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Verfahren zur Nutzbarmachung von Wärmeenergie aus exothermen Kernreaktionen
Die Erfindung betrifft ein technisch brauchbares und wirtschaftliches Verfahren
zur Nutzbarmachung der durch Kernreaktionen frei werdenden Energie in der Weise,
daß man die Energie von Kernspaltungs-oder Verschmelzungseinrichtungen (Bomben)
dadurch fesseln kann, daß man sie unterirdisch zur Explosion bringt. Hierbei dient
die Masse der die Explosionsstelle umgebenden Erde zur Aufnahme des Explosionsdruckes.
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Eine der Schwierigkeiten bei solchen Explosionen ist die dabei auftretende
sehr starke Stoßwelle. Die meisten Kernreaktionen machen Energie frei, die etwa
dem 2- bis 3fachen eines größeren Erdbebens entspricht, und man hat geschätzt, daß
sich etwa 5011/o dieser Energie in der Stoßwelle ausbreiten. Ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen
kann diese Stoßwelle eine Bewegung der Erdoberfläche von 0,9 bis 6 m zur Folge haben.
Eine solche Störung der Erdkruste macht es erforderlich, daß Anlagen zum Nutzbarmachen
der Wärmeenergie bei solchen Explosionen durch Erwärmung von Flüssigkeiten oder
Gasen entweder Hohlräume von äußerst massiver Bauart für die genannte Explosion
enthalten müssen, damit diese Räume der Stoßwelle widerstehen, oder aber daß die
eigentliche Energieumsetzunganlage ein großes Stück, z. B. 32 km. von der Explosionsstelle
entfernt untergebracht werden muß. Eine Verlegung dieser Anlagen von der Explosionsstelle
weg ist aber höchst unerwünscht, da sie große Kosten für Rohrleitungen usw. erfordert
und mit erheblichen Verlusten an Energie der erhitzten gasförmigen oder flüssigen
Übertragungsmedien verbunden ist.
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Eine andere Schwierigkeit liegt darin, einen zweckmäßigen und wirtschaftlichen
Weg zum Nutzbarmachen der ganz plötzlich frei werdenden Energie bei der Explosion
der Bomben zu finden, der eine stetige Freigabe der Energie über längere Zeiten
hinweg ermöglicht. Ohne besondere Anordnungen wird ein Großteil der plötzlich entstehenden
Energie nutzlos vergeudet.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung verlegt man die. explosionsartigen
Kernreaktionen unter die Erde. Hierbei wird die entstehende Wärme in der Tiefe der
Erdkruste gespeichert und dann durch einen Wärmeträger an die Erdoberfläche geleitet.
Das Besondere liegt dabei darin, daß die Kernreaktionseinrichtung in einem teilweise
mit Wasser gefüllten Hohlraum, der in einer thermisch isolierenden Gesteinsschicht
liegt, zur Explosion gebracht wird und daß nach dieser Explosion wenigstens ein
Teil des erhitzten Wassers oder des entstehenden Wasserdampfes an die Erdoberfläche
gebracht wird. Diese Art der Nutzbarmachung der frei werdenden Energie beseitigt
alle obengenannten und noch andere Schwierigkeiten. Man kann auf diese Weise Kernenergie
in praktisch gut verwendbarer Form gewinnen, wobei die Kosten weit niedriger als
bei der Energiegewinnung aus üblichen Brennstoffen liegen.
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Es ist zwar bereits ein Verfahren zum Nutzbarmachen von Kernenergie
bekanntgeworden, jedoch arbeitet man bei diesem bekannten Verfahren mit einem unter
langsamer Kernumwandlung wirkenden Kernreaktor, bei dem mindestens ein Teil der
anfallenden Wärme dem gewachsenen Erdbogen zugeführt wird, dem sie später nach Bedarf
wieder zum Gebrauch entnommen wird. Bei dieser Arbeitsweise wird also eine kontrollierte
Reaktion für die Wärmegewinnung ausgenutzt, während bei dem vorliegenden Verfahren
eine unkontrollierte Explosion durch Verlegung in große Erdtiefen unter Speicherung
der plötzlich entstehenden Wärme ungefährlich gemacht wird. Außerdem wird das bekanntgewordene
Verfahren in einem trockenen Raum ausgeführt, wohingegen im vorliegenden Fall die
Anwesenheit von Wasser ein wesentliches Merkmal darstellt.
Man kann
sogar nach dem vorliegenden Verfahren nach der Explosion noch zusätzlich Wasser
in den Hohlraum einführen. Wesentlich ist jedenfalls, daß die Explosion in einem
unterirdischen Hohlraum einer kompakten und genügend dicken geologischen Schicht
abläuft, wobei die plötzlich frei werdende Energie praktisch vollständig in nächster
Nähe der Explosionszone zurückgehalten wird, so daß das Wasser hoch erhitzt oder
in mehr oder weniger gespannten Dampf umgewandelt wird. Das Wasser wird sodann in
bekannter Weise einer beliebigen Verwendung zugeführt, z. B. in einer Heizanlage,
für ein Kraftwerk, zur ölgewinnung, für chemische Reaktionen oder in ähnlicher Weise.
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Praktisch geht man hierbei so vor, daß man den Hohlraum für die Explosion
durch einen Schacht mit der Oberfläche verbindet, der während der Explosion geschlossen
wird, und daß man dann das erhitzte Wasser oder den Dampf durch diesen Schacht an
die Oberfläche treten läßt und dort nutzbar macht.
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Für die Explosion selbst ist es zu empfehlen, daß sich der Hohlraum
in einer solchen. Tiefe unterhalb der Erdoberfläche befindet, die nach folgender
Gleichung berechnet wird: D = KE°t in der D den Abstand in m - 0,3,
K eine Konstante in Höhe von 2000 bis 4000, E die Energie der Reaktionseinrichtung
in Megatonnen und n einen Exponenten in Höhe von 0,1 bis 0,5 bedeutet.
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Der Hohlraum kann einen Durchmesser von 9 bis 60 m sowie eine Länge
haben, die dem 30- bis 100fachen seines Durchmessers entspricht.
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Die Kernreaktion selbst kann sowohl eine Kernspaltung wie auch eine
Kernverschmelzung sein. Die hierbei auftretende, im voraus zu berechnende Energieleistung
soll möglichst ausreichen, um alles in dem Hohlraum vorhandene Wasser in Dampf umzuwandeln.
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Um das Verfahren der Erfindung möglichst vorteilhaft kontinuierlich
ausführen zu können, ist es ratsam, im Abstand voneinander mehrere Schächte oder
Löcher in die unterirdische Schicht zu bohren, unter jeden der Schächte einen Hohlraum
auszubilden, den ersten Hohlraum durch einen mit ihm in Verbindung stehenden ersten
Schacht mindestens teilweise mit Wasser zu füllen und unterhalb des Schachtes eine
Kernreaktionseinrichtung in diesen ersten Hohlraum einzuführen, bei dessen Explosion
genügend Energie frei wird, um das Wasser in Dampf umzuwandeln. Dann schließt man
den Schacht gegen die Atmosphäre ab und bringt die Kernreaktionseinrichtung zur
Explosion. Danach zapft man den Hohlraum an, zieht mindestens einen Teil des Dampfes
ab und verwertet seine nutzbare Energie, wobei sich der Dampf abkühlt und kondensiert.
Das Kondenswasser führt man dann zweckmäßig in einen zweiten Hohlraum ein, bis der
erste Hohlraum keinen genügend nutzbaren Dampf mehr enthält. Anschließend führt
man eine zweite Kernreaktionseinrichtung in den zweiten Hohlraum ein, bringt sie
dort zur Explosion und wandelt dadurch das Kondenswasser erneut in Dampf um, zieht
einen Teil dieses Dampfes aus dem zweiten Hohlraum ab, entzieht ihm die nutzbare
Energie und führt das dabei kondensierte Wasser in einen anderen Hohlraum, z. B.
in den ersten. Auf diese Weise ist eine ständige Lieferung von Dampf durch die Energie
der Explosion gewährleistet.
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Die geologische Schicht für die Explosionshohlräume ist zweckmäßig
eine Salzschicht. Derartige Salzschichten sind meistens nach oben hin durch Barüberliegende
wasserundurchlässige Sedimentschichten gegen Wasserzutritt geschützt und haben eine
ziemlich homogene chemische Zusammensetzung. Vielfach haben diese Salzschichten
die Gestalt eines sogenannten Salzdomes, d. h. einer unter dem Gebirgsdruck nach
oben geschobenen Aufwölbung, deren Höhe ziemlich bedeutend sein kann.
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Meist bestehen diese Salzschichten und Salzdome aus Verbindungen,
die sich namentlich bei hohen Temperaturen und Drücken, wie sie als Folge der Kernreaktionen
auftreten, von selbst regenerieren, d. h., die radiolytischen Zerfallprodukte des
Salzes vereinigen sich nach der Kernumwandlung in getrenntem Zustand ziemlich leicht
wieder, sogar in Gegenwart fremder Stoffe. Außerdem besteht mindestens ein großer
Teil der Bestandteile der Salzschichten aus wasserlöslichen Verbindungen.
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Die Salzdome haben im allgemeinen eine kegelstumpfartige Form und
reichen von ihrem Scheitel bis in Tiefen von etwa 1000 m. Ihre Durchmesser liegen
zwischen etwa 750 und bis zu mehr als 6000 m. Sie enthalten meist über 901/o Natriumchlorid,
während die anderen Bestandteile der Schichtung Kaliumchlorid, Calciumchlorid und
okkludiertes Calciumsulfat sowie Calcium- oder Magnesiumcarbonat sind. Das Salz
in den Domen ist von trockener Beschaffenheit; die Dome sind auch praktisch frei
von natürlichen Hohlräumen. Das Kochsalz hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und
einen Schmelzpunkt von weniger als etwa 815° C; es wirkt ferner als gute Wärme-Isolierschicht
für die Explosion. Ferner ergeben Natrium und Chlor unter dem Einfluß von Neutronenstrahlungen
radioaktive Isotope mit verhältnismäßig kurzen Halbzeiten oder auch mit außerordentlich
langen Halbzeiten; z. B. beträgt die Halbzeit des Isotops Na°-4 nur Stunden; das
gleiche gilt für Chlor, von dem z. B. das Isotop C138 eine Halbzeit hat, die nur
nach Minuten zu messen ist, während die Halbzeit von C136 Hunderttausende von Jahren
beträgt.
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Vorteilhaft bei den Salzdomen ist auch, daß sich die Barüberliegenden
Sedimentschichten leicht durchbohren lassen, so daß die Anlage der Schächte oder
Bohrlöcher von der Oberfläche aus gut möglich ist, und daß man die Schächte auch
in der Salzschicht bis in jede gewünschte Tiefe vortreiben kann. Vorteilhaft bei
den Salzschichten ist ferner, daß man in ihnen die Hohlräume besonders einfach durch
Auslaugen mit Wasser herstellen kann.
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Natürlich kann man auch andere geologische Schichten zur Herstellung
der Hohlräume benutzen, z. B. ausreichend mächtige Kalksteinschichten, aber auch
andere Sedimentschichten oder vulkanische und metamorphe Schichten, wobei man sich
auch anderer Mittel bedienen kann, z. B. bei Kalksteinschichten einer chemischen
Auflösung mit Säure oder in anderen Fällen einer mechanischen Bearbeitung oder der
Einwirkung von Explosionen von abgestufter Stärke.
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Bei der Vorbereitung der Hohlräume für die Kernexplosionen füllt man
diese Räume mit Wasser bis zu 25 bis 75% ihres Fassungsvermögens, während der Rest
mit einem Gas von niedriger Dichte, z. B. mit Luft, ausgefüllt ist. Zum Einbringen
der Kernreaktionseinrichtung
dienen entweder zentrale, etwa senkrecht
niedergebrachte Schächte, wobei sich die Kernreaktionseinrichtung etwa im mittleren
Drittel der Hohlräume befindet, im allgemeinen mindestens 60m unterhalb der Wasseroberfläche,
oder auch im Anfang seitlich von dem Hohlraum verlaufende Schächte und Bohrungen.
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Befinden sich die Hohlräume in einem Salzdom und sind sie durch Auslaugen
mit Wasser darin hergestellt, so kann es auch zweckmäßig sein, vor der Explosion
1.5 bis 251/o des Hohlraumvolumens mit stückigen Feststoffen auszufüllen, nachdem
man so viel von der beim Auslaugen entstehenden Salzlösung aus dem Hohlraum abgezogen
hat, daß mindestens 60 °./o des Hohlraumvolumens frei bleiben.
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Bei der Anlegung der Hohlräume in Salzschichten. in die man von oben
mit einem Schacht vordringt, ist es zu empfehlen, daß die Hohlräume unterhalb des
Schachtes eine längliche senkrechte Form haben. Wenn die Kernreaktionseinrichtung
in mittlerer Höhe des Hohlraumes zur Explosion gebracht wird, kann man die Stärke
dieser Explosion derart bemessen, daß das Salz in der Explosionszone zerfließt und
sich ein Sumpf aus dem geschmolzenen Salz am Boden des Hohlraumes bildet. Hierauf
bringt man unter Umständen weiteres flüssiges Wasser in Berührung mit dieser Salzschmelze,
wodurch es in Dampf umgewandelt wird, der dann laufend aus dem Hohlraum abgezogen
und einer Anlage zur Nutzung der Wärmeenergie zugeleitet wird.
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Man kann auch von der Erdoberfläche aus einen zweiten Schacht bohren,
z. B. seitlich des am oberen Hohlraumende mündenden ersten Schachtes. Dieser zweite
Schacht mündet dann etwa am unteren Ende des Hohlraumes und dient dazu, nach der
Explosion weiteres Wasser in den Hohlraum einzuspritzen, worauf von dem entstehenden
Dampf mindestens ein Teil durch den ersten Schacht an die Erdob; rfläche abgezogen
wird. Man kann aber auch noch einen dritten Schacht von der Erdoberfläche aus in
solcher Weise in den Hohlraum bohren, daß er am oberen Ende des Hohlrrumes oberhalb
des ersten Schachtes (der in diesem Fall nicht den Scheitel des Hohlraumes getroffen
hat) in den Hohlraum mündet. Nach der Explosion wird dann Wasser durch den ersten
Schacht in den unteren Teil des Hohlraumes und durch den zweiten Schacht in den
oberen Teil davon mit solchen Geschwindigkeiten eingeführt, daß das unten eingeführte
Wasser ausreichend erwärmt wird, um laufend überhitzten Dampf zu bilden, worauf
man gegebenenfalls diesen überhitzten Dampf durch direkten Wärmeaustausch mit demjenigen
Wasser abkühlt, das durch den dritten Schacht eintritt.
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Das an die Erdoberfläche geführte Wärmeübertragungsmedium, also Wasser
oder der Wasserdampf, kann in eine Krafterzeugungsanlage geführt werden, z. B. in
ein mit Dampfturbinen betriebenes Kraftwerk. Das Kondenswasser oder den nach Durchgang
durch die Turbinen energieärmer gewordenen Dampf kann man zur Speicherung in einen
zweiten unterirdischen Hohlraum leiten, sofern ein solcher vorgesehen ist. Nach
Ansammlung einer genügenden Menge der Flüssigkeit oder des Gases dort kann man dann,
wie oben dargelegt, eine Explosion in dem zweiten Hohlraum veranlassen. Wenn man
danach die Energie dieser zweiten Explosion nutzbar gemacht hat, leitet man das
energieärmere Wasser oder den Dampf wieder in den ersten Hohlraum zurück und wiederholt
den ganzen Vorgang. Man kann auf diese Weise im Kreislauf immer von neuem Energie
erzeugen, die in einer oder mehreren gemeinsam betriebenen Verwertungsanlagen ausgenutzt
wird. Auf diese Weise wird die stoßweise auftretende Explosionsenergie kontinuierlich
nutzbar gemacht.
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Einzelheiten des Verfahrens sollen nun nachstehend an Hand der Zeichnungen
näher erläutert werden, die einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung behandeln.
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Fig. 1. zeigt eine schematische Ansicht einer Anlage zur Ausführung
des Verfahrens; Fig. 2 zeigt einen größeren Aufriß und Schnitt durch einen Teil
der schematischen Ansicht der Fig. 1, der die Erschließung eines unterirdischen
Hohlraumes erläutert; Fig. 3 und 4 sind schematische Schnittzeichnungen, die eine
andere Ausführungsform der Erfindung erläutern; Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit
zwei Hohlräumen, die abwechselnd als Explosionskammern und zur Speicherung der verbrauchten
Flüssigkeit oder des Dampfes dienen.
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In Fig. 1 wird eine isolierte unterirdische, kompakte, beständige
geologische Salzschicht, z. B. ein Salzdom 10, gezeigt, der zumindestens oben von
anderen Erdschichten, z. B. Sedimentgesteinen, überdeckt ist. Von der Erdoberfläche
12 sind ein und vorzugsweise mehrere Schächte in den Salzdom 10 gebohrt, z. B. 14,
16 und 18. Nach bekannten Verfahren wird Wasser in jeden der Schächte 14 bis 18
eingespritzt, um in dem Salzdom 10 unterirdische Hohlräume von bestimmtem Fassungsvermögen
herzustellen, z. B. die Hohlräume 14', 16' und 18'.
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Fig. 1 zeigt drei Hohlräume, doch versteht es sich von selbst, daß
jede gewünschte Zahl von Hohlräumen möglich ist; wenn man eine kontinuierliche Dampferzeugung
wünscht, braucht man jedoch mindestens zwei Hohlräume.
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Jeder der Schächte 14 bis 18 hat Druckreguliereinrichtungen an der
Erdoberfläche. Zum Beispiel sind Hochdruckventile 22, 24 und 26 von solcher Bauart
vorgesehen, die ohne nachteilige Wirkung einen Druck bis zu etwa 1050 kg/cm22 aushalten.
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Durch Ventile 38, 4.0 und 42 gesteuerte Zweigleitungen 30, 32 und
34 führen von den Hochdruckventilen 22 bis 26 zu einer Ableitung 4.6 und einem Ventil
45, die mit einer oberirdischen Anlage zur Ausnutzung der in den Hohlräumen 14'
bis 18' erzeugten Wärme in Verbindung steht. Beispiele für solche oberirdischen
Anlagen sind Heizanlagen, chemische Bearbeitungsanlagen, z. B. Anlagen zur Dampfkrackung
von Erdölkohlenwasserstoffen, elektrische Kraftanlagen usw. In manchen Fällen kann
es vorteilhaft sein, als Wärmeübertragungsmedium Wasser (d. h., heißes flüssiges
Wasser und Dampf) oder einen Teil davon durch eine Wärmeverwertungsanlage 48 zu
leiten, deren Bauart weiter unten noch näher beschrieben wird. Hierfür öffnet man
ein Ventil 49 in einer Zweigleitung 47 und läßt die gewünschte Menge des erhitzten
Wassers der Anlage 48 zufließen. Das Wasser oder der Dampf fließen nach gänzlicher
oder teilweiser Abgabe ihrer Energie aus der Anlage 48 durch eine Leitung 50 ab,
die zu den durch Ventile 55 und 56 gesteuerten Zweigleitungen 52 und 53 führt.
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Wird z. B. Wasser innerhalb der Hohlräume 14' bis 18' bis zur ausreichenden
Erzeugung von Dampf
erwärmt, so kann mindestens ein Teil des Dampfes
durch die Leitung 46 zur Erzeugung von Elektrizität abgezogen werden. Der Dampf
fließt also dann unmittelbar aus der Leitung 46 durch das geöffnete Ventil 59 in
eine Zweigleitung 58, die zu einer Turbine 60 führt, die als Antriebsmaschine für
einen Generator 62 zur Erzeugung von Wechsel- oder Gleichstrom dient. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, daß man das Ventil 59 schließt und die Ventile
49
und 56 öffnet, so daß der Dampf aus der Leitung 46 durch die Leitung 47
zu einer Bearbeitungsanlage 48 und von dort durch die Leitungen 50, 53 und 58 zum
Generator 60 strömt.
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Der verbrauchte oder energieärmer gewordene Dampf aus der Turbine
60 kann auf jede gewünschte Weise weiterverwertet werden. Zum Beispiel kann man
ihn durch eine Leitung 64 in einen Kondensator 66 leiten, wo er verflüssigt wird,
oder man kann ihn durch eine von einem Ventil 73 gesteuerte Leitung 71 ins
Freie ablassen. Vorzugsweise wird man das Wasser aber im Kreislauf führen, also
von dem Kondensator 66 aus das Wasser und den restlichen Dampf aus der Turbine über
eine Leitung 68 dem Sammler 70 zuführen. Alle noch unkondensierten Gase und Dämpfe
gelangen aus dem Sammler 70 über eine Leitung 72 in einen Schornstein, der so beschaffen
ist, daß darin jede Radioaktivität auf sichere Weise unschädlich gemacht wird. Das
Kondenswasser fließt durch eine Leitung 74 mit einer Pumpe 75 in einen unterirdischen
Hohlraum zurück. Zu diesem Zweck sind die Zweigleitungen 76, 78 und 80 nach den
Schächten 14 bis 18 vorgesehen; die Zweigleitungen 76 bis 80 werden durch Ventile
84, 86 und 88 gesteuert.
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Als Beispiel sei angenommen, daß der Salzdom 10 in der Waagerechten
in mittlerer Höhe der Hohlräume einen Durchnesser von etwa 3,2 km hat. Die Schächte
14 bis 18 sind von der Erdoberfläche 12 her in gewünschter Tiefe in den Salzdom
10 gebohrt und anschließend zu Hohlräumen 14' bis 18' erweitert worden.
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Nach Fig. 2 ist ein mit 14 bezeichneter Schacht bis in die
gewünschte Tiefe in den Salzdom 10 gebohrt. Innerhalb der Schachtbohrung ist mit
Zement 105 ein Einsatzrohr 104 eingesetzt. Der Schacht 14 geht unterhalb
des Einsatzrohres 104 noch weiter in die Tiefe. Innerhalb des Einsatzrohres 104
ist noch ein Rohr von kleinerem Durchmesser angebracht, das anfangs mit einer Verlängerung
107 (gestrichelt dargestellt) nach unten aus dem Einsatzrohr 104 herausragt. Wasser,
das noch nicht mit der auszulaugenden Verbindung (also NaCl) gesättigt ist, pumpt
man nun durch das innere Rohr 106 und dessen Verlängerung 107 in das Salz des Domes
10, damit sich dort durch Auflösung das Salzes .ein Hohlraum bildet. Die entstehende
Salzlauge zieht man durch den ringförmigen Raum zwischen dem Einsatzrohr 104 und
dem Innen rohr 106 ab. Auf diese Weise kann man durch Auflösen einer entsprechenden
Salzmenge einen Hohlraum 14' von gewünschter Tiefe und Durchmesser in dem Dom 10
herstellen. Nach Herstellung des Hohlraumes 14' wird das Verlängerungsrohr
107 herausgezogen.
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Zur Beseitigung der überschüssigen Salzlauge, die von der Herstellung
des Hohlraumes 14' durch Auflösung von Salz in dem Dom 10 stammt, kann man in den
Hohlraum 14' ein Druckgas einleiten, wobei das Verlängerungsrohr entsprechend tief
herabreichen muß, oder man pumpt die Lauge mit Pumpen hoch, die in der Tiefe des
Hohlraumes eingesetzt sind.
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Zur Herstellung des Hohlraumes kann man statt eines einzigen Auslaugeschachtes
auch mehrere Schächte vorsehen.
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Nach Beendigung der Auslaugung füllt man den Hohlraum, wenn nötig,
mit gesättigter Salzlauge bis zu der gewünschten Höhe oder läßt die entstandene
Lauge in entsprechender Menge darin.
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Die Größe des Hohlraumes 14' und seiner Tiefe von der Erdoberfläche
aus ist von der Größe der Kernreaktionseinrichtung abhängig, ferner von dem Ausmaß,
in dem das Wasser erhitzt werden soll, und der Höhe des ständigen Druckes, der im
Hohlraum 14' erzeugt werden soll. Da sich die durch eine Kernreaktionseinrichtung
von gegebener Bauart frei werdende Energiemenge berechnen läßt und da die zur Erwärmung
einer bestimmten Menge Wasser auf bestimmte Temperatur und bestimmten Druck erforderliche
Wärmemenge ebenfalls bekannt ist, läßt sich die Größe des Hohlraumes 14' leicht
ermitteln.
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Will man z. B. 370° C warmen Dampf unter etwa 210 kg/cm2 Druck herstellen
und dafür eine 1-Megatonnen-Kernreaktionseinrichtung verwenden, so sollte der Hohlraum
etwa 0,212 - 108 m3 groß sein. Bei etwa zylindrischer Form des Hohlraumes hat er
dann zweckmäßig eine Tiefe von etwa 1260 m und einen durchschnittlichen Durchmesser
von etwa 144 m. Ein anderer zylindrischer Hohlraum von 3000 m Tiefe müßte im Durchschnitt
einen Durchmesser von etwa 93 m haben.
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Nach der Erzeugung des Hohlraumes zieht man alle entstandene Salzlauge
oder einen Teil davon ab. Zum Beispiel kann die gewünschte Menge Wasser, die in
dem Hohlraum verbleiben soll, 0,0144 - 108 m3 =14,4 - 108 hl betragen. In diesem
Fall ist der Hohlraum zu etwa 6,719/o mit dem Salzwasser ausgefüllt.
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Zwar kann das in dem Hohlraum 14' verbleibende Salzwasser ein Teil
des nach Entstehung der Höhle zurückbleibenden Wassers sein, doch sei hier angenommen,
daß das Auslaugewasser praktisch ganz entfernt wird, wobei man einen trockenen Hohlraum
erhält, in dem man dann vor und teilweise auch nach der Betätigung der Kernreaktionseinrichtung
eine bestimmte Menge frisches Wasser einführt.
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Wenn hier von Wasser die Rede ist, so ist flüssiges Wasser gemeint,
während der Raum oberhalb des flüssigen Wassers Wasserdampf und/oder Luft oder andere
gasförmige Stoffe enthält, die das herausgedrückte oder abgezogene Wasser ersetzt
haben. Vorzugsweise sollte das flüssige Wasser in dem Hohlraum einen PH-Wert von
mindestens etwa 7,5 und vorzugsweise von etwa 8 bis 9 haben. Dem flüssigen Wasser
sollte man deshalb vorzugsweise etwa 0,0001 bis 0,01 Gewichtsprozent einer Base,
wie Natrium- oder Calciumhydroxyd, zugeben.
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Es ist üblich, die Größe einer Kernreaktionseinrichtung durch die
von ihr gelieferte Energie zu bezeichnen. Eine Kernreaktionseinrichtung z. B., die
eine Energiemenge frei macht, die der durch Explosion einer Megatonne TNT. (Trinitrotoluol)
erzielten Menge nutzbarer Energie entspricht, wird zweckmäßig als 1-Megatonnen-Bombe
bezeichnet und liefert 1-01'' Kalorien. Auf dieser Grundlage sieht man je Tonnenäquivalent
der Kernreaktionseinrichtung etwa 7 bis 35 m3 Hohlraum und etwa 71,5 bis 358 hl
Wasser vor.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann die erforderliche
Wassermenge in den Hohlraum 14' durch eine Pumpe 112 gepumpt werden, die
mit dem Schacht 14
durch eine Einrichtung in Verbindung steht, die in der
Zeichnung schematisch gezeigt und mit 114 bezeichnet ist. Darauf läßt man die Kernreaktionseinrichtung
durch den Schacht 14 in den Hohlraum 14' hinunter und schließt den Schacht 14 gegen
die Atmosphäre ab, z. B. durch Verschließen sämtlicher Ventile in der Vorrichtung
114 am oberen Ende des Schachtes. Außerdem kann man einen geeigneten Stopfen oder
ein Abdichtungsmittel 116 in das innere Rohr 106 nahe dessen unterem Ende einführen.
Hierbei kann der Stopfen 115 am unteren Ende des inneren Rohres 106 befestigt sein
und bei entsprechender Rohrlänge bis nahe an das untere Ende des Einsatzrohres 1®4
reichen. Man kann das innere Rohr 106 auch herausziehen und mindestens das untere
Ende des Einsatzrohres 104 oberhalb des Stopfens (z. B. die unteren 300 bis 900
m) mit einem festen oder fest werdenden Werk- oder Baustoff ausfüllen, z. B. mit
Kies, Zement, Kunststoffen u. dgl.
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Die Kernreaktionseinrichtung kann in beliebiger Weise in den Hohlraum
14' eingeführt werden, z. B. durch den Stopfen 116 oder vor dessen Einbringung.
Sie kann auch an einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Kabel herunterhängen.
Außerdem wird man Vorrichtungen zum Zünden der Kernreaktionseinrichtungen zu einem
im voraus bestimmten Zeitpunkt vorsehen oder auch ein elektrisches Kabel, das von
einem über der Erdoberfläche befindlichen Zündmechanismus ausgeht.
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Nach dem Zünden der Kernreaktionseinrichtungen sind die dafür benutzten
Hohlräume, z. B. 14 ', wieder durch die zugehörigen Schächte 14 oder durch andere
(hier nicht gezeigte) Schächte erreichbar, die von der Erdoberfläche unmittelbar
in den Hohlraum 14' gebohrt sind.
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Für die Kernumwandlung dienen solche Einrichtungen, die ihre gesamte
verfügbare Energie praktisch innerhalb von nicht mehr als etwa einer Minute nach
Erreichung des kritischen Punktes durch die Umwandlung freigegeben.
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Die Brennstoffe der Kernreaktionseinrichtungen können aus spaltbaren
Bestandteilen, aus verschmelzbaren Bestandteilen oder beiden bestehen. Die Brennstoffe
sollten möglichst billig sein und möglichst nur Abfallisotope sein. In der folgenden
Tabelle sind einige brauchbare Brennstoffe, die daraus erhältlichen Reaktionsprodukte
und die frei werdenden Energiemengen Q aufgeführt:
| Verwendbare exotherme Kernreaktionen |
| Reaktion Q in meV |
| 1. P#(n,x)D=.............. 2,230 ± 0,005 |
| 2. D2(n,a)T-;.............. 6,25 ± 0,008 |
| @. D'-(p,a)He. ............ 5,50 ± 0,03 |
| 4. D=(d,p)T3 ............. 4,030 ± 0,006 ** |
| 5. D2(d,n)He3 . . . . . . . . . . . . 3,265 ± 0,009 @` |
| 6. T3(p,x)He4 ............ 19,7 ± 0,04** |
| 7. T3(d,n)Her ............ 17,578 ± 0,030 ** |
| B. He3(t,p)He: . ........... 11,18 ± 0,07 |
| 9. He3(n.p)T3 ............ 0,766 ± 0,010 |
| 10. He3(d,p)He4 ........... 18,45 ± 0,017 |
| Bevorzugte Umsetzungen. |
| ** Zu den günstigsten Ergebnissen führende Umsetzungen. |
| Reaktion Q in MeV |
| 11. He3(d,a)Lis ........... 16,3 ± 0,2* |
| 12. He3(He3,p)Lis ......... 10,86 ± 0,15 |
| 13. Lis(n,a)T3 ............. 4,804 ± 0,022 1' |
| 14. Lis(p,a)He3 ............ 4,023 ± 0,003 |
| 15. Lis(d,a)He4 ............ 22,396 ± 0,012** |
| 16. Lis(d,p)Li7 ............ 5,028 ± 0,003'` |
| 17. Lis(d,n)Be7 ............ 3,40 ± 0,05 |
| 18. Lis(t,d)Li7 ........ . ... 0,982 ± 0,007 |
| 19. Lis(He3,p)Bes .......... 16,60 ± z |
| 20. Li?(p,a)He4 ............ 17,346 ± 0,010 |
| 21. Li%(p.x)Be3 ............ 17,l 1 0,2* |
| 22. Li7(d,a)He5 ............ 14,2 ± 0,1 * |
| 23. Li7(d,n)Beg ............ 15,0 ± 0,1* |
| 24. Li7(t,a)He6 ............ 9,79 ± 0,03 |
| 25. Bes-@ 2a .............. 0,094 ± 0,001 |
| Bevorzugte Umsetzung. |
| "`* Zu den günstigsten Ergebnissen führende Umsetzungen. |
Die Kernverschmelzungsreaktion wird normalerweise durch eine ausreichende Masse
eines spaltbaren Elements, z. B. von U233, U235 Pu23s, ausgelöst, das in einen kritischen
Zustand und dadurch zur Explosion gebracht wird.
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Manchmal ist es von Vorteil, wenn man die gewünschte Energiemenge
nur aus Kernspaltungsreaktionen gewinnt. Aus wirtschaftlichen Gründen sind jedoch
Kernverschmelzungensreaktionen vorzuziehen.
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Die bei der Kernreaktion frei werdende Energie erwärmt das Wasser
in dem Hohlraum bis zur Erzeugung von überhitztem Dampf, meist auf Temperaturen
von etwa 425 bis 815° C, unter Drücken von etwa 105 bis 7000 kg/cm2; gleichzeitig
entsteht eine große Zahl verschiedener radioaktiver Isotope aus dem Kernbrennstoff.
Außerdem kann ein Teil des Salzes verflüssigt und/oder verflüchtigt werden, und
es kann molekulares, atomares oder ionisches Chlor oder Natrium usw.,entstehen.
Ferner kann eine kleine Menge Wasser in molekularen, atomaren oder ionischen Sauerstoff,
molekularen, atomaren oder ionischen Wasserstoff und Wasserstoffsuperoxyd oder in
dessen Radiolyseprodukte (z. B. -OH) umgewandelt werden.
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Nach der Explosion hält man den Hohlraum zweckmäßig noch etwa 5 bis
10 Tage verschlossen. Während dieser Zeit zerfallen die kurzlebigen radioaktiven
Einheiten. Die reaktionsfähigen Chlor-, Natrium-, Wasserstoff-, Sauerstoffeinheiten
usw. reagieren mit sich selbst oder miteinander, so daß dann ein thermodynamischer
Gleichgewichtszustand erreicht wird. Diese 5 bis 10 Tage werden nachstehend als
»Dampfreinigungs-Wartezeit« bezeichnet. Nach Ablauf dieser Zeit zapft man den Hohlraum
an, z. B. durch Wegnahme oder Anbohrung des Stopfens 116.
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In Zusammenhang mit Fig. 1 sei - nur als Beispiel und zur Erläuterung
- angenommen, daß als Energiequelle dafür eine 1,0-Megatonnen-Kernreaktionseinrichtung
dient. Es sei ferner angenommen, daß die Turbine 60 eine 300000-Kilowatt-Turbine
sei, die bei einer Dampfeintrittstemperatur von etwa 540° C, einem Dampfeintrittsdruck
von etwa 84 kg/ cm2 und einem Auslaßdruck von etwa 0,14 kg/cm2 arbeitet. Dann erfordert
der Betrieb der Turbine stündlich etwa 1,15610s kg Dampf. Wenn die Hohlräume 14'
bis 18' ein Volumen von je etwa 0,213-108 m3 haben und vor jeder Explosion mit
etwa
14,45-106 hl flüssigem Wasser gefüllt waren, dann entstehen bei der Explosion der
1,0-Megatonnen-Bombe etwa 1,44-109 kg Dampf von etwa 210 kg/cm2 Druck und etwa 540°
C. Bei der angegebenen Dampfaustrittsgeschwindigkeit kann die Turbine 60 etwa 34
Tage lang betrieben werden, bevor der Druck in dem Hohlraum auf etwa 84 kg/cm2 zurückgegangen
ist.
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Im Zusammenhang mit einer Kraftanlage, wie sie soeben beschrieben
wurde, sei eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Für einen möglichst leistungsfähigen kontinuierlichen Betrieb einer
300000-Kilowatt-Anlage sieht man mindestens zwei und vorzugsweise sogar drei Hohlräume
14' bis 18' vor. Der Abstand der Hohlräume 14' bis 18' voneinander und von der Erdoberfläche
sollte mindestens der Gleichung D = KFn entsprechen, in der D den Abstand
in m - 0,3, K eine Konstante in Höhe von 2000 bis 4000, E die Energie der Reaktionseinrichtung
in Megatonnen und n einen Exponenten in Höhe von 0,1 bis 0,5 bedeutet.
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Vorzugsweise ist K etwa 3000 und n etwa 0,3 bis 0,4.
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Zur Vorbereitung einer Kernreaktion füllt man einen Hohlraum, z. B.
14', mit der gewünschten Menge Wasser, führt dann die Kernreaktionseinrichtung in
ihn ein, verschließt den Schacht 14 und zündet die Reaktionseinrichtung, wodurch
das Wasser hoch erhitzt und in Dampf umgewandelt wird. Nach Ablauf der Dampfreinigungszeit
(mindestens 5 bis 10 Tage) zapft man den Hohlraum 14' an, indem man die Ventile
22 und 38 öffnet, so daß Dampf in die Leitung 46 strömt. Durch öffnen eines Ventils
59 in der Zweigleitung 58 kann man ihn unmittelbar in die Turbine 60 einlassen;
hierbei sollte das Ventil 59 von solcher Art sein, daß es den Zutritt des Dampfes
nach der Turbine 60 unter praktisch gleichbleibendem Druck hält.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man das Ventil 59 schließt
und die Ventile 49 und 56 öffnet, so daß der Dampf vor seinem Eintritt in die Turbine
60 durch die Wärmeausnutzungs- oder Bearbeitungsanlage 48 strömen muß. Die
Anlage 48 wird gewöhnlich dann eingeschaltet, wenn der Hohlraum kurz nach der Explosion
angezapft wird, so daß im Dampf noch radioaktive Einheiten enthalten sind, oder
auch als Vorsichtsmaßnahme.
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Die Anlage 48 enthält z. B. eine Schicht aus einem höchst porösen
feinkörnigen Adsorptionsmittel, z. B. aus Holzkohle oder aktiver "-Tonerde, durch
die der Dampf hindurchtritt. Dadurch werden in dem Dampf mitgerissene feste Teilchen
innerhalb der Schicht aus den porösen Medien festgehalten, und außerdem werden gasförmige
Verunreinigungen des Dampfes adsorbiert, die schwerer als der Dampf. sind.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung tragen die porösen
Stoffe eine darauf abgeschiedene katalytisch wirksame Menge eines Katalysators,
z. E. aus Platin, Chromsesquioxyd, Nickeloxyd, um etwa im Dampf vorhandene andere
Stoffe, wie H_." 02 oder Wasserstoffsuperoxyd, zu Wasser (d. h. Dampf) umzuwandeln.
In ähnlicher Weise können andere unter Umständen reaktionsfähige Bestandteile im
Dampfstrom unschädlich gemacht werden. Es versteht sich auch, daß man zum Anzapfen
der Hohlräume auch einen besonderen (in der Zeichnung nicht gezeigten) Auslaßschacht
für diesen Zweck bohren kann.
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Den aus der Turbine 60 kommenden Abdampf kann man durch die Leitung
71 ableiten; vorzugsweise jedoch kondensiert man ihn in dem Kondensator 66
und leitet das erhaltene Wasser vor der anschließenden Rückleitung in einen anderen
Hohlraum, z. B. nach 16', erst in einen Sammler 70. In diesem Fall ist deshalb das
Ventil 40 des Schachtes 16 geschlossen und die Ventile 24 und 86 offen. Etwa zur
gleichen Zeit führt man durch den Schacht 18 Wasser in den Hohlraum 18' ein. Bevor
nun der Druck des Dampfes innerhalb des Hohlraumes 14' durch die Dampfentnahme auf
etwa 84 kg/cm= zurückgegangen ist und vorzugsweise mindestens etwa 5 bis 10 Tage
vor dieser Zeit, bringt man eine Kernreaktionseinrichtung in der vorher beschriebenen
Weise im Schacht 18' zur Explosion.
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Ist dann der Druck in dem Hohlraum 14' auf etwa 84 kg/cm2 gesunken,
so zapft man den Hohlraum 18' an, schließt das Ventil 38 für den Schacht 14 und
öffnet die Ventile 26 und 42 für den Schacht 18, so daß Dampf aus dem Hohlraum 18'
in die Leitung 46 fließt. Gleichzeitig wird auch das Ventil 86 in der Rückführleitung
78 nach dem Schacht 16 geschlossen und das Ventil 84 in der Rückführleitung 76 für
den Schacht 14 geöffnet, so daß das Kondenswasser aus dem Sammler 70 nun in den
Hohlraum 14' fließen kann. Sobald sich später der Druck in dem Hohlraum 18' durch
die Dampfentnahme dem Wert 84 kg/cm2 nähert, bringt man in dem Hohlraum 16' eine
neue Kernreaktionseinrichtung zur Explosion und stellt danach die Ventile so ein,
daß Dampf aus dem Raum 16' abziehen und Kondenswasser aus dem Sammler 70 nach 18'
fließen kann. Sobald sich später der Druck des Dampfes in dem Raum 16' 84 kg/cmL
nähert, zündet man eine Kernreaktionseinrichtung im Hohlraum 14' und wiederholt
diesen Kreislauf beliebig oft.
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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist in Fig. 3 und 4 schematisch
dargestellt.
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Fig. 3 zeigt einen unter der Erdoberfläche liegenden Salzdom 200,
der von oben her durch mindestens einen Hauptschacht 202 angebohrt ist. Nach dieser
Ausführungsform hat man in dem Salzdom 200 unterhalb des Hauptschachtes 202 einen
länglichen Hohlraum 206 hergestellt, der hier zwischen etwa 15 und 60 m Durchmesser
und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens wie etwa 30:1 hat. Vorzugsweise
liegt das Länge-Durchmesser-Verhältnis zwischen etwa 50:1 und etwa 100:1. Ein erster
Seitenschacht 210 mit einem für die Einführung einer Kemreaktionseinrichtung ausreichenden
Durchmesser wird nun so gebohrt, daß er den Hohlraum 206 in mittlerer Höhe trifft,
und ein zweiter Seitenschacht 214 so, daß er den Hohlraum 206 unten trifft. Man
kann auch noch einen dritten Seitenschacht 218 so bohren, daß er den Hohlraum 206
an seinem oberen Ende trifft. Bei dieser Ausführungsform können etwa die untersten
10 bis 40 % des Hohlraumes (z. B. 206)
mit einem stückigen Feststoff gefüllt
werden. Zum Beispiel kann der Hohlraum 206 teilweise mit Kies 222 oder einem ähnlichen
stückigen Gut gefüllt sein. Als nächsten Schritt bringt man eine Kernreaktionseinrichtung
durch den ersten Seitenschacht 210 in einer Stellung seitlich von der Achse des
Hohlraumes
und vorzugsweise an einer Wand davon etwa in mittlerer
Höhe an. Vorzugsweise befindet sich die Vorrichtung oberhalb des Spiegels der Wasser-
oder Feststoff-Füllung in dem Hohlraum.
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Die Kernreaktionseinrichtung wird so bemessen, daß bei ihrer Explosion
die frei werdende Energie zur Verflüchtigung und/oder zum Schmelzen des Salzes an
den Wandungen der Höhlung ausreicht. Die Verflüchtigung und das Schmelzen sind am
Explosionspunkt am ausgeprägtesten, so daß sich die Form des Hohlraumes in der Explosionszone
durch Umwandlung des ursprünglich darin enthaltenen festen Salzes in den flüssigen
oder dampfförmigen Zustand zu einer kugeligen bis elliptischen Form erweitert. Sobald
einige Tage nach der Explosion ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, ist mindestens
ein Teil des verflüchtigten Salzes in den flüssigen Zustand kondensiert, so daß
der untere, unterhalb der elliptischen Zone liegende Teil des Hohlraumes mindestens
teilweise mit geschmolzenem Salz gefüllt ist.
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Fig. 4 zeigt, wie sich der längliche Hohlraum 206 (Fig. 3) in der
Mitte zu einem kugeligen bis elliptischen Raum 228 erweitert hat_, entweder durch
Verflüssigung des Salzes an der Explosionsstelle oder durch gleichzeitige Verflüchtigung
und Schmelzen des Salzes. Das flüssige Salz, dessen Temperatur über dem Schmelzpunkt
liegt, sammelt sich im Unterteil des Hohlraumes 206 unterhalb der Erweiterung 228
zu einem Sumpf. Infolge der Explosion kann in gewissem Umfang Salz von den Hohlraumwänden
absplittern, doch werden solche Absplitterungen auch alsbald flüssig und sammeln
sich mit in dem Sumpf an, dessen Spiegel bei 230 liegt.
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Das vorhandene Wasser befindet sich im Dampf oberhalb des Sumpfes,
zusammen mit Luft oder anderen ursprünglich vorhandenen Gasen, und steht im Gleichgewicht
mit dem vorhandenen Salzdampf.
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Der Durchmesser der kugelförmigen bis elliptischen Hohlraumerweiterung
228 hängt natürlich von der Stärke der vorausgegangenen Explosion ab. War der Hohlraum
206 z. B. anfangs etwa 1500 m lang und etwa 30 m im Durchmesser und ergab die Kernreaktionseinrichtung
eine Leistung von 1 Megatonne, so kann die Erweiterung 228 einen Durchmesser von
etwa 150 m erreichen.
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Der nach der Explosion in dem Hohlraum gebildete Dampf kann durch
den Hauptschacht 202 abgezogen werden. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein,
wenn man gleichzeitig Abschreckwasser durch den dritten Seitenschacht 218 am oberen
Ende des Hohlraumes 206 einspritzt, um einen unmittelbaren Wärmeaustausch durch
Berührung des Dampfes mit Wasser zu erreichen, so daß sich die Temperatur des durch
den Hauptschacht 202 entweichenden Dampfes auf die gewünschte Höhe einstellt.
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Enthält der Hohlraum 206 praktisch kein Wasser mehr, so kann man frisches
Wasser zur Umwandlune in Dampf durch die Seitenschächte 210 oder 214 in den Unterteil
des Hohlraumes 206 einspritzen. Der entstandene Dampf entweicht aus der Salzschmelze
und zieht durch den Hauptschacht 202 ab. Auch hierbei kann Abschreckwasser am oberen
Ende des Hohlraumes 206 durch den Schacht 218 eingeführt werden, um die Temperatur
des durch den Schacht 202 abströmenden Dampfes zu regulieren.
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Wenn die durch Explosion einer Kernreaktionseinrichtung in dem Hohlraum
208 erzeugte Wärme durch Abziehen von Dampf praktisch verbraucht ist, läßt man eine
ähnliche Einrichtung in einem benachbarten Hohlraum explodieren, und verfährt dabei,
wie oben an Hand von Fig. 1 erläutert, so, daß kontinuierlich Dampf geliefert wird.
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Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung bietet
verschiedene Vorteile. Zum Beispiel lassen sich längliche schmale Hohlräume in Salzdomen
mit Wasser ziemlich billig durch Auslaugung herstellen. Die durch die Explosion
entstandene Salzschmelze stellt einen Wärmespeicher dar, so daß man in beliebig
großer Menge und zu jedem gewünschten Zeitpunkt nach der Explosion Wasser zwecks
Umwandlung in Dampf nachfüllen kann. Außerdem ist, wenn die Schächte 214 und 218
mindestens etwa 30 m Hohlraumdurchmesser von der Explosionsstelle entfernt liegen,
die Gefahr von Stoßschäden in diesen Schächten nur sehr gering.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 stellt man zwei kugelige Hohlräume
A und B durch Niederbringen von Bohrlöchern 1 und 2 her, etwa in derselben
Weise, wie es für Erdölbohrungen üblich ist. Diese Bohrlöcher haben vorzugsweise
Durchmesser von 50 bis 75 cm. Zur Schaffung der Hohlräume A und
B erweitert man die Bohrlöcher dann unten durch eine Reihe von immer stärkeren
Sprengungen. Wenn auch zur Vermeidung von Explosionsdurchschlägen nach der Erdoberfläche
hin das Arbeiten mit mehreren aufeinanderfolgenden Explosionen zweckmäßig ist, so
ist es doch zur Vermeidung von Nachbohrungen gut, mit so wenig Sprengungen wie möglich
auszukommen. Zum Beispiel kann man für die erste Explosion eine kleine Kernreaktionseinrichtung
von etwa 10 Kilotonnen und anschließend für eine zweite Explosion eine Kernverschmelzungsbombe
von etwa 1 Megatonne zur Herstellung des endgültigen Hohlraums nehmen. Die so hergestellten
Hohlräume sollten sich mindestens 1200 m unter der Erde befinden oder zumindest
hinreichend tief unter der Erdoberfläche, um eine Oberflächenzerstörung durch die
Explosion zu vermeiden. Die so hergestellten Hohlräume sind annähernd kugelförmig
und haben Durchmesser von 240 bis 720 m. Es wurde gesc'@iätzt, daß die Hohlräume
auch bei Verwendung einer Bombe, deren Leistung 20 Megatonncn (TNT) entspricht,
nur 3300 m unterhaib der Erdoberfläche zu liegen brai:chcn, urn Zersiörungen an
ihr zu vermeiden.
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Einer der Hohlräume, z. B. A, wird dann zu 50 bis 75 % seines Fassungsvermögens
mit Wasser oder einer ähnlichen Flüssigkeit 3 gefüllt, während er im übrigen Teil
(in Raum 4) ein Gas 4, wie Luft, Dampf, Stickstoff, Wasserstoff, Erdgas usw., vorzugsweise
ein Gas von geringer Dichte, enthält. Dieses Gas übt eine Pufferwirkung aus und
mildert die Stoßwelle der Explosion stark. Bei der darauffolgenden Einführung der
Kernreaktionseinrichtung (6) in den Hohlraum bringt man sie - von oben gesehen -
etwa in der Mitte des Hohlraumes und - von der Seite gesehen - im mittleren Drittel
unterhalb der Wasseroberfläche an, wie es aus der Zeichnung hervorgeht, und dichtet
dann das Bohrloch 1 ab. Dies kann durch Ausfüllen des Bohrloches auf eine bestimmte
Höhe, z. B. 600 m, unter Verwendung von üblichem Zement oder einer weichen, leicht
ausbohrbaren Masse, z. B. Asphalt, geschehen. Nach der Kernexplosion beträgt die
Temperatur in der Höhle etwa 260 bis 1100° C. Der Druck wird durch das Gewicht des
Abraums
über dem Hohlraum bestimmt. Nach der Explosion treibt man
ein weiteres Bohrloch oder eine Leitung 7 zum Abzapfen der erwärmten Übertragungsmedien
(Flüssigkeit oder Gase und Dämpfe) in den Hohlraum hinein, das vorzugsweise bis
in das untere Achtel des Hohlraumes reicht. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung steigen die erhitzte Flüssigkeit oder die Gase durch die Leitung 7
in einen Wärmeaustauscher 8 und erwärmen dort eine für Stromversorgungszwecke bestimmte
Flüssigkeit oder ein Gas. Zum Beispiel wird hier Wasser in einer Leitung 9 verdampft.
Der erhaltene Dampf strömt aus der Leitung 9 einer Kraftanlage 13 zu, z. B. einem
mit Dampfturbinen betriebenen Kraftwerk. Die F!üssigkeit oder das Gas aus der Leitung
7 strömt dann nach Abgabe eines Teils seiner Energie in dem Wärmaustauseher 8 durch
die Leitung 11 in den zweiten Hohlraum B und wird gespeichert.
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Je nach der Größe der Anlage kann dieses Abzapfen von erhitzter Flüssigkeit
oder Dampf aus dem Hohlraum A mehrere Wochen, z. B. 2 bis 50 Wochen, andauern. Schließlich
werden etwa 50 bis 100% des ursprünglich in dem HohlraumA enthaltenen Wassers durch
die Leitungen 7 und 11 in den Hohlraum B übergeleitet. Bei dieser Ausführungsform,
die einen Wärmeaustauscher 8 benötigt, lassen sich etwa 30 bis 80 % der Energie
der Kernreaktionseinrichtung 6 in dem Wärmeaustauscher gewinnen.
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Infolge der Abkühlung der Flüssigkeit in der Leitung 7 auf ihrem Weg
durch den Wärmeaustauscher 8 wird sie dichter, so daß sie durch den Dichteunterschied
von selbst in der Leitung 11 nach unten in den Hohlraum B sinkt. Die bei dieser
Umlaufführung auftretende Kraft beträgt etwa 35 kg/cm2, es sind deshalb keine Förderpumpen
nötig.
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Zwar könnte man die abgekühlte Flüssigkeit aus dem Wärmeaustauscher
auch in denselben Hohlraum zurückleiten, aus dem sie gekommen ist, doch würde sie
die zurückgebliebene Flüssigkeit usw. in dem Hohlraum abkühlen, so daß die Temperatur
allmählich zurückgehen und die thermodynamische Leistung verringert werden würde.
Nach der Erfindung wird dies durch Anordnung eines zweiten Hohlraumes vermieden.
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Zur Erleichterung dieses Umlaufs der Flüssigkeit zwischen den Hohlräumen
kann man aus dem Hohlraum B das Gas durch ein Bohrloch 2 nach dem Bohrloch 1 des
Hohlraumes A leiten, so daß das ganze System durch die natürlichen Dichteunterschiede
der Flüssigkeiten von selbst in Bewegung bleibt. Gegen Ende dieses Umlaufs kann
es aber vorkommen, daß die durch die Dichteunterschiede bedingte Kraft nicht mehr
ausreicht, um die Strömung in Gang zu halten, so daß man durch Pumpen der Gase zusätzliche
Antriebskraft schaffen muß. Hierfür ist z. B. eine Pumpe 12 vorgesehen, die in entsprechender
Weise mit den Leitungen 2 und 1 in Verbindung steht.
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Wenn die Flüssigkeit im Hohlraum A erschöpft ist, hat die kalte Flüssigkeit
in dem Hohlraum B etwa die richtige Höhe für die Wiederholung des Kreislaufs. Diese
Höhe läßt sich durch Zusatz von Wasser regulieren. Der Hohlraum B ist sodann für
die nächste Explosion bereit. Sobald diese erfolgt ist, tauschen die Hohlräume ihre
Funktionen, d. h. der Hohlraum B liefert die heiße Flüssigkeit oder die Gase, und
der Hohlraum A nimmt die kalte Flüssigkeit auf. Um die Stromerzeugung so einheitlich
und gleichbleibend wie nur möglich zu gestalten, können für jedes Kraftwerk mehrere
Hohlräume vorhanden sein.
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Beispiel In einem vulkanischen Gestein bringt man zwei Bohrlöcher
von 75 cm Durchmesser bis zu einer Tiefe von 5250 m unterhalb der Erdoberfläche
nieder. Diese Bohrlöcher erweitert man an ihren unteren Enden zu kugeligen Hohlräumen
von bis zu etwa 600 m Durchmesser durch wiederholte Kernexplosionen von immer größerer
Stärke, wobei man von Kernreaktionseinrichtungen mit Leistungen entsprechend 10
Kilotonnen TNT ausgeht.
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Einen der Hohlräume füllt man dann zu 75% seines Fassungsvermögens
mit Wasser aus; im übrigen enthält er Luft.
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Nun bringt man eine Kernverschmelzungsbombe mit einer Leistung von
20 Megatonnen TNT in die Mitte des so erzeugten Hohlraumes 150 m unterhalb
der Wasseroberfläche ein, verstopft das Bohrloch auf eine Höhe von 60 m mit wenig
durchlässigem Asphalt und zündet die Bombe.
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Zum Abzapfen des erhitzten Übertragungsmediums aus dem Hohlraum bohrt
man sodann ein zweites Loch von 75 cm Durchmesser und führt dadurch eine entsprechende
Rohrleitung bis auf 30 m an den Boden des Hohlraumes ein. Der Druck in dem Hohlraum
beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 1540 kg/cm2, die Temperatur des Mediums etwa 650°
C.
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Das heiße Flüssigkeits- und Dampfmedium läßt man nun mit einer Geschwindigkeit
von 2700 kg Dampf in der Sekunde unter 1050 kg/cm2 Druck an die Oberfläche
steigen. Dieses Medium strömt erst durch einen Wärmeaustauscher und dann, noch 370°
C warm, und unter 1680 kg/cm2 Druck an die Erdoberfläche, nach dem zweiten Hohlraum.
Diesen Vorgang setzt man etwa 40 Wochen lang fort; am Ende dieser Zeit ist die Fließgeschwindigkeit
zwar noch etwa dieselbe, nämlich 2700 kg Dampf in der Sekunde, aber der Druck beträgt
nur noch 700 kg/ cm'-' und die Temperatur nur noch 4000 C. Der Kreislauf wird nun
abgestoppt, und der andere Hohlraum wird für die nächste Explosion vorbereitet.
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Auf diese Weise werden bei einem Leistungsgrad von etwa 18 %, bezogen
auf die bei der Kernumwandlung frei gewordene Energie, .etwa 4 - 109 Kilowattstunden
Elektrizität erzeugt.
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Zwar ist für das vorliegende Verfahren jede bekannte Kernreaktionseinrichtung
brauchbar; doch soll zur Erreichung möglichst hoher Leistungen die Kernreaktionseinrichtung
vorzugsweise eine Stärke von etwa 1 bis 20 Megatonnen haben.
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Anstatt eine fertige Kernverschmelzungsbombe durch das Bohrloch in
den Hohlraum einzuführen, kann man sie auch unter der Erde zusammensetzen. Hierzu
kann man einen blasenartigen Behälter aus Kupfer verwenden, der zum Einsetzen in
das Bohrloch flachgedrückt und gerollt worden ist. Sobald er den Hohlraum erreicht
hat, drückt man den Kernbrennstoff in den Behälter ein, um ihn auf die gewünschte
Form aufzublähen. Sodann wird der Kernbombenzünder eingesetzt, und die Ladung ist
fertig zur Explosion.
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Durch die Anordnung der Vorrichtung nach der Erfindung pflanzt sich
die Stoßwelle leicht durch die Flüssigkeit fort, und der nach unten gerichtete Teil
der
Welle wird leicht in die umgebende Felsschicht abgeleitet, wie die gestrichelten
Pfeile angeben. Der aufwärts gerichtete Teil der Welle hingegen trifft auf die Gasschicht
in dem Hohlraum. Da eine übertragung von Stoßenergie von einer dichten Flüssigkeit
auf das weniger dichte Gas sehr wenig wirksam ist, wird ein großer Teil der Stoßenergie
zurückgeworfen. Die kleine Menge, die sich durch das Gas weiterbewegt, wird wiederum
von dem Gas nur wenig auf das darüberliegende Gestein übertragen, so daß der größte
Teil der Energie zurückgeworfen wird, wie die gestrichelten Pfeile andeuten. Auf
diese Weise setzt sich nur ein sehr kleiner Teil der Ausgangsenergie als Stoßwelle
nach der Oberfläche hin fort.
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Zur weiteren Abschwächung der Stoßwelle kann man noch andere Mittel
vorsehen. Zum Beispiel kann die Kernverschmelzungseinrichtung »zwiebelförmig« aufgebaut
sein, um die Stoßwelle weniger steil ansteigen zu lassen. Hierbei besteht die Vorrichtung
aus konzentrischen Kugelschalen. In der Mitte befindet sich der Zünder, und unmittelbar
um ihn herum liegt ein Mantel aus dem Brennstoff, der gerade dick genug ist, um
die Kernreaktion zu unterhalten. Um diesen herum liegt eine inerte Schicht, die
ausreicht, um die durch die Zentralschmelzung frei werdende Energie auf eine Temperatur
abzuschwächen, bei der sie gerade noch fähig ist, eine weitere Verschmelzung einzuleiten.
Auf diese Schicht folgt sodann eine weitere Schale aus Brennstoff von kritischer
Dicke und auf diese Schale eine weitere inerte Schale zur abermaligen Abschwächung
usw. Auf diese Weise können so viele Schichten übereinandergelegt werden, wie zur
Erreichung der gewünschten Gesamtstärke der Explosion erforderlich sind.
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Bei der Explosion einer solchen »zwiebelartigen« Bombe reagieren die
aufeinanderfolgenden Schichten individuell. Sobald eine Brennstoff-Zwischenschicht
reagiert, wird ein Teil der Energie nach der Mitte hin zurückgeworfen, und nur ein
Bruchteil wird von der sich nach außen fortpflanzenden Stoßwelle mitge= nommen.
Zuletzt strahlt natürlich sämtliche Energie nach außen, aber durch die »zwiebelartige«
Anordnung wird ein großer Teil der Energie erst hinter der ersten Wellenfront wirksam.
Infolgedessen ist die entsprechende Stoßwelle weder so steil noch so hoch, wie sie
bei gleichzeitiger Explosion des gesamten Brennstoffes wäre. Eine derartige »ZwiebeIvorrichtung«
eignet sich besonders gut für unterirdische Explosionen zur Erzeugung von Strom
nach der Erfindung.
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Die Gefahr einer radioaktiven Verseuchung von Grundwasser muß natürlich
möglichst vermieden werden. An sich bietet dies keine ernsten Schwierigkeiten, doch
lassen sich diese dadurch beseitigen, daß man die Bedingungen während der Herstellung
der Hohlräume so einrichtet, daß deren Wandungen ringsum glasiert werden. Diese
»Glasierung« trägt dann außerdem dazu bei, Verluste an dem erwärmten Übertragungsmedium
aus dem Hohlraum zu verhindern. Man kann also z. B. durch entsprechende Auswahl
der Hohlraumgröße, der Bombengröße und der Menge und Art des Übertragungsmediums,
namentlich durch Wahl solcher Mittel von hoher Dichte, die Temperatur- und Druckbedingungen
so steuern, daß man die erwähnte »Glasierung« der Hohlraumwandungen erreicht. Diese
Glasierung verhütet eine Versickerung des Mediums in dem umgebenden Gestein, das
unter den in dem Hohlraum herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen porös sein
oder werden kann.