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Atomkraftanlage mit überhitztem Dampf als Kühlmittel Die vorliegende
Erfindung betrifft Verbesserungen an Atomkraftanlagen der Art, bei der zur Kühlung
des Atomreaktorkerns, d. h. als Energieübertrager, überhitzter Dampf dient, der
in zwei Energieübertragerströme aufgeteilt wird, von denen der eine Strom in Dampfform
zur Verdampfung des anderen Energieübertragerstromes dient, nachdem dessen Energie
mittels einer geeigneten Vorrichtung, z. B. einer Turbine, in mechanische Energie
umgewandelt und verflüssigt worden ist.
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Jede Atomkraftanlage zur Erzeugung von Energie stellt technische Probleme
unter den zwei folgenden Gesichtspunkten: 1. Entnahme von Wärmeenergie aus dem Inneren
des Stoffes, in dem die Atomkernspaltungen stattfinden; 2. Umwandlung dieser Wärmeenergie
in mechanische Energie.
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Die Ver;s@endung eines direkten Kreislaufes wird wegen seiner Einfachheit
und der Abwesenheit jeb lichen Wärmeabbaues, die ihm eigen ist, als besonders interessant
betrachtet. Ebenso sind die Vorteile des Kühlens des Atomkernreaktors mittels eines
Gases in bezug auf die Neutronenkontrolle, die Kontrolle des Wärmehaushaltes und
in bezug auf die Teclinolonie bekannt. Schließlich weiß man, daß im Bereich der
tatsächlich bestehenden technischen Daten der industriell angewandten Kreisläufe
und bis zur Gleichheit der Temperatur für den wärmeabgeber_den und den wärmeaufnehmenden
Teil ein allein eine gasförmige Phase aufweisender Kreislauf zur Umwandlung der
Wärmeenergie in mechanische Energie weniger geeignet ist als ein Kreislauf, in dem
ein Phasenwechsel stattfindet. Die Kraft, die notwendig ist, um den Energieübertrager
in flüssiger Phase unter Druck wieder zu aktivieren, ist in der Tat sehr viel geringer
als diejenige, die seine Kompression in Gasform erfordert.
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Man hat schon Atomkraftanlagen vorgeschlagen, in denen in vorteilhafter
Weise die nachfolgenden Merkmale kombiniert sind: direkter Zyklus, Wiederunterdrucksetzung
des Energieübertragers in flüssiger Phase und Entnahme der Wärmeenergie vom Energieübertrager
in gasförmiger Phase. Diese Kraftanlagen bestehen im wesentlichen aus einem Atomkernreaktor,
in dem die durch die Atomkernspaltung erzeugte Wärmeenergie mittels eines Energieübertragers
im Dampfzustand und über zwei Energieübertragerkreisläufe entnommen wird, die von
Anteilen dieses Energieübertragers durchflossen werden; dabei weist einer dieser
Kreisläufe eine Antriebsvorrichtung auf, in der sich der Dampf entspannt, ferner
einen Kondensator und eine Pumpe zur Wiederunterdrucksetzung der aus dem Kondensator
kommenden Flüssigkeit, und der andere Kreislauf, der von einem kontinuierlichen
Gasstrom durchflossen wird, eine Misch-bzw. Verdampfungsvorrichtung auf, in die
die komprimierte Flüssigkeit eingeführt wird und durch Kontakt mit diesem kontinuierlichen
Gasstrom bei der Temperatur, mit der dieser den Atomreaktor verläßt, verdampft wird,
und die beiden Energieübertragerströme werden gemeinsam dem Eintrittsende des Atomkernreaktors
in Form eines überhitzten Dampfes mittels eines geeigneten Gebläses zugeführt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftanlagen des obenerwähnten
bekannten Typs und hat zum Zweck, sie dahingehend zu verbessern, daß die Konstruktion
der unter Hochdruck stehenden Apparaturteile vereinfacht wird und die Wärmeverluste
reduziert werden.
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Gemäß der Erfindung wird die Mischvorrichtung, in der das kondensierte
Mittel aus dem kraftproduzierenden Kreislauf durch den den Atomkernreaktor verlassenden
überhitzten Dampf verdampft wird, in Verbundanordnung mit dem Reaktor ausgeführt,
in
dem sie innerhalb des den Atomreaktorkern umgebenden Druckgefäßes
angeordnet ist.
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Der Kühldampf kann durch ein außerhalb des Druckgefäßes angeordnetes
Gebläse umgewälzt werden, das z. B. durch einen Motor angetrieben wird. Vorzugsweise
wird es jedoch durch ein mit der Mischvorrichtung in Verbund angeordnetes Turbogebläse
angetrieben, das gegebenenfalls koaxial mit dem Atomkernreaktor angeordnet ist,
wobei die Turbine dieses Turbogebläses von dem dann in einer geeigneten Stufe des
Turbinenmotors eingeführten Dampf angetrieben wird.
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An Hand der nachfolgenden auf die Zeichnungen bezugnehmenden Ausführungen
werden die verschiedenen Besonderheiten der Erfindung und ihre Ausführungsmöglichkeiten
verständlich. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer im wesentlichen
bekannten Anlage, F i g. 2 einen Schnitt einer schematischen Ausführungsform, in
der die Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtung in das eigentliche Reaktorgefäß eingebaut
ist, und F i g. 3 schematisch den Schnitt durch eine weitere Ausführungsform, in
der der Energieübertrager durch ein Turbogebläse, das ebenfalls in das Reaktorgefäß
eingebaut ist, gefördert wird.
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In F i g. 1 ist der Atomkernreaktor a mit einem Ableitungsrohr a1
versehen, das sich in die Rohrleitungen 11 und f $ aufteilt. Die Rohrleitung
f 1 führt zu der Turbine 6, die eine Maschine c zur Aufnahme der mechanischen Energie
antreibt. Diese Maschine kann z. B. eine Wechselstrommaschine sein. Das Zuleitungsrohr
11 weist ein Regelventil o1 auf. Hinter der Turbine ist ein Kondensator d,
eine Flüssigkeitspumpe e und eine ein Regelventil v1 aufweisende Rohrleitung f 1
vorgesehen. In Strömungsrichtung dahinter befindet sich die Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtung
g. Diese ist in Form eines Gefäßes dargestellt, in dem die Flüssigkeit versprüht
wird und in Kontakt mit dem Dampf gebracht wird, der durch die Rohrleitung 12 in
die Mischvorrichtung g eintritt. Selbstverständlich kann jede andere Verteilungsmethode,
mittels der einer Flüssigkeit von kleinem Volumen eine große Kontaktoberfläche gegeben
werden kann und infolgedessen die Verdampfung erleichtert wird (z. B. dadurch, daß
man den flüssigen Energieübertrager auf geeignet angeordnete Oberflächen rieseln
läßt), angewandt werden. Am Ausgangsende der Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtung
g fließt der vereinigte Energieübertragerstrom durch die Rohrleitung f, in die ein
durch einen Motor j angetriebenes Gebläse h eingebaut ist, und kehrt
so zu dem Atomkernreaktor durch die Rohrleitunga2 zurück. Hilfsvorrichtungen sind,
ebenfalls beispielsweise, gestrichelt dargestellt. Sie umfassen einen Dampferzeuger
zur Inbetriebnahme der Anlage, eine Vorrichtung zur Abkühlung von überhitztem Dampf,
d. h. zur Abführung überschüssiger Wärmeenergie aus dem System, und einen Flüssigkeitsvorratsbehälter.
Die Vorrichtung k zum Abkühlen von überhitztem Dampf ist parallel zur Turbine b
in die Rohrleitung f 1 eingeschaltet und wird durch ein Regelventil o2 kontrolliert.
Der Dampferzeuger m speist die Turbine b durch eine mit einem Regelventil v4 ausgestattete
Rohrleitung. Der Vorratsbehälter 1 ist mit dem dem Kondensator d nachfolgenden Teil
des Kreislaufes durch zwei mit den Regelventilen v3 und v2 versehenen Rohrleitungen
verbunden, die zu beiden Seiten der Flüssigkeitsdruckpumpe e einmünden.
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Unter normalen Betriebsbedingungen basiert das Funktionieren einer
derartigen Vorrichtung auf der Tatsache, daß dauernd ein Gleichgewicht zwischen
der durch den Atomkernreaktor abgegebenen Wärmeenergie einerseits und der an der
Welle der Turbine abgenommenen mechanischen Energie und der in thermischer Form
im Kondensator entnommenen Energie andererseits besteht, wobei die von den Hilfsvorrichtungen
und auf Grund anderer Energieverluste entnommenen Energiemengen unberücksichtigt
blieben. Der stark überhitzte, durch die Rohrleitung a1 am Ausgangsende des Atomkernreaktors
abgezogene Dampf teilt sich in zwei Energieübertragerströme, und zwar in einen Strom
f2, der direkt zu der Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtung d fließt, und einen Strom
f 1, der die z. B. eine Wechselstrommaschine c antreibende Turbine b direkt ohne
jeglichen Wärmeabbau speist. Dieser Energieübertragerstrom f1 duchfließt nach seiner
Entspannung in der Turbine den Kondensator d, an dessen Ausgangsende er in flüssiger
Form anfällt. Nachdem dieser Strom f l des flüssigen Energieübertragers mittels
der Pumpe e unter Druck gesetzt worden ist, wird er der Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtung
g zugeführt, wo er nach Versprühen in Kontakt mit dem Dampfstrom f2 gebracht wird
und verdampft. Durch eine entsprechende Abstimmung der zwei Energieübertragerströme
erhält man am Ausgangsende des Gefäßes der Verdampfungsvorrichtung g auf diese Weise
einen Dampfstrom f, dessen Durchsatzgewicht gleich der Summe der Durchsatzgewichte
der Energieübertragerströme f1 und f2 ist. In Stromrichtung der Misch- bzw. Verdampfungsvorrichtungg
nachfolgend durchfließen die vereinigten Energieübertragerströme im Dampfzustand
das von dem Motor j angetriebene Gebläse h und erhalten hierdurch eine Druckerhöhung,
so daß die Druckverluste im Atomkernreaktor a, in dem Gefäß g und den hiermit verbundenen
Rohrleitungen kompensiert werden. Dieser Dampfstrom wird schließlich, je nach dem
gewählten Mengenverhältnis der Dampfströme f 1 und f2, mehr oder weniger
stark überhitzt, dem Reaktor durch die Rohrleitung a2 wieder zugeführt.
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Es ist bemerkenswert, daß der Dampf, der den Reaktor durchfließt und
der sich im Laufe dieses Durchflusses dauernd im überhitzten Zustand befindet, die
Eigenschaften eines echten und neutralen Gases hat, zumindest im Bereich der angewandten
Temperaturen.
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Damit die vom Atomkernreaktor a erzeugte thermische Wärmeenergie während
einer mehr oder weniger langen Zeit diejenige übersteigen kann, die zur Produktion
der gewünschten mechanischen Energie notwendig ist, setzt man die Vorrichtung k
zur Abführung überflüssiger Wärmeenergie oder, allgemeiner gesagt, eine Umleitung
um die Turbine b in Betrieb. Durch Kontrolle der Ventile o1 und o2 kann eine Aufteilung
des Dampfstromes f1 zwischen der Turbine b und der Vorrichtung
k in dem gewünschten Ausmaß erhalten werden. In F i g. 1 wird der abgezweigte
Dampf nach Abführung der überschÜssigen Wärmeenergie in den Kondensator d abgeleitet.
Natürlich kann für die Energieübertragerstromumleitung eine unabhängige Kondensationsvorrichtung
vorgesehen werden. Damit der Atomkernreaktor
selbst während einer
sehr kurzen Zeit, z. B. wenn der Wechselstromerzeuger abgeschaltet wird, so daß
das Steuerventil o1 vollständig geschlossen wird, in gleichem Umfang betrieben werden
kann, ist es zweckmäßig, der Hilfsvorrichtung, abhängig oder unabhängig von dem
Hauptkondensator, entsprechende Ausmaße zu geben, so daß sie die gesamte Menge der
vom Reaktor erzeugten Wärmeenergie aufnehmen kann. Der Betrieb der Regelventile
o1 und o. kann natürlich im Rahmen einer Gesamtsteuerung der Gesamtanlage geschehen,
die dann insbesondere die Betätigung der Regelventile und der Steuer- und Sicherheitsstäbe
des Atomkernreaktors umfaßt.
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Was die Aufrechterhaltung des Drucks im Kreislauf und besonders im
Atomkernreaktor betrifft, so ist in einer solchen Anlage und für ein bestimmtes
Temperaturniveau dieser Druck bekanntlich von der in der Anlage befindlichen Energieübertragermenge
abhängig. Aus diesem Grunde ist der Flüssigkeitsvorratsbehälter 1 vorgesehen, sei
es, um diesen Druck auf einer bestimmten Höhe zu halten, sei es, um eine den gewünschten
Betriebsbedingungen angepaßte Druckänderung zu erreichen.
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Durch Öffnung des Ventils v2 kann eine gewisse Flüssigkeitsmenge in
den Kreislauf eingeführt und der Gesamtdruck im Kreislauf nach Verdampfung dieser
zusätzlichen Menge infolgedessen erhöht werden. In umgekehrter Weise kann durch
Öffnung des Ventils v3 dem Kreislauf eine gewisse Flüssigkeitsmenge entzogen und
der allgemeine Druck in entsprechender Weise gesenkt werden. Die Betätigung der
Ventile v2 und v3 kann Gegenstand einer besonderen Steuerung des Betriebsdruckes
sein oder im Rahmen einer allgemeinen Steuerung, z. B. entsprechend dem Betriebsprogramm,
erfolgen.
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Was die Temperatur anbetrifft, so wurde oben schon gesagt, daß bei
stabilen Betriebsbedingungen ein Gleichgewicht zwischen der vom Atomkernreaktor
erzeugten Wärmemenge und der dem Kreislauf entzogenen Wärmemenge besteht. Wenn alle
anderen Bedingungen außerdem gleichbleiben, so führt die Aufhebung dieses Gleichgewichtes
naturgemäß zu einer Änderung des Temperaturniveaus. Diese Änderung kann einerseits
durch Öffnung des Ventils o, oder Schließen des Ventils o1, was eine Erhöhung oder
eine Verminderung der zusätzlich abgeführten Wärmemenge mit sich führt, oder andererseits
durch eine Betätigung der Kontrollstäbe des Atomkernreaktors rückgängig gemacht
werden.
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Die Art und Weise, wie die Anlage in Betrieb gesetzt wird oder zumindest
das Prinzip einer Methode, mit der diese Inbetriebnahme erreicht werden kann, wird
im nachfolgenden beschrieben. Hierfür verwendet man eine Vorrichtung zum Erzeugen
von Dampf mittleren Drucks, wie z. B. den Hilfsdampferzeuger m. Außer dem Flüssigkeitsvorratsbehälter
1 enthält die Anlage hierbei anfangs keine Flüssigkeit (ausgenommen natürlich der
Moderator des Atomkernreaktors, wenn dieser eine Flüssigkeit ist). Das Ventil v4,
das den Hilfsdampferzeuger m von der Anlage abtrennt, ist geschlossen, ebenso die
Ventile v3 und v2. Die Inbetriebnahme des Kondensators und insbesondere des Luftstrahlgebläses,
das Kondensatoren gewöhnlich haben, setzt die Gesamtheit der Kreisläufe unter Vakuum,
während durch leichtes Heben der Kontrollstäbe auf der anderen Seite der Atomkernreaktor
in geeigneter Stärke aufgeheizt wird. Nach Schließen von o1, 02 und v1 wird von
dem Hilfsdampferzeuger in kommender Dampf in die Anlage eingeführt, und das Gebläse
h wird in Betrieb gesetzt. Auf diese Weise kann ein Obergangszustand bei Inbetriebnahme
der Anlage erreicht werden, für den der Dampfdruck durch den Hilfsdampferzeuger
m bestimmt wird und die allgemeine Temperatur dem Gleichgewicht zwischen der Wärmeenergieabgabe
des Atomkernreaktors und den allgemeinen Wärmeverlusten der Keisläufe entspricht.
Jegliche neue Erhöhung der Aktivität des Reaktors muß daher durch die zusätzliche
Kühlvorrichtung k durch gesteuertes Öffnen von o. unter Inbetriebsetzen der Pumpe
h und Öffnung von v1 absorbiert werden. Das Gefäß g beginnt sodann seine Rolle als
Verdampfungsvorrichtung zu spielen, und der Hilfsdampferzeugerm kann außer Betrieb
gesetzt werden. Der Druck des Kreislaufes kann sodann durch Öffnen von v2 erhöht
werden, und von einem bestimmten Betriebszustand der Anlage an kann die Turbine
durch Öffnen von o1 und entsprechendes Schließen von o, in Betrieb gesetzt werden.
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Die vorhergehende Beschreibung betrifft eine schematische Anordnung,
die jedoch zumindest in ihren wesentlichen Teilen mit den bekannten Ausführungsformen
übereinstimmt, die zu verbessern, Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist. Es ist
in der Tat vorteilhaft, das Verdampfungsgefäß innerhalb des den Reaktorkern umgebenden
Druckgefäßes selbst vorzusehen und in mindestens einigen Fällen ein ebenfalls innerhalb
dieses Reaktorkerngefäßes angeordnetes Gebläse vorzusehen, das vorzugsweise durch
eine Turbine angetrieben wird, die selbst von dem fließenden Dampf bewegt wird.
Die F i g. 2 und 3 erläutern zwei vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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In F i g. 2, die einen Schnitt durch einen Atomkernreaktor darstellt,
in dem der durch die Atomspaltung frei werdende Wärmeenergie überhitzte Dampf den
Kern des Reaktors von oben nach unten durchläuft, kann man unterhalb des Reaktorkerns
c eine Sammelkammer n1 sehen, aus der der die Turbine direkt antreibende Dampfstrom
f l entnommen wird. Der Energieübertragerstrom f, seinerseits tritt in die Mischvorrichtung
g über, d. h., daß die Flüssigkeit des Energieübertragerstromes f i dort versprüht
und verdampft wird. Zwischen der Kammern, und der Mischvorrichtung g ist andeutungsweise
schematisch eine Art durchlässige Scheidewand 5 dargestellt, die die Wärmeabschirmung
zwischen diesen zwei Zonen, in denen verschiedene Temperaturen bestehen, bewirkt,
jedoch den Dampfstrom f 2 hindurchläßt. Am Ausgangsende des Rohres a., wird der
Gesamtstrom (f2 und f'1) von dem Gebläse h mitgerissen und wieder dem oberen Teil
des Reaktors durch die Rohrleitung p zugeführt.
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In F i g. 3 kann man einen Atomkernreaktor ähnlich dem der F i g.
2 sehen, jedoch ist hierbei das Gebläse h ebenfalls in das Gehäuse des Atomkernreaktors
eingebaut, und die Wiederzuführung des Dampfes geschieht in seitlichen Räumen, die
zwischen dem Reaktorkern und der Wand seines Gehäuses vorgesehen sind. Diese Wiederzuführung
kann in der gleichen Weise mittels in dem Neutronenreflektor vorgesehenen Rohrleitungen
durchgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform verläßt kein wichtiges Röhrenwerk
den Reaktor. Man weiß in der Tat, daß der Energieübertragerstrom f1
sehr
viel schwächer als der Strom 1, ist. Weiterhin ist in F i g. 3 das Gebläse h beispielsweise
direkt durch die Turbine q angetrieben, die durch den durch das Gebläse beförderten
Dampf angetrieben wird. Bei Verwendung einer Schmierung der Lager des Turbinengebläses
mit Wasser oder Dampf hat diese Ausführungsform den Vorteil, daß keine Dichtungen
beim Austritt der Welle aus dem Gehäuse notwendig sind. Der aus dieser Turbine q
austretende Dampfstrom f"1 kann dem Kondensator der Hauptturbine b zugeführt werden.
Vorzugsweise wird er einer Zwischenstufe der Turbine zugeführt. In Abänderung kann
das Gebläse h in dem Gehäuse der Mischvorrichtung selbst vorgesehen werden. Sein
Antrieb mittels einer Dampfturbine, die direkt mit diesem Gebläse wie in F i g.
3 dargestellt verbunden ist, kann auch bei dem in F i g. 2 dargestellten Reaktor
angewandt werden, wobei jedoch eine Kraftübertragung z. B. elektrischer Art vorgesehen
werden kann.
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Mehrere solcher Atomkernreaktoren können in einer Kraftanlage parallel
zueinander angeordnet werden, und in umgekehrter Weise können mehrere Energiekreisläufe
von einem einzigen Reaktor gespeist werden. Man kann den Dampf durch Atomkraft im
Verlauf der Entspannung wiedererhitzen, wobei in der Gesamtanlage ein zweiter Reaktor
für diesen Zweck vorgesehen sein kann. In gleicher Weise kann eine auf Atomenergie
beruhende Wärmequelle und eine konventionelle Wärmequelle kombiniert verwendet werden.
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Das Wiedererhitzen durch Atomkraft kann auch innerhalb des Gehäuses
des gleichen Reaktors stattfinden, wobei das übererhitzen des Dampfes in den Druckrohren
und das Wiederaufheizen in dem den Reaktorkern umschließenden Mantel stattfinden
kann. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß auf dem Reaktormantel nur der mäßige
Druck des wiedererhitzten Dampfes steht.
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In dem Energieumwandlungskreislauf f 1 kann der in der Rohrleitung
fließende kondensierte Energieübertrager auch vor seiner Einführung in die Verdampfungs-
bzw. Mischvorrichtung g durch während der Entspannung aus der Turbine b abgezapften
Dampf erhitzt werden, und ihr Druck kann einesteils mittels der Abzapfpumpe und
anderenteils mittels Speisepumpen erhöht werden. Druckverluste im Hauptkreislauf
können außerdem durch ein oder mehrere Gebläse aufgehoben werden. Diese Gebläse
können entweder zusammen oder einzeln durch Dampfkondensation, Dampfturbinen oder
Gegendruckdampfturbinen angetrieben werden.
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Schließlich kann ein oder können mehrere Wasserabscheider jeweils
nach den Gebläsen oder vor dem Atomkernreaktor vorgesehen werden, zwecks Erleichterung
der Ausnutzung der Anlage. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung für jeden
anderen Zweck als den der Herstellung von Elektrizität, wie es in F i g. 1 dargestellt
ist, angewendet werden kann. Insbesondere kann die Anlage zum Antrieb von Schiffen
allein oder zusammen mit konventionellen Antriebsmitteln verwendet werden.