DE1104527B - Atomkraftanlage - Google Patents

Atomkraftanlage

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DE1104527B
DE1104527B DEB48073A DEB0048073A DE1104527B DE 1104527 B DE1104527 B DE 1104527B DE B48073 A DEB48073 A DE B48073A DE B0048073 A DEB0048073 A DE B0048073A DE 1104527 B DE1104527 B DE 1104527B
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DE
Germany
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steam
pressure
engine
liquid
heater
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Pending
Application number
DEB48073A
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English (en)
Inventor
Pierre Henri Pacault
Jean Frederic Tillequin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Babcock International Ltd
Original Assignee
Babcock and Wilcox Ltd
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Publication date
Application filed by Babcock and Wilcox Ltd filed Critical Babcock and Wilcox Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/18Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbine being of multiple-inlet-pressure type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/26Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam
    • F01K3/262Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters with heating by steam by means of heat exchangers

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Atomkraftanlage Die Erfindung betrifft eine Atomkraftanlage mit Kernreaktor und mit aus mehreren Druckstufen b@estehender, durch gespannte Flude angetriebener Kraftmaschine, ferner mit Wärmeaustauschern, die durch ein primäres, durch den Reaktor und über die Wärm:eaustauscher zirkulierendes Kühlflu4d beheizt werden und einen dampferzeugenden Teil, der unter Druck stehenden Dampf für die Kraftmaschine liefert, sowie einen diesen Dampf überhitzendem. Teil enthalten.
  • Atomkraftanlagen dieser Gattung sind bekannt, und zwar enthalten sie einen Kernreaktor, in dem flüssiges Blei mittels .einer Flügelpumpe umgewälzt wird. In der Ströanungsbahn des flüssigen Metalls sind mehrere Wärmeaustauscher vorgesehen, nämlich ein Dampferzeuger, ein Dampfüberhitzer und ein Dampf-Zwische nüberhitzer. Das flüssige Metall gelangt nicht in Leitungen außerhalb der Reaktorhülle, und der einzige flüssigkeitsbeheizte Überhitzer ist der Zwischenüberhitzer, der vom flüssigen Blei beheizt wird. Dieser Überh.itzer ist unmittelbar am Reaktor innerhalb der Reaktorhülle angeordnet.
  • Es ist allgemein bei den bekannten Atomkraftanlagen schwierig, das zum Antrieb der Kraftmaschine herangeführte gespannte Flud genügend stark zu überhitzen., damit es bei seiner Expansion in der Kraftmaschine ganz oder im wesentlichen trocken bleibt. Das Problem könnte gemeistert werden, wenn das gespannte Flud zwischen den einzelnen Druckstufen der Kraftmaschine, insbesondere vor der Niederdruckstufe, zwischenüberhitzt würde, jedoch ist eine derartige Maßnahme in jenen Kraftwerken schwierig, die mit Dampf als gespanntem Flud und mit Dampfturbinen als Kraftmaschinen arbeiten, und zwar einesteils, weil aus biologischen Sicherheitsgründen die Dampfturbinen in ziemlicher Entfernung vom Wärmeaustauscher und daher oft in einem getrennten Gebäude angeordnet werden müssen, und anderenteils, weil die Dampferzeugungseinrichtungen wegen der niedrigen zur Verfügung stehenden Temperaturen meistens mit kleinen Dampfdrücken arbeiten müssen, was große Dampfmengen und sehr große Dampfhauptleitungen bedingt. Aus diesen Gründen wird bei der erwähnten bekannten Atomkraftanlage auf eine Zwischenüberhitzung des Fludes zwischen den Druckstufen der Kraftmaschine verzichtet.
  • Bei Kraftwerken mit Wärmeaustauschern, die von dem heißen Kühlmittel des Kernreaktors selbst gespeist werden, ergibt sich noch die Schwierigkeit, daß das heiße Kühlmittel aus biologischen Gründen möglichst nicht in die Nähe der Kraftmaschine kommen darf, und daß mit steigender Entfernung zwischen Kraftmaschine und Wärmeaustauscher ebenfalls größere Leitungen zur Speisung des vom Kühlmittel erliitzten Wärmeaustauschers erforderlich werden. So ist auch eine Atomkraftanlage der eingangs erwähnten Gattung bekannt, die einen Kernreaktor aufweist, durch den flüssiges Natrium als Primär-Kühlmittel fließt. Dieses Primär-Kühlmittel gibt Wärme an anderes flüssiges Natrium ab, das als Sekundär-Kühlmittel wirkt. Dieses wiederum wird dazu verwendet, Dampf zu erzeugen und den zwischen den Stufen der Dampfturbine strömenden Dampf zu überhitzen. Das als Sekundär-Kühlmittel dienende flüssige Metall wird dabei bis dicht an die Turbine herangeführt und dort zur Erzeugung des dritten Kühlmittels verwendet. Bei dieser zweiten bekannten Anlage werden also drei Kreisläufe von Kühlmitteln benutzt, jedoch können die bekannten Maßnahmen nicht als vorteilhafte Lösungen angesehen werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; eine Atomkraftanlage zu schaffen, bei der die biologische Sicherheit gewahrt bleibt und eine ausreichende Zwischenüberhitzung des Abdampfes zwischen den Druckstufen der Kraftmaschine ohne die Notwendigkeit großer Dampfhauptleitungen und zusätzlicher Kühlmittelkreisläufe erreicht werden kann. Die Lösung gesahieht nach der Erfindung dadurch, daß der die Dampferzeugung übernehmende Teil der Wärmeaustauscher einen der Dampferzeugung bei niedrigerem Druck dienenden ersten Erhitzer und einen der Dampferzeugung bei höherem Druck dienenden zweiten Erhitzer aufweist, während in einem an sich bekannten, nahe der Kraftmaschine und entfernt vom Reaktor angeordneten flüssigkeitsbeheiztenZwischenüberhitzer, der in an sich bekannter Weise den von einer Druckstufe der Kraftmaschine zu einer niedrigeren Druckstufe der Kraftmaschine strömenden Dampf zwischenüberhitzt, die Zwischenüberhitzung zuerst durch Flüssigkeit, die bei dem niedrigeren Druck des ersten Erhitzers erhitzt worden ist; und dann durch Flüssigkeit, die bei dem höheren Druck des zweiten Erhitzers erhitzt worden ist, erfolgt.
  • Da die spezifische Wärme von Dampf geringer ist als die von Flüssigkeit, und da Flüssigkeit dichter ist als Dampf, ist der Durchfluß von Flüssigkeit durch die Leitungen, die zu den Zwiscbenüberhitzern führen, sowohl mengen- als auch volumenmäßig viel geringer, als er für Dampf erforderlich wäre, wenn der zwischenzuüberhitzende Dampf zum Wärmeaustauscher des Reaktors geleitet würde. Die Ausbildung nach der Erfindung bringt somit eine wesentliche Einsparung von Anlagekosten, da kleinere Hauptleitungen ausreichen und beim Betrieb der Leistungsbedarf der Pumpen gering ist gegenüber dem Energieverlust, der bei Rückführung des Dampfes zum Zweck seiner Zwischenüberhitzung infolge Reibung auftreten würde. Es wurde festgestellt, daß es im Fall eines Erhitzers, der mit niedrigen Temperaturen zur Erwärmung von N iederdruckdampf arbeitet, möglich ist, den N iederdruckteil der Dampferzeugungseinrichtung mit höherem Druck arbeiten zu lassen, ohne daß dabei die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang des Wärmeaustauschers des Reaktors ansteigt. Der höhere Druck ergibt in Verbindung mit der Zwischenüberhitzung einen um etwa 5 % höheren thermischen Wirkungsgrad im Wärmekreislauf. Daneben ergibt sich der Vorteil, daß bei Verwendung eines höheren Druckes im Niederdruckteil eine kleinere und damit billigere Niederdruclcdampf-Hauptleitung genügt. Schließlich wurde ermittelt, daß sich durch eine Zwischenüberhitzung des von der Mitteldruckstufe zur Niederdruckstufe strömenden Dampfes mit Flüssigkeit aus dem Hochdruckerhitzer, zusätzlich zum größeren Wirkungsgrad durch die Zwischenüberhitzung mit Flüssigkeit aus dem Erhitzer der Niederdruckstufe, eine Erhöhung des thermodvnamischen Wirkungsgrades um noch etwa 1 bis 2 °/o erreichen läßt. Es hat sich dabei auch als möglich erwiesen, bei der :\Tiederdruclc-Turb#inenstufe mit einem Sättigungsgrad von 0,9 bis 0,95 des von dieser Turhinenstufe zum Kondensator abgeleiteten Dampfes zu arbeiten.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend.--ii Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung wiedergegeben ist. Die Abbildung zeigt das Schema eines Kraftwerkes mit einer Dampfturbine und einem ihr zugeordneten Kernreaktor, der als Wärmequelle für die Dampferzeugung dient.
  • Der gasgefühlte, vorzugsweise graphitgebrernste und mit natürlichem Uran betriebene Kernreaktor l enthält eine Reaktionskammer2, die mit einem benachharten stehenden zylindrischen Druckgefäß 3 verbunden ist. Eine Ausgangsleitung 5 verbindet den oberen Teil der Reaktionskammer 2 mit dem Kopf des Druckgefäßes.3. Eine Eingangsleitung 7 verbindet den Fuß des Druckgefäßes 3 über ein Gebläse 9 mit dem unteren Teil der Reaktionskammer. Die Leitungen 5 und 7 sind so kurz wie möglich, um den Leistungsbedarf des Gebläses 9 klein zu halten.
  • Im Druckgefäß 3 befinden sich die Heizflächen einer aus Rohren bestehenden Dampferzeugungseinrichtung mit einem Niederdrucktei111 und einem Hochdruckteil 13. Der N iederdruckteil 11 enthält einen Dampf-und Wasserbehälter 15, einen zur Dampf°rzeugung dienenden Wärmneaustauscher 17, den ersten Erhitzer, dessen oberes Ende mit dem Dampfraum und dessen unteres Ende mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden ist, einen Vorwärmer 19, dessen unteres Ende in eine Speisewasserleitung 21 mündet und dessen- oberes Ende mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden ist. Der Hochdruckteil 13 enthält einen Dampf- und Wasserbehälter27, einen zur Dampferzeugung dienenden Wärmeaustauscher29, den zweiten Erhitzer, dessen oberes Ende mit dem Dampfraum und dessen unteres Ende mit dem Wasserraum des Behälters 27 verbunden ist, einen Vorwärmer 31, dessen unteres Ende über eine zum Hochdruckteil gehörende Speisewasserpumpe 33 mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden ist und dessen oberes Ende mit dem Wasserraum des Behälters 27 in Verbindung steht, und einen. Überhitzer 35, .dessen unteres Ende mit dem Dampfraum des Behältrs 27 verbunden ist und dessen oberes Ende in eine Hochdruckdampf-Hauptleitung 37 mündet.
  • Der von der Dampferzeugungseinrichtung gelieferte Dampf dient als Antriebsmittel für eine aus einem Turbinensatz 41 mit Hochdruckstufe 41H, Mitteldruckstufe4lL und I#Tiederdruckstufe411'L bestehende Kraftmaschine, wobei die Rotoren der drei Stufen in üblicher Weise mit einer gemeinsamen Kraftabgabewelle43 verbunden sind. Die Hochdruckdampf-Hauptleitung 37 ist an den Einlaß der Hochdruckstufe 41 H angeschlossen, die Niederdruckdampf-Hauptleitung 25 an den Einlaß der Mitteldruckstufe 41 L. Eine Leitung 45 verbindet den Auslaß der Hochdruckstufe mit dem Einlaß der Mitteldruckstufe. Der Auslaß der Mitteldruckstufe4lL ist über den einen Kreis zweier indirekt arbeitender röhrenförmiger Wärmeaustauscher 47 und 83 (Zwischenüberhitzer) mit dem Einlaß der Niederdruckstufe 411'L verbunden. Vom Auslaß der Niederdruckstufe 41hL führt eine Leitung 49 zu einem Dampfkondensator 51.
  • Zur Entnahme von Dampf aus der Niederdruckstufe dienen zwei Dampfablaßleitungen 53 und 55, die mit vorgenannter Stufe verbunden sind. Leitung 53 leitet den Dampf zu einem indirekt arbeitenden Speisewasservorwärmer 57. Leitung 55 führt zu einem zweiten indirekt arbeitenden Speisewasservorwärmer 59. Der im Vorwärmer 57 gekühlte abgezapfte Dampf strömt durch eine Leitung 61 in den Vorwärmer 59. wo ihm weitere Wärme -entzogen wird. Der gesamte abgezogene Dampf strömt vom Vorwärrner59 durch eine Leitung 63 zum Dampfkondensator 51. Das Kondensat aus dem Kondensator 51 wird von einer Pumpe 65 durch die Speisewasservorwärmer 59 und 57 hindurch in die Speis.ewasserfeitung21 gedrückt.
  • Das obere Ende des Vorwärmers 19 des Niederdruckteils 11 ist über eine Leitung 66 mit dem zweiten Kreis des Zwischenüberhitzers47 verbunden. Eine Pumpe 67 sorgt für die Ansaugung des über die Leitung 66 in den Zwischenüberhitzer47 gelangten Wassers und drückt es durch die Leitung 69 in die Speisewasserleitung 21. Das obere Ende des Vorwärmers 31 des Hochdruckteils 13 ist über eine Leitung 81 mit dem zweiten Kreis -des Wärmeaustauschers 83 verbunden. Eine Pumpe 85 saugt das Wasser an und drückt es wieder in den Vorwärmer 31.
  • Das durch die Leitung 21 fließende Speisewasser wird im Vorwärmer 19 des Niederdruckteils 11 erwärmt und teilweise in den Behälter 15 geleitet. Heißwasser aus dem Behälter 15 strömt durch den zur Dampferzeugung dienenden Wärmea.ustauscher 17 und kehrt als Dampf-Wasser-Gemisch in den Behälter 15 zurück, wo Dampf und Wasser geschieden werden. Der Dampf aus dem Behälter 15 strömt in die Niederdruckdampf-Hauptleitung 25.
  • Der Hochdruckteil 13 ,der Dampferzeugungseinrichtung wird von der Pumpe 33 mit heißem Speisewasser aus dem Wasserraum des Behälters 15 des Niederdruckteils 11 versorgt. Dieses Speisewasser wird im Vorwärmer31 vom Kühlmittel erwärmt, fließt in den Behälter 27, strömt von dort durch den zur Dampferzeugung dienenden Wärmeaustauscher29 und kehrt als Dampf-Wasser-Gemisch in den Behälter27 zurück, wo Dampf und Wasser geschieden werden. Der Dampf aus dem Behälter27 passiert den Überhitzer35 und strömt in die Hochdruckdampf-Hauptleitung 37.
  • Die Pumpe 67 zieht Wasser vom Ausla.ß des Niederdruckvorwärmers 19 durch die Leitung 66 in den zweiten Kreis des Zwischenüberhitzers 47 und drückt es durch die Leitung 69 in die Speisewasserleitu,ng21. Die Pumpe85 fördert sinngemäß Wasser aus dem Vorwärmer 31 des Hochdruckteils 13.
  • Die Hochdruckstufe 41H der Turbine erhält ihren Heißdampf vom Hochdrucktei113 der Dampfierzeugungseinrichtung durch die Dampfhauptleitung 37 und entläßt den Dampf durch die Leitung 45 in die Mitteldruckstufe41 L. Die Expansion in der Hochdruckstufe ist.so bemessen, daß der Abdampf einen ;etwas niedrigeren Druck hat als der Dampf in der Mitteldruckdampf-Hauptleitung 25, so daß die Niederdruckstufe ebenfalls, überhitzten Dampf erhält, und zwar aus dem Niederdrucktei111 der Dampferzeugungseinrichtung. Der aus der Mitteldruckstufe 41 L entlassene Dampf passiert die beiden ersten Kreise der Zwischenüberhitzer 47 und 83, nimmt dort Wärme aus dem von den Pumpen 67 und 85 umgewälzten Heißwasser auf und strömt in die Niederdruckstufe41L'L, von wo er, mit Ausnahme des durch die Leitungen 53 und 55 abgezapften Teiles, in den Kondensator 51 gelangt. Das im Kondens.ator51 gebildete Kondensat wird von der Pumpe 65 durch die beiden Speisewasservorwärmer 59 und 57 hindurch in die Speisewasserleitung 21 gedrückt.
  • Das Kühlmittel aus dem Kernreaktor l gibt seine Wärme bei verhältnismäßig geringer Temperatur an das Wasser im Vorwärmer 19 ab, und ein Teil dieser Wärme wird zum Zwischenüberhitzen des in die Niederdruckstufe der Dampfturbine einströmenden Dampfes verwendet. Auf diese Art wird die erwünschte Dampferhitzung ohne wesentliche Wärmereduzierung bewerkstelligt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel mündet die Leitung69 in die Speisewasserleitung 21. Wenn jedoch das in der Leitung 69 fließende Wasser wesentlich heißer ist als das Wasser in der Leitung 2.1, so, ist es vom thermodynamischen Gesichtspunkt aus zweckvoller, die Leitung 69 nicht an die Leitung 21, sondern unmittelbar an einen Zwischenpunkt im Vorwärmer 19 anzuschließen. Wärmeverluste des Wassers in der Leitung 69 werden auf diese Weise vermieden oder vermindert, während das aus dem Druckgefäß 3 durch die Leitung 7 zurückfließende Kühlmittel in seinem letzten Abschnitt mit dem kühlsten zur Verfügung stehenden Wasser, nämlich mit dem Wasser aus der Leitung 21, gekühlt wird. Es liegt auf der Hand, daß das Gebläse 9 um so weniger Leistung benötigt, je kälter das Kühlmittel beim Verlassen des Druckgefäßes 3 ist.
  • Der Erfindungsgegenstand beschränkt sich nicht auf Atomkraftwerke mit gasgekühlten Reaktoren und nicht auf die Erwärmung von Niederdruckdampf vor seinem Eintritt in eine Niederdruckturbine, obwohl er insbesondere für derartige Kraftwerke mit derartigen Turbinen geeignet ist. Bei natrium- und wassergekühlten Reaktoren beispielsweise macht die Erfindung eine Zwischenüberhitzung möglich, ohne dazu stark radioaktive Substanzen verwenden oder Dampf über große Strecken befördern zu müssen. Bei flüssigen Metallen, beispielsweise Natrium, bedarf es keiner kostspieligen Heizeinrichtungen, um das Erstarren des flüssigen Metalls in seinen Zufuhrleitungen zwischen Druckgefäß und Kraftmaschine zu verhindern.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Atomkraftanlage mit Kernreaktor und mit aus mehreren Druckstufen bestehender, durch gespannte Flude angetriebener Kraftmaschine, ferner mit Wärmeaustauschern, die durch ein primäres, durch den Reaktor und über die Wärmeaus.tauseher zirkulierendes Kühlflud beheizt werden und einen dampferzeugenden Teil, der unter Druck stehenden Dampf für die Kraftmaschine liefert, sowie einen diesen Dampf überhitzenden Teil enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der die Dampferzeugung übernehmende Teil der Wärmeaustauscher einen der Dampferzeugung bei niedrigerem Druck dienenden ersten Erhitzer (17) und einen der Dampferzeugung bei höherem Druck dienenden zweiten Erhitzer (29) aufweist, während in einem an sich bekannten, nahe der Kraftmaschine (41) und entfernt vom Reaktor (1) angeordneten flüssigkeitsbeheizten Zwischenüberhitzer (47, 83), der in an sich bekannter Weise den von einer Druckstufe (41L) der Kraftmaschine zu einer niedrigeren Druckstufe (41 VL) der Kraftmaschine strömenden Dampf zwischenüberhitzt, die Zwischenüberhitzung zuerst durch Flüssigkeit, die bei dem niedrigeren Druck des ersten Erhitzers (17) erhitzt worden ist, und dann durch Flüssigkeit, die bei dem höheren Druck des zweiten Erhitzers (29) erhitzt worden ist, erfolgt.
  2. 2. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Pumpeinrichtungen zur Rückleitung gekühlter Flüssigkeit in den Vorwärmer (19) an einem hinter der Einlaßstelle für kalte Speiseflüssigkeit in den Vorwärmer gelegenen Punkt.
  3. 3. Atomkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Niederdruckvorwärmer die letzte Kühlstufe darstellt, durch die Wärme dem wärmetragenden Flud entzogen wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 463 075; Dr.-Ing. F. M ü n z i n g e r , Atomkraft, 1955, S. 13, 20, 21; Schweizerische Bauzeitung, 1952, S. 94.
DEB48073A 1957-03-08 1958-03-05 Atomkraftanlage Pending DE1104527B (de)

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DEB48073A Pending DE1104527B (de) 1957-03-08 1958-03-05 Atomkraftanlage

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3030436A1 (de) * 1979-08-16 1981-03-26 Babcock Power Ltd., London Kraftwerkkessel
US10822168B2 (en) 2010-12-15 2020-11-03 Symbotic Llc Warehousing scalable storage structure
US11130631B2 (en) 2014-12-12 2021-09-28 : Symbolic LLC Storage and retrieval system

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB463075A (en) * 1935-09-24 1937-03-22 Harold Livsey An improved method of reheating steam from the low pressure stages of a turbine

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