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Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten Wärme- und Strahlungebehandlung
von Bitumina oder anderen Stoffen mit Hilfe von Reaktoren in Bohrungen
Das
Patent (Patentanmeldung Sch 31 216) hat ein Verfahren und Vorrichtungen zur
Behan lung von Bitumina in untertägigen Lagerstätten zum Gegenstand, bei dem eine
Kombination von Leistungsreaktor und Strahlungsreaktor Anwendung findet. Die Wärmeenergie
wird auf das zu behandelnde Medium in einem Wärmeaustauscher übertragenp der mit
dem Reaktor in Verbindung steht. Die Strahlungseinwirkung erfolgt im Reaktorbereich
aus der Strahlung des Reaktorbrennstoffea oder auch an anderen begrenzten Stellen
der Bohrung mit Hilfe von Zerfallprodukten des Reaktorbrennstoffesq von im Reaktor
gebildeten Isotopen oder durch andere, von über Tage eingebrachten'Strahlungequellen.
Variationen in der Einwirkung der Bestrablungsenergie werden durchgefUhrt durch
Änderung der Bestrablungsstärke und -dauer. Hierzu vorgeschlagene Mögliebkeiten
betreffen die Auswahl und Gestaltung der Fließwege im Reaktor, die Änderung der
Fließgeschwindigkeit, der Kontaktfläche oder'des Behandlungsraumes.
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Zur kombinierten Behandlung von Bitumina, insbesondere von Erdölprodukten.,
Kohlenwasserstoffen oder ähnlichen Stoffen, gegebenenfalls auch artfremden Stoffen
mit Wärme-und Strahlungsenergie in Bohrungen werden ergänzend weitere Vorrichtungen
und auf diese abgestimmte Verfahren vorgeschlagen. Sie betreffen im wesentlichen:
1. Die Anordnung des Reaktors in einem Rohrabschnitt der äußeren Verrohrung
oder aber die Anordnung.des Reaktors zusammen mit einem Reflektor in einem getrennten
Rohr mit kleinerem Außendurcbmesser als der innere Durchmesser der äußeren Verrohrungg
das zur ]Pixierung in der äußeren Verrobriing mit einer Absetzvorrichtung versehen
ist. Dieses Rohr ist oberhalb des Reaktors mit einem Verschluß nach Art
von
Fackern für Mehrzonenförderung versehen. Die äußere Rohr-. tour ist bei einer Blindbohrung
nach unten verschlossen, bei einer Behandlungs-- oder Förderbohrung Uber einen perforierten
Liner nach der Lagerstätte zu offen.
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2. Die Anordnung eines Behandlungsraumes zwischen Reaktorbrennkammer
und Reflektor. Dieser Raum kann als Reflektor mit geringer Neutronendurchläseigkeit
angesehen werden.
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3. Die Verwendung des gesamten Bohrungsraumes von der Bohrlochsohle
bis zum Bohrlochverschluß als Behandlungsraum für die Einwirkung der Wärme- und
Strahlungsenergie.
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4. Die Verwendung von Fall- und Steigeleitungen als Wärmeaustauscher
des Reaktors und als Träger von Strahlungsenergie. Diese Leitungen verlaufen innerhalb
der Verrohrung Uber die ganze Länge der Bohrung, wobei als-eine Steigeleitung auch
die äußere Verrohrung (Caeing) dienen kann, die dann eine geeignete Wärmeisolierung
gegen Wärmeverluste erhält.
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5. Die Verbindung der Fall- und Steigeleitungen untereinander
im oberen Teil der Bobrung zur Erzielung eines Kreislaufes unter Thermosyphonwirkung.
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6. Die weitere Verbindung der Fall- und Steigeleitungen oberhalb
der ersten Verbindung zu einem erweiterten äußeren Kreislauf, wobei eine Pumpe zwischen
geschaltet und ein Injektor in 'der Falleitung angeordnet wird, der den ersten Kreislauf
verstärkt.
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7. Die Anordnung von SpUrohren auf der äußeren Verrohrung bei
Bohrungen mit großem Durchmesser (bis Uber 400 cm) zursicheren Zementierung und
zur Einbringung einer thixotropen Flüssigkeit als Reflektionamedium in eine vorbereitete
Erweiterung der Bohrung in Höhe des-Reaktors.
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Mit-dieaen Vorrichtungen ist es möglich, die Wirkung der Wärme-und
Strahlungsenergie eines leistungereaktors durch Änderung der Betriebebedingungen
in verschiedener Weise abzuwandeln und auch mehrere Stoffe gleichzeitig in zwei
getrennten Systemen unter verschiedenen Bedingungen zu behandeln. Bei dem einen
System, das als primäres System bezeichnet werden soll, durchfliee
das
zu behandelnde Medium als Moderator und KÜhlmittel die Reaktorbrennkammer. Bei dem
zweiten, dem sekundären System wird das Medium um den Reaktorkern geleitet; es kann
vorzugsweise den Reflektor und/oder einen Behandlungsraum derzwischen Reaktorbrennkammer
und Reflektor angeordnet ist, durchfließen. Um nun die Wirkung der Wärme- und Strahlungsenergie
aus einem Reaktor in einer Bohrung zu verstärken, sind die Reaktorbrennkammer, der
Reflektorralim und der Behandlungsraum mit Fall-und Steigeleitungen verbunden, mit
denen die beiden Systeme zu Kreialaufverfahren erweitert werden können.
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In einem primären Kreislaufsystem werden als Moderator geeignete Medien,
wie Wasser, wäserige Lösungen oder organische FlUssigkeiten mit der Falleitung vom
Kopf der Bohrung durch die Reaktor-Brennkammer und mit der Steigeleitung wieder
bis zum Kopf der Bohrung nach oben geleitet. In der Nähe des Bohrungskopfes sind
die beiden Leitungen miteinander verbunden. Infolge der Erwärmung in der Brennkammer
steigt das Medium in der Steigeleitung nach oben und durch Thermosyphonwirkung zirkuliert
es durch den Reaktor über die Fall- und Steigeleitung im Kreislauf. Auf dem Wege
durch die Leitungen gibt es die aufgenommene Wärme an die Umgebung ab, so daß diese
Leitungen die Funktion eines Wärmeaustauschers übernehmen. Werden dem Hoderatormedium
feinste Spaltetoffteile und/oder Stoffe beigemischt, die im Reaktor oder seinem
Strablungsbereich Iaotope bilden, so geben diese im gesamten Krei alauf Strahlungsenergie
ab, die in den Rohrleitungen auf das Moderatormedium, aber auch außerhalb derselben
auf die Umgebung einwirkt. Beispielsweise können als Moderatormedium flUssige Kohlenwasserstoffe
verwendet werden, denen eine nicht darin lösliche wäserige Ku pfersulfatlösung beigemischt
wird. Die Atomkerne der Kupfer- und Schwefel-Ionen können durch Neutronen--r einwirkung
im Reaktor kurzlebige Iaotope bilden, deren Strahlung auf den Moderator und die
Umgebung bei der Zirkulation einwirkt. Um einen schädlichen Einfluß dieser Strahlung
abgebenden Stoffe auf den Reaktorkern bei großer Anhäufung zu vermeiden, wird in
der Falleitung des primären Kreislaufes ein Abscheider und eine Leitung vorgesehen,
die im Kopf der Brennkammer einmündet, während
die Falleitung selbst
am Boden der Brennkammer eintritt. Es wird damit verhindert9 daß diese Strahlungamedien
den den Spaltetoff enthaltenden Reaktorkern durchströmen, indem sie nur durch den
Kopf der Reaktorbrennkammer geleitet werden und dort der Strahlung ausgesetzt sind,
ohne selbst Einfluß auf die Spaltreaktion im Reaktorkern auszuüben.
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Bei einem sekundären Kreialaufsystem wird Reflektorflüssigkeit,
| beeis ielsweise flüssi e Kohl nwaso roto ffe vojp Kopf der
Bohrung |
| ure l |
| ge e eder auf1 s |
| s ssiung |
| d# wärts geführt. |
| eG#t. |
| to K# #u:ce'#eln#e |
| eiglMe |
| firK#wer auMw |
| n fass t |
Diese Fall- und Steigeleitungen sind.in der Nähe des Bohrlochkopfes ebenfalls miteinander
verbundeng so daß sich auch hier ein Kreislauf durch Thermosyphonwirkung ausbilden
kann. Wenn streckenweise auf den Steigeleitungen beider Kreisläufe eine Wärmeisolierung
angebracht wirdt läßt sich die Wirkung noch verstärken.
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Als Steigeleitung kann auch die äußere Verrohrung (Caeing)
der Bohrung dienen, wobei durch den großen Raum dieser Steigeleitung die Einwirkungszeit
erheblich gesteigert wird.
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Zur-Veratärkung der auf Thermoayphonwirkung basierenden Kreisläufe
können in den Leitungen Umwälzpumpen angeordnet werden, mit deren Hilfe durch mehrfachen
Umlauf bei gleichzeitiger ZufÜhrung und Ableitung des zu bebandelr£bn Mediums die
Einwitaing der Strahlenenergie verschieden stark d-osiert werden kann. Werden den
zirkulierenden Kreislaufmedien noch Reaktionspartner und/oder Ntalyaatoren bekannter
Art zugemischti so sind damit weitere Mög-
lichkeiten zu chemischen Prozessen-und
die Gewinnung bestimmter Produkte gegeben.
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Eine weitere Beeinflußung des Reaktionsablaufes kann durch Einstellung
bebtimmter Temperaturen erreicht werden. So kann beispielsweise der Reaktor durch
Zugabe kleinerer oder größerier Wassermengen als Moderator zu einer veränderten
Leistung und zu höherer und niederer Temperatur- gebracht werden. Durch bekannte'
Einrichtungen zur Druckeinstellung kann der Siedepunkt des Wassers
verändert
werden. Eine Druokregelung läßt sich weiterhin durchführen, indem in den Austrittaöffni2ngen
nach der Behandlung im Reaktor verschleißfeste DUsen mit errechnetem Durchmesser
eingebaut werden. Während im primären Kreislauf in erster Linie eine Beeinflußung
durch Druckänderung erfolgen kann, ist es im aekundären Kreislauf vorteilhaft, die
Temperaturen durch Zugabe von Stoffen, die nicht Reaktionspartner eindg zu beeinflußen.
So lassen sich Mischungen mit unterschiedlicher oder konstanter Siedetemperatur,
entsprechend ihren Partialdrücken herstellen. Mischungen von Wasser und Kohlenwasserstoff-Fraktionen
mit ausgewähltem Siedebeginn und Siedeende ergeben die Möglichkeit, die Temperatur
im Reaktor in einem noch größeren Siedebereich auf einen festen Diedepunkt einzustellen.
Ist zur Steigerung der Strahleneinwirkung auf die Flüssigkeiten in den Kreisläufen
die Bildung von Iaotopen mittels Durchfluß durch den Reaktorkern oder durch Einleiten
in den oberen Teil der Reaktorbrennkammer vorgesehen, so werden diese strahlenden
Stoffe im Kreislauf durch die Steige- und Falleitungen gefübrt. Aus Sioherheitegründen
wird für jeden Kreislauf ein innerer Kreislauf vorgesehen, wobei ein Injektor, unterstützt
durch einen Abscheider, die Iaotopen mit Kreialaufmedium von der Steigeleitung zur
Falleitung unterhalb des äußeren Kreialaufes saugt.
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Ein zur Wärme- und Strahlenbehandlung in einer Bohrung abgesetz-
| ter Reaktor kann in verschiedener Weise in Funktion gesetzt
welä- |
| den. Bei einer Förder treten Flüssigkeiten und Gase |
aus einer untertägigen Lagerstätte in die Bohrung ein, werden behandelt und treten
am Kopf der Bobrung aus. Bei dieser Axbeiteweise ist eine Falleitung nicht erforderlich.
Wenn zu einer intensiveren oder speziellen Behandlung das Fördergut im Kreislauf
gefUhrt werden soll, muß selbstverständlich eine Falleitung vorhanden sein.
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Falle umgekehrt ein vom Kopf der Bohrung eingeführtes und in der Bohrung
behandeltes Medium In die Lagerstätte eingepreßt werden soll, ist in einer
solchen
Behandlungebohrung keine Steigeleitung erforderlich, wenn nicht auch hier eine Kreislaufbehandlung
vorgesehen
ist.
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Wenn sichder Reaktor in einer Bohrung befindety die nicht bisin eine
Lagerstätte führtg ihre Teufe also nicht durch die Teufe' der lagerstätteg sondern
nur durch Sicherheitagründe bedingt idtg kann man der Bohrung einen größeren Durchmesser
geben, als er bei Förderbohrungen aus wirtschaftlichen Gründen Üblich ist. Bei einem
größeren Bohrungedurchmesser kommt dem Strahlenschutz nach oben erhebliche Bedeutung
zu, da er auch bei einem maximalen Unfall des Reaktors ausreichend sein muß. Eine
gute Absicherung durch Einzementierung der Bohrung ist unerläßlichg Sie läßt sich
durch das Anbringen von zusätzlichen Zementierrohren auf der Außenseite der Verrohrung
in bekannter Weise durchführen. Eine solche Bohrung, die nicht in einer Lagerstätte
fÜhrt, wird auch nach unten 3 bis 5 Meter stark in der Verrohxung
dicht einzementiert und stellt demnach eine Blindbohrung dar. Auf dieser Zementaohle
kann ein chemisch widerstandsfähiges Auffanggefäß zum Auffangen erschöpfter Reaktorbrennstoffe
in aufgelöster oder fester Ilorm deponiert werden. Sie kann beispielsweise im Zentrum
eines Förderfeldes abgeteuft und von Förderbohrungen umgeben sein. Das flüssige
oder gasförmige Fördergut dieser Bohrungen wird vom-Kopf der Blindbobxung über eine
Falleitung zum Reaktor und über eine Steigeleitungg evtl. nach einer Kreialaufbehandlung,
wieder zurück zum Kopf der Bohrung geleitet. Das behandelte und erwärmte Gut kann
evtl. in unterirdischen natürlichen oder künstlichen Speicherräumen gespeichert
werden. Es kann aber auch wieder in die Lagerstätte zurUckgedrUckt werden,
um mit diesem erwärmten und umgewandelten Produkt eine raschere und vor allem volletändigere
Ausförderung der Lagerstätte zu erreichen. Die in den sekundären Kreislauf eingebrachten
Medien aus einer Lagerstätte oder einem Lagerbehälter können Reaktorgifte enthalten,
die die gesteuerte nukleare Kettenreaktion im Reaktor ungünstig beeinflußen oder
sogar zum Erliegen bringen. In diesem Falleleitet man den aekundären Kreislauf nicht
durch den Behandlungsraum zwischen Reaktorbrennkammer und Reflektor, sondern durch
den Reflektor und ein Reflektionamittel, z.B. die Moderatorflüs
Bigkeit
des primären Kreislaufs durch den Behandlungeraumg der infolge seiner geringen Breite
einen Teil des Elektronenflußes in den dahinter liegenden Raum durchtreten läßt.
Wenn ein Reaktor, der in einer Bohrung in größerer Teufe angeordnet ist, über eine
längere Zeit b'etrieben werden soll, er-..gibtaich das Problem, Brennstoff nachzuspeisen,
um den Abbtand auszugleichen. Es wird vorgeschlagen, für mehrfaohe Auffüllungen
des Reaktors feste Brennstoffelemente in solchen Körperformen in die Reaktorbrennkammer
einzubringen, die bei der Stapelung in dieser Hohlräume entstehen lassen. Am besten
geeignet erweist sich, besonders fUr den unteren Teil des Reaktorkernes, die Kugelform.
Beim Nachlassen der Leistung können neue Brennstoffelemente in Eugelform mit kleinerem
Durchmesser in die Zwischenräume der größeren Kugeln eingeschwemmt werden. Diese
Nachfüllung in die Hohlräume ergibt nicht nur neuen Brennstoff, sondern gleicht
dazu auch die Vergiftung der noch nicht ganz abgebrannten Brennstoffelemente aus.
Werden weiterhin die Brennstoffelemente in Kugelform mit einem Material ummantelt,
z.B. bestehend aus anorganischen Salzen,.das sich bei steigender Temperatur stark
ausdehnt, ohne sich aber radioaktiv zu zersetzen, ao ergibt sich bei dieser Abstandsänderung
der Brennotoffkugeln ein regelnder Einfluß auf die Leistung in der Reaktorbrennkammer.
In der Figur 1 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Sie zeigt
die äußere Verrohrung einer Bohrung (Caeing); in einem Rohr dieser Verrohrung
1 ist der als Wärme- und Strahlungequelle dienende Reaktor angeordnet.
Es ist aber auch möglich, den Reaktor mit den erforderlichen Hilfsorganen
in einem Rohrla einzubauen, dessen äußerer Durchmesser kleiner als der innere Durchmesser
der Verrohrung 1 ist. Er ist mit einem Fußkonus 29 versehen, der die
gleiche Größe wie der Konus fUr den Reaktor in einem Rohr mit dem Durchmesser der
Verrohrung 1 besitzt. Verbunden sind mit diesem Reaktorteil ein Verschluß
13 und die Fall- und Steigeleitungen mit HilfBvorrichtungen im Gasing, die
als Wärmeaustauscher und Strahlungsübermittler dienen. In der Figur 1 ist
eine
Reihe von Arbeits- und Kombinationsmöglichkeiten bei der Anwendung
der Vorrichtungsteile vorgesehene die aber nicht alle möglichen Variationen umfasseng
die bei einem konkreten Anwendungefall aber nur auf je ein primäres und sekundäres
System von Fließwegen eingeschränkt und festgelegt ist. Um einige Variationsmöglichkeiten
aufzuzeigen, haben in der Zeichnung entsprechende Teile, die die Veränderung von
Fließwegen ermöglicher4 neben der gleichen Bezugenummer den Suffix a, b,
o bzw. d.
In der Verrohrung ist die Reaktorbrennkammer 21 mit dem Reßektor
22a und dem zwischen der Reaktorkammer 21 und der Reflektorkammer 22a liegenden
Behandlungsraum 229 der aber auch als Reflektor benutzt werden kann, mit dem konischen
Fuß 2-9 in dem konischen Ring 309 der mit einem Bohrrohr der#Verrohrung
1 fest verbunden ist, dichtend abgesetzt. In demselben Rohr der Verrohrung
1 oder des Rohres la ist der Packer 1.39 der in seinem Rohrdurchtritt ein
normaler Packer sein kann, wie er für eine Mehrzonenförderung üblich ist, festgesetzt
oder eingeschweißt. Damit dieser Packer sicher dightende Rohrverbindungen auch in
Temperaturbereichen bis 300 0 0 erhält, hat er eine Länge von 3
5
Meter. Er ist als einheitliches Bauelement so stark dimeneioniert, daß er gleichzeitig
große Kräfte ohne Ver±ormung in Acherichtung der Bohrung aufnehmen kann. Die Rohre
18, 19 und 20 verbinden denReaktor 21 mit seinen Kammern 22 und 22a dicht
und fest mit den Durchgängen 15, 16 und 17 im Packer. In den Rohren
189 199 20 und im Durchtritt 14 sind entsprechend der Fließrichtung Fließbremsen
und Fließstopper eingebaut, wobei als einfachste Ausf-Uhrung Rückschlagklappen Anwendung
finden können. Der Reaktor 21 mit dem Packer 13 und dem Absetzkonus
29 kann in einer--Bohrroh.rlänge vonea. 12 m untergebracht werden.
Es ist aber auch möglich, den Reaktor 21 mit dem Packer 13 und seinen
Verbindungsrohren 18, 19 und 20 in einem Bohrrohr la unterzubringeng dessen
äußerer Durchmesser kleiner als der innere Durchmesser der Rohre in der Verrohrung
1 ist und dessen Absetzkonus 29 aber die gleiche Größe beibehält.
In diesem Fall läßt sich der Reaktor nachträglich in die Bereits einzementierte
Verre h rung 1 einbauen
und ist damit wieder ausbaubar.
Mit einem druckfesten Deckel 3
ist die Bohrung verschlossen.
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Eine Förderbohrung hat ihre Verbindung mit der Lagerstätte über den
perforierten Liner 33. Durch ihn fließt der Lagerstätteninhalt in den unteren
Teil 41 der Bohrung, die unten ihren Abrichluß im Bohrochuh 34 hat. Oberhalb des
Liner 33 ist ein Produktionspacker 31 mit einer verschließbaren Öffnung
32 eingebaut. Eine Behandlungsbohrung durch die von Übertage Lagerstätteninhalte
aus anderen Bohrungen in eine Lagerstätte zurÜck oder zusätzliche Gase und Flüssigkeiten
in eine Lagerstätte eingebracht werden, ist im unteren Teil gleichartig ausgerüstet.
Im Rahmen der einfachen Fließwege ohne Kreisläufe liegt eine Verschließungsmöglichkeit
mit 14a in dem Durchtritt 14. Bei einer Blindbohrung wird der Durchgang
32 verschlossen, so daß eingeleitete Flüssigkeiten auch wieder am Kopf der
Bohrung entnommen werden können. Zur Erklärung des Verfahrens wird eine einfache
Betriebsweise ausführlich erläutert. Andere Möglichkeiten, die durch erschwerende
Umstände, wie verschieden starke Strahlenenergien oder Faktoren, di-e die gesteuerten
Kettenreaktionen oder die Reflektion stören, notwendig werden,können aus einer Zusammenstellung
(siehe Nig. 4) fUr die verschiedenen Behandlungsmöglichekeiten abgelesen werden.
Es können aber auch weitere, hier nicht aufgeführte Varianten Anwendung finden.
Die Zusammenstellungt Fig..49 zeigt die Wichtigkeit der Einführung eines Behandlungsraumes
229 der nur in der Kombination mit dem Reflektor 22a, Gesetze, denen der Reaktor
mit seinen gesteuerten Kettenreaktionen und seinen Veränderungen der Kerne unterliegt,
in einer Bohrung mit verschiedenem und vor allem mit unkontrollierbarem Inhalt berücksichtigen
kann.. Die einfachste Betriebeweise des Reaktors besteht darin, daß in einer Blindbohrung
der säkundäre Flußp z.B. bestehend aus flUseigen Koblenwasserstoffen ohne Reaktorgiftep
bei 40 in die Fallleitung 5 und 5a eintritt, Uber den Durchfluß
17 und Rohr 20 als ReflektorflUseigkeit in die Behandlungskammer 22 gelangt
und
diese bei 28 verläßt. Parallel dazii durchfließt das
Medium den Reflektorraum 22a über die Öffnungen 27 und 27a und gelangt Uber
die Öffnung 49 zusammen mit der Flüssigkeit der Behandlungekammer 22 durch den geöffneten
Durchtritt 14 in den freien Querschnitt der Verrohrung 1 als ßteigeraum 44,
um durch das Rohr 5
bei 39 dann die Bohrung wieder zu verlassen. Die
Inbetrieboetzung des Reaktors mit Einsetzen des primären Plußes, der als Moderatorflüssigkeit
aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff bestehen kann, erfolgt durch das Einspeisen
des Moderators bei 37
durch die Falleitung 2 über den Durohfluß,
16 und Rohr 18 in die ReaktorbrennkamTner 21, um die Brennstoffelemente
23 und von dort fließt er über 26b bei offenem Rohr 26o und bei abgeschlossenem
Rohr 26d über die Steigeleitung 19, Durchtritt 15, Steigeleitung
4a und 4 zum Austritt 38. Die Öffnungen 26 und 26a sind verschlossen.
Bei den Austritten 39 und 38 können laufend behandelte Kohlenwasserstoffe
abgezogen werdeng wenn entsprechender Nachschub über 40 bzw. 37 erfolgt.
Soll die Bestrahlungeleistung erhöht werden, so können im primären Fluß bei
37, z.B. eine hochkonzentrierte wäßrige Kupfersulfatlösung in einer gleichmäßigen
Dosierung für eine emmehnete Zeit dem primären Fluß zugegeben werden. In der BrennkamTner
werden die Kupfer- und-Schwefelionen radioaktiv und steigen in der Steigeleitung
4a bis zum Abscheider 42 mit seinen Schikanen 43 aufwärts. Durch den thermosyphonen
Kreislauf von dem Abscheider 42 über die Leitung 10 zum Injektor
9 werden die im Moderator nicht löslichen Salzlösungsteilchen, deren spez.
Gewicht größer ist als das spez. Gewicht der Modera-. torflüssigkeit, wieder in
die Falleitung 2 zurückgeführt und sie verbleiben nun in diesem inneren Kreislauf
des primären Flußes. .In ihrem dauernden Kreislauf geben sie eine zusätzliche Bestrahlung
an die Moderatorflüssigkeit ab, aber ihre Strahlungsenergie erreicht auch den sekundären
Fluß und ergibt hier im Steigeraum 44 eine langzeitige Bestrahlung und der dazugehörigen
Falleitung 5a eine entsprechend kurzzeitigere Bestrahlung ab. Der sekundäre Fluß
erhält aber auch beim Durchfließen der Behandlungskammer 22 und des Reflektorraumes
22a eine erhebliche Strahlendosie aus der Reaktorbrennkammer 21. Der innere Kreislauf
des primären Sys-
teme kann durch die Wärmeisolierung 35 verstärkt
werden, ein weiterer wesentlich verstärkter innerer Kreislauf wird durch den
äußeren
Kreislauf mit der Pumpe 7 und dem Injektor 9 erzeugt. Die Öffnung
Joa ist geschlossen, Auch das sekundäre System kann einen verstärkten inneren Kreislauf
durch die Wärmeisolierung 36 Uber die Öffnung 12 erhalten und dieser kann
ebenfalls durch den äußeren Kreislauf mit der Pumpe 8 und dem Injektor
11 verstärkt worden. Die Leitung 12a ist geschlossen. Für das aekundäre System
ist die Blindbohrung mit dem Packer 31 und dem Verschluß 32 unten
verschlossen. Bei Förder- oder Behandlungsbohrungen ist der Verschluß geöffnet,
so daß die Bitumina im perforierten Liner bei 33 aus der Lagerstätte in die
Bohrung eintreten bzw. aus der Bohrung in die Lagerstätte eintreten können. Die
Figur 4 zeigt die möglichen Fließwege des primären Syst.ems und des sekundären Systeme
je nach Art des Reflektions-Mediums, ob es Reaktorgift enthält oder als Reflektionamittel
für Neutronen günstig oder ungünstig wirkt. Mit 549 559 56 sind die möglichen
Fließwege bezeichnet. Die Fließwege 54 und 55 sind möglich, wenn der sekundäre
Fluß 57, 58 und 59 gutartiges Reflektionamittel enthält und der primäre
Fluß 56 muß geschaltet werden, wenn die sekundären Flüsse 609 61 und
62 reaktorungünstige Medien führen. Die inneren Kreisläufe jedes Systeme
sind mit gestrichelten Linien bezeichnet und die'Jeweils geschlossenen Durchlässe
sind umrahmt zu jedem Fluß benannt. Die äußeren Kreisläufe werden mit ausgezogenen
Linien bezeichnet. Die Pfeile am Anfang und Ende jeden Flußes geben an, in welcher
Richtung die inneren bzw. äußeren Flüsse durch die Bohrung fließen und wo sie die
Bohrung verlassen, d.h.. ob der sekundäre Fluß in der Bohrung als Behandlungsbohrung
nach 57 bzw. 60 oder Förderbohrung nach 58 bzw. 61 oder
als Blindbob:rung nach 59 bzw. 61 betrieben wird. Soll ein reaktorungünstiges
Medium im sekundären Fluß behandelt werden, so werden die Fließwege 5a' und
5b und die Fließwege 4a zu 4b. Der Reaktor enthält Spaltstoffe, die sich
bei festen bestimmt geformten Brennstoffelementen 23 berUhrene aber zwischen
sic h freie
Räume haben, z.B. den Porenraum zwischen gestapelten,
sich selbst tragenden Kugeln. Durch den Einbau von Kugeln mit verschieden starkem
Durchmesser lassen sich die freien Räume zwischen den Kugeln in ihrer Größe unterschiedlich
halten. Wird nun nach einem .gewissen Abbrand der Spaltetoffe neues spaltbares Material
in Form von kleineren Kugeln 24 eingebracht, so füllt es die Räume zwischen den
Kugeln und kann bevorzugt aufgefüllte Zonen bilden, die den Reaktorkern weiterhin
im kritischen Zustand halten. Aber auch das Auffüllen des Reaktorkernes mit neuen
Spaltstoffen zu einer größeren Kernhöhe halten den Reaktor länger kritisch. Die
Öffnungen im Rost 25 sind entsprechend klein gehalten. Eine gewisse zusätzliche
Selbstregelung kann der Reaktor auch dadurch erhalten, daß ein Teil der im vorliegenden
Fall gestapelten Kugeln wie Fig. 3 zeigt, eine umhüllende Schicht
51 erhalteng die sich radioaktiv kaum zersetztg aber selbst ein guter Wärmeleiter
ist und sich mit zunehmender Temperatur stark ausdehnt; es können sich dadurch die
Abstände der Brennotoffelemente bei Temperaturveränderungen untereinander vergrößern
oder verkleinern und damit den kritischen Zustand des Reaktorkernes ändern. Zur
Formhaltung kann die umhüllende Schicht 51, die eine Salzschmelze sein kann,-einen
korrooionafeaten Uberzug 52 bekommen. Abstandbalter 53 halten den
Brennstoffkern 23 immer zentrisch in der UmhÜllung. Das Moderator-Brennstoff-Verhältnis
ist-eine wichtige Größe. Mit' der laufenden Durchleitung von z.B. Kohlenwasoerstoffen
als Moderator ist für einen Reaktor in einer Bohrung die Möglichkeit gegebeng das
spezifische Gewicht des Moderators in gewissen Grenzen zu änderng so daß sich audh
die Reaktivität des Reaktors ändert. Die Einzementierung des Reaktors in Bohrungen
und mit seiner absoluten Dichtheit nach oben auch im maximalen Unfall und der Einsatz
gestapelter Spaltetoffe ergeben die Möglichkeit, daß bei zu starker plötzlicher
Dampfbildung im Moderator der Dampf mit seinem,--plötzlichen größeren Volumen zwischen
den Spaltstoffen
diese anhebt und damit kurzzeitig aus ihrer Lage
für die kritische Form des Kernes bringt und damit sich selbst drosselt. Die Form
und Größe der Spaltetoffelemente kann unterschiedlich so gewählt werden, daß ab
einer bestimmten Kochintensität die Blasenbildung und/oder die Strömung um die Spaltetoffelemente
so groß wird, daß sie teilweise zu schwimmen beginnen. Hierzu muß das Rohr
18 unten in die Brennkammer eingeführt werden und der Ablauf vom Kopf der
Brennkammer erfolgen. Es ist dieses aber auch möglich, wenn der Injektor
9 mit dem Abeobdder 42 unter Beibehaltung der Leitung 10 ihre Plätze
wechseln, so daß 38 der Einlaß und 37 der Auslaß wird, und der Fluß
55 Fig. 4 den folgenden Weg erhält: 38 - 4 - 9 - 15 - 19 - 26b
- 21 - 18 - 16 - 42 - 2 -
37, geschlossen 10a, 26t 26a und
26d.
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Verbessern läßt sich der Effekt mit dem Fluß von unten in die Brennkammer
21, wenn die Brennkammer von unten nach oben sich konisch erweitert oder wenn die
Brennkammer nur im Mittelteil konisch erweitert wirdg während der obere und untere
Teil zylindrisch, aber mit verschiedenen Durchmeseirn geformt ist. Das hat zur Folge,daß
im oberen zylindriechen Raum mit großem Durchmesser, infolge der hier herrschenden
geringsten Geschwindigkeit, sich die- kleinsten und strömungsteebnisch am ungünstigsten
geformten Brennstoffelemente ansammeln und in der Sobwebe gehalten werden. Mit dieser
Anordnung läßt sich unter Variierung der Fließgeschwindigkeit des Moderators die
Kernreaktion entweder unterbrechen oder aktivieren, d.h. der Reaktor abstellen oder
länger kritisch halten. Das Einfüllen neuer Brennstoffelemente zUm Aufbau eines
neuen Reaktorkernes kann bei Stilleetzung den Kreinlaufes im primären Fluß Über
die Öffnung 37 erf olgen. Die einzufüllenden Brennstoffelemente werden nach
ungleicher Form und Größe so gewählt, daß bei Eintreten des Moderators in. die Brennkammer
von unten, also einer Umekehrung des Fließwegeag eine Klasaierung der Spaltetoffelemente
im koniechen Teil der Brennkammer eintritt. Man erreicht auf diese Weise eine Pixierung.
bestimmter Spaltatoffteile an einer gewünechten Stelle des
Reaktorkernes
und damit eine Steuerung der Spaltreaktion. Wird die Fließgeschwindigkeit langsam
verringert und -damit die Klaseie--e rung allmählich beendet, setzen sich die Spaltstoffe
nach unten in der Brennkammer ab und der Reaktor kommt in den kritischen Bereich.
Nötigenfalls muß auch eine fUr den Klassierungsvorgang besonders gUnstige Flüssigkeit
mit z.B. hohem spez. Gewichtg aber mit Moderator - ungünstigen Eigenschaften
verwendet werden, die nach Beendij#ung der Klassierung von der ModeratorflUseigkeit
verdrängt wird. Natürlich muß im normalen Arbeitsgang des Reaktors dieFließgeschwindigkeit
entsprechend kleiner gehalten werden. Bei Anwesenheit von größeren Mengen von Isotopen
oder feinkörnigen Spaltstoffen im primärgn Kreislauf besteht die Gefah:ry daß diese
den Ablauf der gesteuerten Kettenreaktion stören oder gar zum Erliegen bringen.
Zur Vermeidung dieser Störungen wird bei Eintritt des Moderators in der Leitung
19, Fig. 5, die jetzt Falleitung ist, eine Abscheider 42a in Höhe
des Brennkammerkopfes 21 vorgesehen, von dem aus eine Leitung 10b zum oberen
zylindrischen Teil der Reaktorbrennkammer 21 fUhrt. Die Aktivierung der in diesem
Strom mitgeführten Elemente erfolgt also nur im Kopf der Reaktorbrennkammer aus
der normalen Strahlung des Reaktor kernei3, zusätzlich aber auch aus den Spaltetoffen,
die unmittelbar darunter in der konischen Erweiterung über den Reaktorkern in Schwebe
gehalten werden. Der Durchmesser von Bohrungen, die durch die eingebaute Verrohrung
1 auf mehrere hundert Meter zementiert und damit strahlendicht und fest nach
oben abgedichtet wirdg ist in etwa bei 500
- 600 mm 0 begrenzt.
Werden aber an der Außenseite der Verrohrung 1 nach Figur 2 zusätzliche SpUlrohre
45 in einem Abstand von 30
cm bis 60 cm voneinander angebracht
und wird die Gebitgewand 46 in einem entsprechenden Abstand von der Verrohrung
1 gehalten, so lassen sich derartige Bohrungen mit einem Durchmesser von
Uber 400cm mehrere hundert Meter tief bohren, verrohren und ebenfalls mit einer
festen und strahlensicheren Einzementierung 48 nach oben auf den ganzen Umfang der
Verrobrung 1-versehen.
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Mit den Spülrohren 45 außen ander Verrobrung 1 kann auch im
Ansobluß
an die Zementierung aber vor dem Abbinden des Zementes
zu dessen Verdrängung in einer hintersebnittenen Kammer 47 oder bei genügend großer
Differenz -zwischen dem Durchmesser der Verrobrung 1 und der Gebirgswand
46 in ausreichender Länge, z.B. eine thimotrope Flüssigkeit mit guten Reflektionseigensohaften
eingeschleust werden. Diese stellt bei großer Länge auch einen elastischen Schutz
der Zementierung dar. In diesem Falle kann der in der Verrohrung 1 abgesetzte
Reaktor 21 ohne Reflektor, aber mit einer Behandlungskammer 22 ausgebildet werden.
Der Ringraum 50 in Fig. 2 kann da= sehr eng gehalten werden, wie es auf der
rechten Seite dargestellt ist. Der Reaktor braucht dann mit der Verrohrung
1 nicht mehr fest verbunden zu werden und steht auf dem Robrachuh 34. Sollten
im Gebirge, das die Bohrung umgibt, aber störende Reaktorgifte sein, so kann
- wie es auf der linken Seite dargestellt ist -
die Reflektorkammer
22a vorgesehen werden oder der Ringraum 50
wird so breit gemacht, daß er mit
einer Flüssigkeit aufgefüllt einen Reflektor ergibt. Rohr 6 gestattet es
im oberen Teil der Bohrung wie in einem Windkessel aus inerten Gasen eine unter
hohem Druck stehende Gaablase aufzubaueng die größere Druckwellen abfedert. Sollten
nach dem möglichen Abbrand die verbrauchten Brennstoffmengen aus dem Reaktor entfernt
werdeng so läßt sich der Brennstoff mit Säuren auflösen und dann mit anderen
Flüssigkeiten ausspülen. Es ist aber auch, insbesondere bei geeigneter Form
der Spaltatoffelemente möglichg im umgekehrten Kreislauf bei Eintritt der SpUflüssigkeit
bei 38 den Spaltetoff bei 37 auszuapttlen. Als ein praktisches
Beispiel sei die Gewinnung klopffester Oktane und Oktene aus Normalbutan bzw. von
Heptenen aus Isobutan angefWirt. Die Umsetzung der beiden Ausgangsprodukte erfolgt
unter verschiedenen Reaktionabedingungenp die sich bei gleichzeitiger Behandlung
im primären bzw. im sekundären System der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
einstellen lassen.
Das Normalbutan tritt bei 37 in die Bohrung
ein und wird als primärer.Pluß Über die Falleitung 2 durch die Reaktorbrennkammer-21
geleitet, wo die wesentlichste Einwirkung der Wärme-und Strablungsenergie erfolgt.
Ü ber die Leitung 19 und die .Steigeleitung 4 verläßt das Endprodukt nach
der Behandlung die Bohrung bei 38. Zur Vervollständigung der Umsetzung wird
das Produkt Uber die Leitung 10 zur Falleitung 2 in einem inneren Kreislauf
geführt, der sich durch Thermosyphonwirkung einstellt. Um eine weitere Strahlungseinwirkung
auch im gesamten Kreislaufsystem zu erreichen, wird dem Kreislaufmedium eine wässrige
Kupfersulfatlöoung beigemi-scht, die im Reaktor Iaotope bildet. Diese radioaktiven
Isotope werden in der Steigeleitung 4 im Abscheider 42 mit der Schikane 43 zurückgehalten
und so zur Zirkulation im inneren Kreislauf veranlaßt. Sie bringen hierbei ihre
Strahlungsenergie nicht nur auf das Normalbutan des primären Kreislaufes, sondern
auch auf das parallel fließende Iaobutan des sekundären Kreislaufes zur Einwirkung.
Das Iaobutan tritt bei 40 in die Bohrung ein. Es gelangt als sekundärer Fluß
Uber die Falleitung 5 und Leitung 20 in die Behandlungokammer 22 und den
Reflektor 22a. Hier wird es der Wärme-und Strahlungsenergie aus der Brennkammer
21 ausgesetzt. Uber die Aublässe 49 und 14 fließt es in den Steigeraum 44, den es
Uber 6- bei 39 verläßt. Außer im Reflektor und in der Behandlungskammer
ofolgt eine zusätzliche Wärme- und Strahlungseinwirkung auf das Isobutan auch inder
Falleitung 5 und im Steigeraum 44, wie oben erwähnt, von den Leitungen 4
und 2 des primären Kreislaufes aus. Die nachfolgend genannten Zahlenwerte beziehen
sich auf 1 Liter Spaltzone im Reaktor, so daß bei einer größeren oder kleineren
Auslegung der Vorrichtung die Werte leicht umzurechnen sind. In einer Bohrung, die
eine Teufe von 650 Meter hat, stehen 550
Meter als Behandlungszone
zur Verfügung, der darUber anstehende Raum-ist als Sicherheitsz#one mit Zement abgedichtet.
Im unteren Teil d-e"i#'-B-ohrung ist ein Atomreaktor angeordnet mit einer Leistung
von 20 000 keal/h, wovon ca. 10 % als Strahlungsenergie zur Verfügung
stehen. Er wird als organisch moderierter Reaktor
betriebeng dessen
Strahlungsenergie durch Änwendung von Isotopen im primären Kreislauf verstärkt wird.
-
Äle Moderatorfläaeigkeit durchfließt Normalbutan die Reaktorbrennkarnmer
und Iaobutan den Reflektor und die Behandlungekammer. Das freie Volumen in der Reaktorbrennkammer,
das fUr den Moderator zur VerfUgung stehtg beträgt 875 cm3 je Liter Spaltzone.
Weiterhin ist am Kopf und am Fuß der Spaltzone ein Raum von 1200 cm3 mit Normalbutan
gefUllt, das der starken Be-strahlung in der Brennkammer ausgesetzt ist.
Der Raum der Behandlungskammer nimmt 800 cm3 Iaobutan je Liter Spaltzone
auf und die am Kopf und am Fuß anstehende FlUseigkeitemenge beträgt gleichfalls
800 cm3. Der FlUosigkeitsraum des Reflektors ist mit 1500 cm
3 Iaobutan gefüllt. Das Normalbutan durohfließt die Reaktorbrennkammer in
einer Menge von 40 cm 3/sek., bezogen auf-1 Liter Spaltzone. Die den Behandlungeraum
und den Reflektor durchfließende Menge Iaobutan beträgt 30 cm 3/sek. je Liter
Spaltzone. Die lichten Durchmesser der Fall- und Steigeleitungen des primären Systeme
2 haben eine Durchtrittafläche von 2 cm je Liter Spaltzone. Der lichte Durchmesser
der Falleitung des sekundären Systeme bat 1,5 cm 2 Fläche und der als Steigeleitung
dienende freie Raum des Gaeing hat 8 cm2 Fläche, beide wieder bezogen auf
1 Liter Spaltzone. Dem Medium des primären Systeme wird wäserige Kupferoulfatlösung
zugesetzt, die 3 Gramm Kupfersulfat im Liter Normalbutan enthält, mit dem
es im inneren Kreislauf zirkuliert. In der Reaktorbrenukammer entstehen im Kupfersulfat
radioaktive Iootope, die ihre Strahlenenergie im gesamten inneren Kreislauf sowohl
auf das primäre als auch auf das sekundäre System zur Einwirkung bringen.
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a ergeben sich nun folgende Verweilzeiten der Medien in den'
einzelmn Behandlungpräumen, aus denEn sich die stUndlich aufgenommene Strahlungeleistungg
ausgedrUckt in Prozenten der Reaktorleintung errechnett
| 1. Ilrimäreä System Rauminhalt Verwellzeit Aufgenommene |
| in cm3 in sek. Strahlungs- |
| energie in % |
| der Reaktor- |
| leistung |
| Steige- und Fall- |
| leitungen 220 000 5 000 2.1 |
| Reaktorbrennkammer 875 22 4.4 |
| aum im Kopf und |
| ffl der Spaltz ne 1 200 30
1.2 |
| 2. Sekundäres System Rauminhalt Verweilzeit Aufgenommene |
| in 0M3 in sek.' Strahlungs- |
| energie in % |
| der Reaktor- |
| leistung |
| Behandlungskammer 800 26.7 2.2 |
| Raum im Kopf und |
| ffl d. Behandlungs- |
| kaminer 800 26.7 0.75 |
| eflektorraum 1 500 50 o.6 |
| Steige- und Fall- |
| leitungen 475 000 15 800 0.65 |
| 1 1199 |
Daraus ergibt sich als mittlere Strahlungsenergie pro stündliche Durchflußmenge:
28 000 x 0.119 = 3.33.10 3 koal/h. Aus dieser Strahlungsleistung von
3.33 keal/h errechnet sich bei einer Menge von
252 000 em3 Normal-
und Isobutan eine mittlere Strahlungsleistung von 3945 x 1014MeV/cm3.
-
Zur Errechnung der pro 0M3 Butan umgewandelten Moleküle wird als Mittelwert
ein sechafacher Umlauf der zu behandelnden Medien in den inneren Kreisläufen und
eine #G-Zahl (= Zahl der umgewandelten Moleküle pro 100 eV) von
12.8 zugrunde gelegt. Die letztere Zahl wurde bei Reaktionen, die bei 34
atU und einer Temperatur von 245 0 mit einem der bisher bekannt gewordenen
Katalysatoren durchgeführt wurden, al-a Mittelwert errechnet.
Die
Wärme wird aus der Wärmeenergie des Leiatungsreaktorn mit oa. 25 000 koal/h
je Liter Spaltzone aufgebracht. Der Druck ergibtzich im vorliegenden Fall aus dem
hydrostatischen Druck der Butansäulen in der Bohrung. Nach der Behandlung erfolgt
noch eine Naohumwandlung, die bisher noch nicht konkret erfaßt und geklärt werden
konnte. Sie wird daher in der Berechnung nicht berüoksichtigt. Es werden demnach
aus der adeorbierten Energie je am3 Normal- und Iaobutan im Mittel 3,45 x
10 18 x 12.8 x 6
20 2.65 x 10 Moleküle umgewandelt.