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Einrichtung zur Untersuchung von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen von Material, insbesondere durch unmittel- bare Einwirkung der Energie kleiner Teilchen. Sie ist für die verschiedensten Zwecke verwendbar, be- sonders ist sie jedoch für die Untersuchung von Erdformationen geeignet, die von einem Bohrloch durch- teuft sind, und sie soll daher auch für diese Verwendung beschrieben werden.
Bisher hat man Erdformationen durch Bestrahlung mit Neutronen oder Gammastrahlen untersucht und dadurch Anzeigen von Kernerscheinungen erhalten, die sich durch die Bestrahlung ergaben. Diese Ver- fahren haben zwar zu einem grossen Erfolg geführt, benötigen aber die Anwendung einer Quelle strahlen- der Energie und eines Detektors. Die von der Energiequelle ausgesendete Strahlung ist von den Eigen- schaften der Formation und der von dem Detektor aufgenommenen Strahlung unabhängig. Infolgedessen konnten bei den früheren Untersuchungssystemen nur indirekte Verfahren für die Untersuchungen durch- geführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung insbesondere für die Bohrlochuntersuchung, bei der das die Formation bildende Material auf eine Quelle strahlender Energie steuernd einwirkt. Demnach ist eine
Einrichtung zur Untersuchung von durch ein Bohrloch durchteuften Erdformationen, versehen mit einem in dem Bohrloch bewegbaren Gehäuse, einer Neutronenquelle zur Bestrahlung der Erdformationen und einer Einrichtung zur Anzeige der von dieser Bestrahlung herrührenden Kernerscheinungen dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle von einem Kernreaktor für Kettenreaktionen gebildet wird, der eingerichtet ist, unter dem Einfluss der zwecks Untersuchung bestrahlten Erdformationen sowie einer Steuereinrichtung zur Erzielung einer vorbestimmten Betriebscharakteristik des Reaktors eine neutronenerzeugende Kettenreaktion zu bewirken,
wobei die Anzeigeeinrichtung auf diese Steuereinrichtung anspricht.
An Hand der Zeichnungen werden die Anordnung und die Arbeitsweise sowie weitere Merkmale des Gegenstandes der Erfindung beschrieben, u. zw. ist :
Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt durch eine Neutronen-Bohrloch-Untersuchungseinrichtung gemäss der Erfindung. Fig. 2 und 3 sind Querschnitte durch Fig. 1 in Richtung der Linien 2 - 2 bzw. 3 - 3 in einem vergrösserten Massstabe. Fig. 4 ist ein Grundriss eines Teiles der Steuervorrichtung in der Einrichtung nach Fig. 1 in vergrössertem Massstabe. Fig.. 5 und 6 sind vereinfachte schematische Darstellungen der Einrichtung nach Fig. 1 und zeigen die Arbeitsbedingungen, die in der Einrichtung erreicht werden können. Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1.
In Fig. 1 weist die Neutronen-Bohrloch-Untersuchungseinrichtung ein druckfestes Gehäuse 10 auf, das in einem mehrere Erdformationen 12 durchquerenden Bohrloch 11 liegt. Das Bohrloch 11 enthält gewöhnlich eine wasserstoffhaltige Bohrflüssigkeit 13, z. B. einen Schlamm auf Öl- oder Wasserbasis. Das Gehäuse 10 ist in dem Bohrloch 11 mittels eines armierten Kabels 14 aufgehängt, durch das es mittels einer Winde in der üblichen Weise gehoben und gesenkt werden kann.
Das Gehäuse 10 besteht aus einem oberen und einem unteren zylindrischen Teil 15 bzw. 16 von gleichem Durchmesser. Diese beiden Teile liegen in der Längsrichtung in einer gewissen Entfernung voneinander und weisen ähnliche schulterartig abgesetzte Teile 17 bzw. 18 von geringem Durchmesser auf. Der Durchmesser der Schulterteile 17 und 18 ist etwa gleich dem äusseren Durchmesser eines Behälters 19,
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der innerhalb des Gehäuses 10 liegt.
Um den Behälter 19 an Ort und Stelle zu halten und eine druckfeste
Verbindung zwischen dem Gehäuse und den Abteilungen 15 und 16 zu schaffen, wird ein Beryllium- zylinder 20 mit einem inneren Durchmesser, der gleich dem äusseren Durchmesser des Behälters 19 ist, zuerst erhitzt, so dass er sich ausdehnt, und nach dem Zusammenbau der Teile 15, 16, 19 und 20 abkühlt, i so dass er auf die Schulterteile 17 und 18 und auf dem Behälter 19 aufgeschrumpft ist. Die Wand des Zy- linders 20 ist dUnner als die Wände der Gehäuseteile 15 und 16, so dass das Gehäuse 10 eine glatte gleich- mässige Aussenfläche hat.
Der Behälter 19 besteht aus einer verhältnismässig dünnen Hülse aus nichtrostendem Stahl und einer oberen und einer unteren halbkugelförmigen Endkappe 21 bzw. 22. Die obere Kappe 21 weist eine Öffnung 23 auf, die mit einer Ausdehnungskammer 24 in Form eines Balges aus rostfreiem Stahl verbunden ist und das obere Ende dieses Balges ist mit einem Verschluss 25 versehen. Durch den Verschluss 25 geht ein Füllrohr 26 hindurch und an dem Verschluss ist ein Entlüftungsrohr 27 vorgesehen. Die Rohre 26 und
27 sind gewöhnlich durch Steuerventile 28 bzw. 29 geschlossen. Diese Ventil- und Rohranordnung bildet die Mittel zum Einführen einer Kern-Kettenreaktionslösung R in den Behälter 19.
Die Lösung R kann z. B. aus in Wasser gelöstem Uranylsulfat bestehen. Das Uranylsulfat kann in be- kannter Weise hergestellt sein, das reich an der Isotope vom Atomgewicht 235 ist. Vorzugsweise ist die
Konzentration an Uranium 235 gegenüber Uranium 238 grösser als 15 dz
Das Wasser soll sehr rein sein, so wie man es durch die üblichen Destillationsverfahren erhält. Die
Menge des verwendeten Uranylsulfats wird so gewählt, dass ein Atomverhältnis von Wasserstoff zu Uranium in der Nähe von 200 erhalten wird. Eine solche Lösung ist bei einem gegebenen Volumen und einer ge- gebenen Oberfläche des Behälters 19, wie er für ein Bohrloch geeignet ist, gewöhnlich inaktiv, aber un- ter gewissen Bedingungen innerhalb des Bohrloches 10 kann eine steuerbare Kern-Kettenreaktion herge- stellt werden.
Um eine Kern-Kettenreaktion besser aufrechtzuerhalten, ist je ein oberer und ein unterer Neutronen- reflektor 30 bzw. 31 innerhalb des Gehäuses 10 angebracht. Die Reflektoren können z. B. aus Beryllium bestehen und mit halbkugelförmigen konkaven Flächen versehen sein, so dass sie dicht an die halbkugel- förmigen Kappen 21 und 22 des Behälters 19 angelegt werden können. Der obere Reflektor 30 weist eine
Aussparung 32 zur Aufnahme des Balgs 24 auf und enthält Bohrungen, durch die die Rohre 26 und 27 hin- durchgehen.
Die Reflektoren 30 und 31 sind so dick, dass innerhalb des Behälters 19 frei werdende Neutronen, die sich in der Längsrichtung des Bohrloches 11 bewegen, nach dem Behälter reflektiert oder absorbiert wer- den. Dementsprechend bilden die Reflektoren 30 und 31 Abschirmungen für den Reaktor und da der Zy- linder 20 verhältnismässig dünn ist, ist der übrige Teil des Behälters 19 ohne Schirm, so dass Neutronen seitlich aus dem Reaktor heraus-und in die Erdformation 12 eintreten können.
Um den Reaktor zu steuern, ist ein Steuerstreifen 33 in Form eines endlosen Riemens oder Bandes mit Durchlochungen vorgesehen, in die die Zähne zweier Zahnräder 34 und 35 eingreifen. Letztere sind drehbar oberhalb des Reflektors 30 gelagert. In die Lochung des Streifens greift ferner ein Zahnrad 36 ein, das unterhalb des Reflektors 31 drehbar gelagert ist. Wie aus Fig. 2 zu ersehen, weist der Gehäuse- teil 15 einander gegenüberliegende, sich in der Längsrichtung erstreckende Aussparungen 37 und 38 auf, die das Band 33 aufnehmen. Der Gehäuseteil 16 ist in ähnlicher Weise gestaltet, es ist dies aber aus der
Zeichnung nicht zu ersehen. Zusätzlich hat der Zylinder 20, wie in Fig. 3 gezeigt, eine sich in der
Längsrichtung erstreckende Aussparung 39, die in gleicher Richtung mit der Aussparung 37 des Gehäuse- teiles 15 liegt.
Eine ähnliche, nicht gezeigte Aussparung in dem Zylinder 20 liegt in gleicher Richtung mit der Aussparung 38. Demgemäss kann sich das Band 33 in einer Bahn neben dem freien oder verhält- nismässig unabgeschirmten Teil des Reaktors entlang bewegen, die sich über die Reflektoren 30 und 31 hinaus erstreckt.
Das Steuerband 33 kann aus einem beliebigen, Neutronen absorbierenden Stoff bestehen, der auf einen nicht absorbierenden Stoff in einer beschränkten Menge aufgetragen ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das Band 33 auch ein in der üblichen Weise lichtempfindlich gemachter Nitrozellulosefilm sein, der in bekannter Weise exponiert und entwickelt ist, um einen Silberniederschlag 40 von ständig wech- selnder Dichte entlang einem Abschnitt 41 zu erzeugen, während ein folgender Abschnitt 42 ohne Über- zug ist. Das Band 33 kann auf diese Weise aus einem Neutronen absorbierenden oder verlangsamenden
Teil 41 bestehen, der etwas länger ist als der Behälter 19, und einem darauf folgenden, nicht absorbie- renden Teil 42 von gleicher Länge.
Das Band 33 weist ferner einen absorbierenden Abschnitt 43 (Fig. 5) auf, der dem absorbierenden Teil 41 gegenüberliegt, aber bezüglich der veränderlichen Dichte umge- kehrt eingerichtet ist, und durch einen nichtabsorbierenden Teil 44 mit dem Abschnitt 41 verbunden ist.
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Um die Reaktion innerhalb des Behälters 19 so zu steuern, dass eine bestimmte Charakteristik, z. B. ein konstanter Neutronenfluss, aufrechterhalten wird, ist innerhalb einer geschlossenen Aussparung 46 an dem oberen Ende des Reflektors 30 ein Neutronendetektor 45 (Fig. l) angeordnet, der eine übliche, mit
Kadmium abgeschirmte Geiger-Röhre oder ein Proportionalzähler sein kann. Der Detektor 45 ist elek- trisch mit einem üblichen Verstärker 47 gekoppelt, der seinerseits mit einem Integrator 48 gekoppelt ist, in dem eine Spannung entwickelt wird, die den an dem Detektor auftretenden Neutronenfluss darstellt.
Diese Spannung wird einem üblichen Steuerkreis 49 zugeführt, der durch einen elektrisch isolierten Lei- ter 51 des Kabels 14 mit dem einen Pol einer an der Erdoberfläche befindlichen Stromquelle, z. B. einer
Batterie 50 verbunden ist und über einen weiteren Kabelleiter 52 und einen Schalter 53 mit dem zweiten
Pol der Batterie in Verbindung steht. Bei geschlossenem Schalter 53 wird einem Antriebsmotor 54 un- mittelbar Energie zugeführt und dieser Motor ist durch eine schematisch durch die gestrichelten Linien55 dargestellte Kupplung mechanisch mit einem Zahnrad 34 gekuppelt.
Der Steuerkreis 49 wird auch durch einen weiteren Erregerkreis über einen Kabelleiter 56 und einen
Schalter 57 geschlossen. Wenn der Schalter 57 geschlossen ist, spricht der Steuerkreis 49 auf die Span- nung von der Quelle 48 an und steuert den Motor 54, der das Band 33 so verschiebt, dass die Neutronen- abgabe des Reaktors bei einer gewünschten Bezugshöhe gehalten wird.
Um eine Aufzeichnung der Stellung des Steuerbandes 33 zu erhalten, ist ein veränderlicher Wi- derstand 58 durch die als gestrichelte Linie 59 schematisch angedeuteten Mittel mechanisch mit dem
Zahnrad 35 gekuppelt. Der Widerstand ist durch Kabelleiter 60 und 61 elektrisch mit einem üblichen registrierenden Ohmmeter 62 verbunden, das sich auf der Erdoberfläche befindet. Der Registrierstrei- fen in dem Ohmmeter 62 kann entsprechend der Bewegung des Gehäuses 10 durch das Bohrloch 11 ver- schoben werden, so dass eine ständige Aufzeichnung als Funktion der Tiefe in dem Bohrloch erfolgt. Eine solche Aufzeichnung zeigt die Stellung des Steuerbandes 23 gegenüber einer Bezugslage an, in der eine gewählte Arbeitscharakteristik für die Reaktion innerhalb des Stoffes R hergestellt ist.
Obwohl der beschriebene Reaktor infolge der von selbst erfolgenden Spaltung im Uran 238 und der unter gewöhnlichen Verhältnissen nur geringen Neutronendichte in Bohrlöchern selbsttätig in Gang kom- men könnte, kann es erwünscht sein, dass der Reaktor nicht zu grosse Schwankungen im Neutronenfluss aufweist. Dementsprechend kann man eine kleine Neutronenquelle 63 neben dem Reaktorkern anordnen.
Z. B. kann eine solche Quelle in einer Aussparung 64 an der oberen Fläche des unteren Reflektors 31 an- geordnet sein. Diese Quelle kann die übliche Zusammensetzung haben mit einer Neutronenstärke von ungefähr 10 Millicurie. Z. B. kann eine Mischung von Radium und Beryllium oder vonpolonium und
Beryllium verwendet werden.
Um die beschriebene Untersuchungseinrichtung vor ihrem Einfügen in das Bohrloch 11 einzustellen, wird der Schalter 53 geschlossen, um den Motor 54 so lange anzutreiben, bis das Band 33 die in Fig. 5 gezeigte Stellung erreicht. Dies ist die Lage, bei der die höchste Neutronenabsorption stattfindet und eine ständige Kern-Kettenreaktion verhindert wird. Dann werden die Ventile 28 und 29 geöffnet und eine
Uranylsulfat-Wasserlösung in den Behälter 19 über das Füllrohr 26 eingeführt, wobei zurückgebliebene
Gase oder Luft durch das Auslassrohr 27 entlüftet werden. Es wird eine solche Menge von Füllflüssigkeit verwendet, dass der Flüssigkeitsspiegel unterhalb des Balgs 24 liegt, so dass ein Raum für das Ansammeln von Gasen verbleibt. Schliesslich können die Ventile 28 und 29 geschlossen und das Gehäuse 10 in das
Bohrloch 11 abgesenkt werden.
Wenn eine Tiefe erreicht ist, bei der eine genügende Abschirmung durch die Formationen und den Bohrschlamm zum Schutze des arbeitenden Personals gewährleistet ist, wird der Schalter 57 geschlossen und dadurch der Motor 54 unter den Einfluss des dem Steuerkreis 49 durch den Integrator 48 zugeführten Signals oder Impulses gebracht. Da das Steuerband 33 in der in Fig. 5 gezeigten Stellung geblieben war, gibt der Reaktor keine Neutronen ab.
Es ist in dem Reaktorgefäss ein genügendes Volumen von Uranylsulfatlösung R enthalten, um eine merkliche Neutronenvervielfachung zu erhalten, das Volumen darf aber nicht ausreichen, um in Abwesenheit der umgebenden Formation 12 und der Bohrlochflüssigkeit 13 eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. Mit andern Worten, trotz der Anwesenheit der Reflektoren 30 und 31 ist der effektive Multiplikationsfaktor ke des Reaktors ohne die Neutronen-Reflexionswirkung der Formationen und der Flüssigkeit geringer als 1.
Darüber hinaus ermöglicht selbst das Vorhandensein irgend einer Menge von Neutronen reflektierendem Material neben einem Teil des Behälters 19, der zwischen den Enden 21 und 22 liegt, eine Kern-Kettenreaktion nicht, da die Teile 41 und 43 des Bandes 33 eine genügende Menge von Neutronen absorbieren, um den Reaktor unterhalb seines kritischen Zustandes zu halten. Unter diesen Bedingungen, die vorhanden sind, wenn der Reaktor ausserhalb des Bohrloches ist, wird der natürliche Neu-
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tronenfluss der Quelle 63, der Selbstspaltung von Uran 238 und der kosmischen Strahlung durch die Spal- tung von Uran 235 nur um einen Faktor zwischen 2 und 10 verstärkt.
Es ist so ersichtlich, dass auf den Detektor 45 kein Neutronenfluss auftrifft und die Abgabe des Inte- grators 48 entsprechend niedrig ist. Infolgedessen wird der Motor 54 eingeschaltet und er treibt das Steuer- j band 33 in die in Fig. 6 gezeigte Lage, in der die geringste Neutronen-Absorption stattfindet. Da weni- ger Neutronen absorbiert werden, kann ein grösserer Teil der von dem Stoff R ausstrahlenden Neutronen durch gewisse Elemente in dem Bohrschlamm 13 und in der Formation 12 zurückreflektiert werden. Ins- besondere verursacht Wasserstoff an diesen Stellen Reflexionen und bei einer gewissen Stellung des Steuer- bandes 33 ist in der Spaltung von Uran 235 der kritische Punkt erreicht.
Genauer gesagt, wenn der Reaktor in das Bohrloch abgesenkt ist, werden Neutronen, die an der Erd- oberfläche radial austreten könnten, jetzt durch die umgebende Flüssigkeit 13 und die Formation 12 in den Reaktor zurückreflektiert. Unter diesen Bedingungen ist eine sich selbst aufrechterhaltende Reaktion möglich, d. h. das ke des Reaktors zuzüglich seiner Umgebung wird etwas grösser als 1. Infolgedessen steigt der Neutronenfluss auf jede gewünschte Höhe. Auf diese Weise ergibt sich eine ständige Ketten- reaktion, in der ein verhältnismässig starker Neutronenfluss von dem Material R ausstrahlt.
Wenn der Neutronenfluss zunimmt, nimmt auch die Impulszahl des Signals von dem Detektor 45 zu und die durch den Integrator 48 entwickelte Spannung wird grösser, worauf das Band 33 in entgegenge- setzter Richtung angetrieben wird. Auf diese Weise wird durch die Wirkung des Kontrollkreises 49 das dem Motor 54 zugeführte Potential so eingestellt, dass das Band 33 in eine Stellung gelangt, in der ke des Reaktors genau gleich 1 gehalten wird
Wenn Uran 235 Neutronen absorbiert, dann werden schnelle Neutronen von 2, 5 MeV frei. Im
Durchschnitt muss mindestens eines dieser Neutronen nach seiner Verlangsamung in den Endreflektoren des
Reaktors, der Flüssigkeit oder der Formation von U 235 absorbiert werden, damit sich die Reaktion selbst aufrecht erhält.
Wenn das Gehäuse 10 das Bohrloch 11 durchquert, ergeben verschiedene Beträge an wasserstoffhalti- gem Material in den Formationen 12 verschiedene Stellungen des Steuerstreifens 33, an denendiege - gebene Neutronenabgabe erhalten wird. Natürlich ändert sich der Widerstandswert des Widerstandes 58 entsprechend und die Registriervorrichtung 62 zeichnet die reflektierende Wirkung des Materials in der
Formation 12 für Neutronen ständig auf. Solch eine Aufzeichnung kann als eine"Albedo"-Aufzeichnung bezeichnet werden.
Albedo wurde bisher als das Verhältnis der Neutronenzahl jaus. dS die das Oberflächenelement in der Zeiteinheit in der Richtung von B nach A hin durchqueren (Formation = B und Bohrung = A) zu der
Anzahl jein. dS bezeichnet, die in der Zeiteinheit in der Richtung von A nach B liefen.
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wobei 1 = die mittlere freie Weglänge in der Formation und À die lineare Extrapolationslänge der Neutronenflussdichte in der Formation, d. i. der Abstand vom Moderator bis zur interpolatorisch festgelegten Nullstelle des Neutronenflusses bedeuten.
Im wesentlichen ergibt also die Albedo-Aufzeichaung ein Mass der mittleren freien Weglänge in der Formation für Neutronen geringer Energie. Da die mittlere freie Weglänge proportional der mittleren freien Weglänge der elastischen Streuung ist, sind die beiden Parameter so hinreichend verschieden, dass die Albedo-Aufzeichnung wertvolle Angaben macht, auch wenn das gleiche Bohrloch durch die üblichen (n, y) oder (n, n) Verfahren geprüft worden ist.
Nachdem eine Aufzeichnung erfolgt ist, kann der Schalter 57 geöffnet und der Schalter 53 geschlossen werden, so dass der Motor 54 anläuft und den Steuerstreifen in die in Fig. 5 gezeigte Lage bringt. Die Kern-Kettenreaktion wird auf diese Weise unterbrochen und das Gehäuse 10 kann mit sehr geringer Gefahr einer Neutronenerzeugung aus dem Bohrloch zurückgezogen werden.
Die Reaktivität des Reaktors, die das Verhalten der Quelle bestimmt, hängt erfindungsgemäss unmittelbar von der Neutronen reflektierenden Wirkung des Materials ab.
Das Verhalten des Reaktors hängt ausserdem von den Vervielfachungseigenschaften des zu untersuchenden Materials ab. Wenn z. B. die Formationen Uran enthalten, werden die Vervielfachungseigenschaften der U (n, f)-Reaktion in dem abgeleiteten Untersuchungsergebnis angezeigt. Auch Beryllium kann als Ergebnis des Entweichens von schnellen Neutronen bei Energien über 5 MeV, die die Be (n, 2n)-
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Reaktion erzeugen, oder als Ergebnis der Reaktion Be (y, n) aufgezeichnet werden. Es sei ferner bemerkt, dass bei der Deuterium-Reaktion D (y, n) eine Vervielfachung eintritt.
Obwohl das Atomverhältnis von Wasserstoff zu Uran (H/U) in dem Bohrloch-Reaktor verschiedene
Werte annehmen kann, die von verschiedenen Ausführungen abhängen, kann für H/U ein Wert von 200 angenommen werden. Bei diesem Wert würde die kritische Masse für einen zylindrischen Kern von 15 cm
Durchmesser und 15 cm Länge mit halbkugelförmigen Kappen an den beiden Enden ungefähr 1500 g U 235 sein, in der Annahme, dass ein umgebender Reflektor von guten Kerncharakteristiken vorhanden ist.
Durch Laden dieses Kernes mit 2000 g U 235 und Anordnung der oben beschriebenen Steuervorrichtung könnte der Reaktor unter den meisten Bohrlochbedingungen kritisch gehalten werden.
Die Einstellung von ke erfolgt durch die Bewegung des Steuerstreifens 33.
Gegebenenfalls kann für die Wirkung der Temperatur in dem Bohrloch ein Ausgleich vorgesehen werden. Im allgemeinen ergibt eine Zunahme der Temperatur eine Abnahme der Reaktivität. Infolge- dessen kann ein geeignetes, temperaturempfindliches Steuersystem in die Vorrichtung nach Fig. 1 ein- gesetzt werden (in der Zeichnung nicht dargestellt), so dass das Band 33 selbsttätig so eingestellt wird, i dass die Temperaturänderungen, die entweder durch die umgebende Luft in dem Bohrloch oder durch in- folge der Spaltung im Reaktor erzeugte Wärme entstehen, ausgeglichen werden.
Es sei bemerkt, dass die Neutronenabgabe des Bohrlochreaktors gemäss der Erfindung hauptsächlich bei niedriger Leistungsabgabe des Reaktors erfolgt. Dies kann z. B. bei Untersuchungen mit induzierter
Radioaktivität wertvoll sein. Ausserdem ist mindestens ein lijziger Energierest im Spaltspektrum vorhan- den, der aus dem Bohrlochreaktor entweicht und in die Formation eintritt. Nimmt man diesen Prozent- satz an, dann kann die Leistung für eine Bohrlocharbeit geschätzt werden, die die folgenden Neutronen- ausbeuten ergeben, im Vergleich zu den bekannten Ausbeuten von Ra-Be-und D-T-Quellen.
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<tb>
<tb>
Reaktor-Leistung <SEP> in <SEP> Watt <SEP> Ungefähre <SEP> Stärke <SEP> der <SEP> Neutronenquelle
<tb> Thermische <SEP> Neutronen <SEP> Schnelle <SEP> Neutronen
<tb> 0, <SEP> 1 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 109 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 107
<tb> 1 <SEP> 3 <SEP> xlOM <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 108
<tb> 10 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 1011 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 109
<tb> 100 <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 1012 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 1010 <SEP>
<tb>
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und 0, 01 schnellen Neutronen, die per Spaltung in die Formation entweichen.
Aus. vorstehendem ist ersichtlich, dass eine gute Neutronenausbeute ähnlich derjenigen bei den üb- lichen Ra-Be-und D-T-Quellen bei verhältnismässig niedrigen Leistungen (0, l-l Watt) erzielt werden kann. Bei höheren Leistungen (10-100 Watt) können erhebliche Neutronenstärken erreicht werden.
Da der Boden des Behälters 19 in unmittelbarer Berührung mit dem Gehäuse 10 ist, wird die Wärme ständig an die Bohrlochflüssigkeit 13 abgegeben, wenn die Reaktortemperatur über die Temperatur der Umgebung in dem Bohrloch steigt.
Eine Temperatursteuerung kann auch dadurch erreicht werden, dass man die Flüssigkeit R zum Kochen kommen, den Dampf in eine Kammer austreten, dort kondensieren und das Kondensat wieder zurückfliessen lässt. Z. B. kann, wie in Fig. 7 gezeigt, eine Öffnung in dem Verschluss 25 über ein Rohr 70 mit einer Expansionskammer 71 verbunden sein. Der Steuerkreis 49 bewirkt, dass dann, wenn die Lösung R kocht, Gleichgewicht erreicht wird. Der Wasserdampf aus dem Behälter 19 geht durch das Rohr 70 und tritt in die Expansionskammer 71 ein, wo er kondensiert und in den Behälter 70 zurückkehrt. Wenn die Leistung in dem Reaktor zunimmt, tritt eine stärkere Verdampfung ein, wodurch die Wassermenge in dem Behälter 19 und die Reaktionsgeschwindigkeit verringert wird. Demgemäss wird die Reaktorleistung selbsttätig gesteuert.
Vorzugsweise gibt die Kammer 71 die Wärme nach der Bohrlochflüssigkeit 13 ab.
Falls erforderlich, kann ein Thermoelement zum Messen der Temperatur des Behälters 19 vorgesehen sein, das durch Leitungen 73, 74 mit einem geeigneten, nicht dargestellten Temperatur-Registrierapparat verbunden ist. Auf diese Weise kann die Temperatur aufgezeichnet werden. Die Kammer 71 kann auch mit einer üblichen Einrichtung zur Druckübertragung 75 in Flüssigkeitsverbindung stehen, wo-
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bei diese durch Leitungen 76 und 77 mit einer geeigneten, nicht dargestellten Registriervorrichtung ver- bunden ist, die den Druck in dem Reaktor aufzeichnet. In beiden Fällen ist der Druck oder die Tempe- ratur, bei der in dem Reaktor Gleichgewicht herrscht, ein Mass der Neutronenreflexion der zu untersu- chenden Erdformationen und diese Ergebnisse können zweckmässig als Funktion der Tiefe aufgezeichnet werden.
Um die Grösse des Bohrlochreaktors zu verringern, kann ein Werkstoff verwendet werden, der einen grösseren Wirkungsquerschnitt hat, z. B. können Pu 239, U 233 oder andere spaltbare Isotope in geeigne- ten Verbindungen verwendet werden, die in Wasser löslich sind.
Zusätzlich zu der vorerwähnten Benutzung kann der Bohrlochreaktor gemäss der Erfindung auch in
Verbindung mit Gammastrahl- und Neutronendetektoren oberhalb oder unterhalb des Behälters 19 ver- wendet werden, um (n, y), (n, n), (n, induzierte Aktivität) und (y, y) Untersuchungen zu machen. In- folge der Natur der Quelle wird der Ort der Sekundärstrahlungserzeugung ein anderer sein als bei den früher erwähnten Quellen. Der Neutronenverlust ausserhalb des Reaktors besteht aus wenigen Prozenten schneller Neutronen (2-10 MeV), die Sekundärstrahlen erzeugen, d. h. Gammastrahlen, die von unela- stichen Zusammenstössen oder durch Eingefangenwerden in der Formation herrühren.
Der grössere Teil des in die Formation einfallenden Neutronenflusses wird aus langsamen oder thermischen Neutronen bestehen. Solche Neutronen werden nur innerhalb weniger Zentimeter des Gesteins absorbiert, das Elemente mit grossen Einfangqerschnitten hat, z. B. in Schiefer. Anderseits kann die Eindringtiefe in Gesteine von geringer Absorption, z. B. Kalkstein, 10 mal grösser sein. Infolgedessen wird sowohl die Sekundärstrahlung von den eingefangenen Gammastrahlen als auch von den durch Radioaktivität induzierten
Gammastrahlen in einer Entfernung von der Wand des Bohrloches entstehen, die in erster Linie von den
Absorptionseigenschaften der Formation für langsame Neutronen abhängt.
Dies steht im Gegensatz zu dem für Quellen schneller Neutronen ausgeführten, bei denen die Eindringtiefe in höherem Masse von
Zusammenstössen und vom Eingefangenwerden in der Formation abhängt, als von der thermischen Diffusionslänge. Der von den Formationen zurück in das Bohrloch reflektierte Neutronenfluss wird im wesentlichen aus langsamen oder thermischen Neutronenbestehen. Dieser istnicht sehr unterschieden von der Art des Flusses, der bei (n, n) Untersuchungen erhalten wird, wenn übliche Neutronenquellen verwendet werden. Die Tiefe, in der dieser Fluss entsteht, hängt jedoch mehr von der Diffusionslänge der Formation ab, als von der Verlangsamungslänge, die in weitem Masse die Eindringtiefe bei (n, n) Untersuchungen bestimmt, bei denen Quellen schneller Neutronen verwendet werden.
Der Gammastrahlverlust aus dem Reaktor liegt vornehmlich im Energiebereich von 0, 5-2 MeV.
Dies ist auch der Energiebereich für transportable Gammaquellen (Co60, Ra, Sb usw.), die bei üblichen Ü, y) Untersuchungen verwendet werden. Auf diese Weise ergibt der Bohrlochreaktor (y, y) Untersuchungen, die den früheren üblichen Untersuchungen der Dichte ähnlich sind. Der hauptsächliche Unterschied ist der, dass die Reaktorquelle bezüglich der Intensität erheblich verkleinert werden kann, indem die Kettenreaktion beim Ausziehen aus dem Bohrloch abgestellt werden kann. Der Grund dafür, dass die Intensität der Gammastrahlen nicht auf Null fällt, ist, dass die erzeugten Spaltungsprodukte über eine erhebliche Zeitspanne, z. B. Tage bis Jahre, ziemlich radioaktiv bleiben.
In Verbindung mit (n, n), (n, y) oder (y, y) Untersuchungen unter Verwendung eines Kern-Kettenreaktors gemäss der Erfindung kann ein ausserordentlich starker Strahlenfluss erreicht werden. So sind viel raschere Untersuchungsgeschwindigkeitenmöglich. alssie bisher verwendet werden konnten.
Gegebenenfalls kann ein Prüfgerät 45 neben das zu untersuchende Material gestellt werden, z. B. kann es in einem Kissen liegen, das an der Seitenwand des Bohrloches 11 anliegt. In diesem Falle kann der Fluss langsamer Neutronen, die in die Formation gehen, bei einem konstanten Wert gehalten werden.
Natürlich können Änderungen in der Ausführung der Erfindung gemacht werden, die innerhalb des Erfindungsgedankens liegen.
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