuclear reactor. The nuclear fuel or fissile material can own the forums of balls, threads, tubes and as such or provided with a cover made of glass, stainless steel or other suitable materials, be used.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die in besonderer Weise geeignet ist, eine thermische und/oder strahlenchemische Behandlung von Stoffen unter Tage zu ermöglichen.The invention is a device in a special way a thermal and / or radiation-chemical treatment of substances is suitable to enable underground.

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.The thermal effect can initially consist of substances be brought to a desired higher temperature. This is how oil can work underground heated to lower its viscosity, or it can, as well as Bitumen, heated to such high temperatures that evaporation or degassing or gasification occurs after the addition of suitable agents. Others can too Substances such as air, water and the like fed to the reactor device from above ground where they only absorb thermal energy, and then, again above ground, as a heat transfer medium, z. B. water vapor to find use, the chemonuclear effect is expressed in a familiar way in the introduction and. Performing chemical reactions, and it is therefore particularly advantageous to do this underground, because then the protective devices can be omitted, which is absolutely necessary when operating a reactor above ground are. And finally, both types of treatment, thermal and chemonuclear, come into play at the same time.

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.According to the invention, based on patent 1240 014, a Device proposed in which the combustion chamber with different fissile material bodies Weight and different spatial shape with or without a cover made of metals with different The coefficient of expansion is charged with a material that can explode filled gas space and continues to be connected to riser and downpipes Circulatory movement under the thermosyphon effect of the moderator medium, together with light Fissile material bodies for the purpose of transferring thermal and radiant energy to the substances to be treated. The ring- or elliptical-shaped fissile material elements should according to the invention in a casing made of two metals with different expansion coefficients embedded and put together to form cylindrical bodies or balls, or they should be surrounded by a covering made of a uniform material.

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.A device according to the invention is shown in FIG. 1 shown. The reactor 1 installed in a borehole underground is with the heat exchanger 3 connected, in which a liquid supplied through line 2, for example Petroleum, is heated and leaves the heat exchanger through the duct 4. That in the reactor 1 moderator or cooling medium heated by the controlled chain reactions increases through line S up to the head of the heat exchanger 3. 1m reactor room is located Fissile material bodies of, different weight, light, which with the moderator resp. Coolants are entrained in the circuit, and heavy, although they are lightened in weight are, but are not carried in the circuit, giving off heat and Radiation quanta flow through the light fissile material bodies through the heat exchanger 3, get into the Kaiarmer 8, where they heat with simultaneous cooling of the room 9 absorb and flow through line 7 via the sump 16 back into the reactor chamber 1 back. The circuit is based on the thermosiphon effect. The light ones carried along Fissile material elements 12 have an additional effect by submitting considerable Fissure energy values in the heat exchange tend to be chemonuclear reactions. It is intended some of the light fissile material bodies may not be used for the purpose of activation returned directly to the reactor room; this is made possible by line 18. You can by installing a sieve 19 their entry into the reactor space from line 7 prevent it entirely.

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.The heavy Faltstoffkörper 13 are dimensioned so that they at normal circulation speed of the circulating cooling medium from this are greatly lightened in weight in the reactor chamber.

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.The weight reduction is due to the buoyancy and the flow forces. For example, a body of fissile material weighing 125 g can experience a buoyancy of 13.5 g. Added to this are the friction and deflection forces of the flowing coolant of 98 g (together 111.5 g), so that a downward weight component of (125-111.5) = 13.5 g results. The result is that the gap bodies lie quietly during the reactor activity; they can be stacked up to the height of the sieve 11.

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.Has z. B. the cooling medium has a flow velocity of - 1 m / sec- and the cross section of the sump 16 is 1/5 of the combustion chamber cross section, then the coolant flows in the sump at 5 m / sec. The frictional forces, as far as they .aus laminar flow come, enlarge, fivefold; those from turbulent Forces acting on the fissile material body increase with the square of the velocity, so that on average a force 10 times greater is exerted on the fissile material body. They float into the combustion chamber with 980 g -13.5 g = 966.5 g thrust. These Strength is enough to keep all bodies in the chamber; the reactor remains critical.

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.If the circulation speed in the circuit between the reactor, heat exchanger and back drops due to a lack of or only little heat release in the heat exchanger 3, some of the heavy fissile material elements13 are deposited in the sump 16 under the reactor chamber and the chain reactions in this come to a standstill. Only when the temperature in the downcomer 7 @ drops again due to a greater heat dissipation in the heat exchanger; the circulation speed of the medium increases, the sunk fissile material elements 13 are carried upwards again from the sump into the reactor chamber and the fission reaction starts up again. The return of the medium through the sump of the reactor also has the advantage that the control device according to patent 1240 014, consisting of a Bourdon tube 15 and control rod 14, comes to lie in the flow of the circulating moderator and cooling medium and the regulating effect of the Rod 14 can be set very early when turning the reactor on and off.

Zur Steuerung der Kernreaktion in Abhängigkeit von der Reaktortemperatur wird weiterhin erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Spaltstoff eine besondere Form zugeben.To control the nuclear reaction as a function of the reactor temperature is further proposed according to the invention, the fissile material a special shape admit.

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.It is important that the concentration of the fissile material in the reactor i.e. the amount of fission material per liter of reactor space, an optimal value of Gives 75 to 350 g of split pot. It is no less important in the case of the given Concentration to make it so that it has the most favorable contact options for the cooling medium offers.

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.It is therefore proposed that the fissile material be wrapped provided, which are made of two different metals, e.g. B. aluminum and steel. Strips made of such metals, with a thickness of 0.30 to 1.5 mm, are welded a width of 10 to 20 mm and variable length, on the edges and thus receives a sheath into which the fissile material is put as a tape or as a powder of a thickness from 0.2 to 3 mm.

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.In Fig. 2 are different embodiments of the fissile material body shown; the fissile material itself is characterized by a large number of points, dashed and solid lines on a split fabric body are intended to express bring that the cladding is made of two different metals. According to FIG. 2, a, the bimetallic clad fissile material body can be oval, rectangular, FIG. 2, b, or circular, FIG. 2, c, be. The tapes made in this way become circular with a diameter of 20 to 100 mm, F i g. 2, d, or elliptically curved and are open at the ends. You can put the open rings on top of each other again, like this that they cylinder, F i g. 2, e, (0 = 20 to 100 mm) formed by spacers, F i g. 2, f, with a length of 5 to 10 mm kept spatially separated from each other or they can be stuck on top of each other randomly, as it were like a ball of wool, 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.According to the same proposal of the invention, the fissile material can also on the outside of bands made of different, welded to form a bimetal strip Metals. The external shape of the body produced in this way is similar to the above in FIG. 2, a to g.

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.The bimetallic casing or the bimetallic core of the fissile material body is enlarged or reduces the distances in the event of temperature changes due to unequal expansion the body from each other and thus causes an additional regulation of the nuclear reaction.

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.According to a further embodiment, the fissile material with a Sheath can be surrounded by only one metal. The tapes made in the same way are then welded at their ends, curved round or elliptically, F i g. 2, h, and something like F i g. 2, g stacked one on top of the other.

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.Finally it is also possible to use the fissile material as such without any Sheath in the form of a round thread or a tape of the type shown in FIG. 2, g resp. 2, h to wrap.

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.Since: sudden bursts of vaporization can occur in the reactor proposed to form a buffer space 9 at the head of the reactor chamber 1 to this To absorb shocks. After the reactor chamber is the buffer space through the grate 11 closed. The riser pipe 5 through which the moderator medium to the heat exchanger 3 rises, extends with the pipe end 17 into the reactor chamber 1, so that the gaseous Decomposition products of the moderator or cooling medium collect in the buffer space 9 can. This is with oxygen-absorbing compounds such. B. copper shavings, filled that the accumulated gas of oxygen even at lower temperatures make free.

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.excess decomposition gases, such as 14 and 02, which enter the circuit of the Coolant will get on the highest point in the orbit at 6 continuously burned to H20 with platinum catalysts. To at critical condition To be able to start up easier, one gives the coolant flowing through the reactor core small amounts of a uranium salt solution with about 3 to 10 g uranium per liter.

Claims

Claims: 1. Device for thermal and chemonuclear Treatment of materials underground, consisting of one loaded with fissile materials and a combustion chamber provided with an automatic control device and from a associated heat exchanger, which also serves as a chemical reactor according to the patent 1240 014, characterized in that the combustion chamber is provided with different fissile material bodies Weight and different spatial shape with or without a cover made of metals with different Coefficient of expansion is charged with a filled with oxidizable substances Gas space and furthermore with ascending and descending pipes is connected to the circulatory movement under the thermosyphon effect of the moderator medium, together with light fissile material bodies for the purpose of transferring thermal and radiant energy to the treated Fabrics.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the ring or elliptical elements in a cladding made of two metals with different Expansion coefficients are embedded and that these to cylindrical bodies or put together to form balls.

3. Apparatus according to claim 2, characterized characterized in that the elements of a cladding material consist of a single unit Material are surrounded.

4. Method of using a device for thermal and chemonuclear treatment of substances underground according to claim 1, characterized in, that one in a reactor fissile material bodies of different weights and different Brings spatial shape or fissile material fractions in dissolved form and the nuclear reaction sets in motion, with the heavy fissile material bodies maintaining the nuclear reaction and the generated radiation with the aid of the light, circulated fuel bodies or the dissolved fissile materials in the materials to be treated in an exchanger transmits.

References considered: British Patent No. 843 091; U.S. Patent Nos. 2,943,986, 2,947,676, 2,947,080; »Atomic energy«,

6th Year (1961), issue 11, pages 425 to 433; "Die Atomwirtschaft", May 1961, p. 261 to 265.