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Meeres-Kernkraftwerk
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Die Erfindung betrifft ein Meeres-Kernkraftwerk mit einer Kernkraftanlage
und mindestens einer Temperaturgefälle-Kraftanlage.
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Bei Meeres-Kernkraftwerken wird das heBe Reaktorkühlwasser vielfach
einfach ins Meer abgeleitet. Dies führt jedoch zu erheblichen Energieverlusten und
einer unerwünschten Verunreinigung der angrenzenden Meeresbereiche durch Heißwasser.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Meeres-Kernkraftwerk der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß unter Vermeidung der bisherigen Nachteile eine
verbesserte Energieausnutzung erzielt und eine Verunreinigung des Meerwassers durch
Heißwasser vermieden wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Meeres-Kernkraftwerk der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine durch
das Temperaturgefälle zwischen heißem Reaktorkühlwasser und/oder durch den Reaktor
erzeugtem Dampf und kaltem Tiefseewasser betriebene Temperaturgefälle-Kraftanlage
vorgesehen ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kernkraftwerks
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Da beim erfindungsgemäßen Meeres-Kernkraftwerk das heiße Reaktorkühlwasser
und gegebenenfalls auch der im Kernreaktor erzeugte Dampf in der T-smperaturgefälle-Kraftanlage
unter Erwärmung des darin verwendeten Arbeitsmediums abgekühlt wird, kann durch
Verwendung
entsprechender Sammelbehälter das Reaktorkühlwasser ohne Ableitung in das Meer im
Kreislauf geführt werden, wobei aus der Gesamtanlage nur das aus der Tiefsee kalt
zugeführte und zum Abkühlen und Kondensieren des Arbeitsmediums der Temperaturgefälle-Eraftanlage
benutzte Seewasser abgeführt zu werden braucht. Da dieses Seewasser trotz einer
dabei eingetretenen, gewissen Temperaturerhöhung im Vergleich zu dem heißen Reaktorkühlwasser
immer noch eine recht niedrige Temperatur besitzt, kann die Gefahr einer Verunreinigung
der benachbarten Meeresbereiche durch Heißwasser im wesentlichen ausgeschaltet werden.
Da weiterhin sowohl das heiße Reaktorkühlwasser, als auch der im Reaktor erzeugteEzum
Antrieb einer Dampfturbine ausgenutzte Dampf vor seinem Eintritt in einen Kondensator
wirksam als Heizmedium zum Erwärmen des Arbeitsmediums der Temperaturgefälle-Kraftanlage
ausgenutzt werden, ergibt sich eine zu der Krafterzeugung der Kernlcraftanlage selbst
hinzutretende zusätzliche Kraft erzeugung, so daß die Krafterzeugung der Gesamtanlage
wirksam erhöht wird.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Meeres-Kernkraftwerks unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Meeres-Kernkraftwerks,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Temperaturgefälle-Kraftanlage, Fig. 3 eine
schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Temperaturgefälle-Kraftanlage,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Temperaturgefälle-Kraft anlage und Fig.
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit mehreren hintereinandergeschalteten
Temperaturgefälle-Kraftanlagen.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist auf einem sich
über dem Meeresboden erhebenden, unterseeischen Berg oder Riff ein sich über den
Meeresspiegel erhebender Damm 1 errichtet, welcher einen beckenartigen Sammelbehälter
3 zur Aufnahme des heißen Reaktorkühlwassers und einen von diesem durch eine Trennwand
2 abgeteilten, beckenartigen Sammelbehälter 4 zur Aufnahme von kaltem Tiefseewasser
umschließt. Im Sammelbehälter 3 ist eine schwimmfähige ernkraitanlage 5 angeordnet.
Der Sammelbehälter 4 ist mit der oberen Mündungsöffnung 6b einer Unterwasserleitung
6 verbunden, deren untere Mündungsöffnung 6a sich am Meeresboden 7 beindef;. :iuf
dem Damm 1 ist ein durch einen Motor 10 angetriebener Kompressor 8 angeordnet. Eine
von diesem ausgehende Druckleitung 9 ist mit der Unterwasserleitung 6 nahe deren
unterem Ende und an bestimmten Zwischenpunkten verbunden, so daß die vom Kompressor
verdichtete Luft durch die Druckluftleitung 9 in die Unterwasserleitung 6 eingespeist
wird und die in dieser aufsteigenden Luftblasen nach dem Prinzip der sogenannten
«Blasenpumpe das Tiefseewasser mit einer Temperatur von etwa 4°C n der Unterwasserleitung
5 aufwärts in den Seewasser-Sammelbehälter 4 treiben. Aus diesem wird das kalte
Seewasser durch eine Zuführleitung 12 in eine mit der Kernkraftanlage 5 verbundene
Temperaturgefälle-Kraftanlage 11 eingeführt und aus dieser über eine Abführleitung
13 außerhalb des Dammes 1 ins offene Meer zurückgeleitet. Das heiße Reaktorkühlwasser
wird aus dem Sammelbehälter 3 über eine ZuSührleitung 14 ebenfalls in die Temperaturgefälle-Kraftanlage
eingeführt und dann aus dieser über eine Abführleitung 15 in den Sammelbehälter
3 zurückgeführt.
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In der in Fig. 2 dargestellten Temperaturgefälle-Kraftanlage können
als Arbeitsmedium Fluorverbindungen (beispielsweise Freon R-11, Siedepunkt bei Normaldruck:
-40C) mit einem hinreichend unter dem Siedepunkt von Wasser beim gleichen Druck
liegenden Siedepunkt oder in bestimmten Fällen auch Ammoniak verwendet werden. Das
Arbeitsmedium wird in einem zum Aufheizen dienenden Wärmetauscher 16 in Beruhrung
mit einer von dem heißen Reaktorkühlwasser aus dem Sammelbehälter 3 durchströmten
Schlange
17 erwärmt und dann mittels einer Pumpe 18 in einen Dampferzeuger 19 eingeführt.
Der aus der nicht dargestellten Dampfturbine der Kernkraftanlage 5 austretende Dampf
S wird vor seinem Eintritt in einen Kondensator vollständig oder zum Teil über eine
Dampfzuführleitung 20 in eine im Dampferzeuger 19 angeordnete Heizschlange 21 eingeführt
und dann über eine Dampfabführleitung 22 dem Kondensator zugeführt. Das im Dampferzeuger
19 befindliche, flüssige Arbeitsmedium wird in Berührung mit der Heizschlange 21
weiter erwärmt und in Dampf überführt. Der Dampf des Arbeitsmediums wird dann zum
Antrieb einer mit einem elektrischen Generator 23 verbundenen Turbine 24 durch diese
hindurchgeführt. Das Arbeitsmedium fließt dann in einen Kondensator 25, in welchem
es in Berührung mit einer von kaltem Seewasser aus dem Sammelbehälter 4 durchströmten
KUhlschlange 26 abgekühlt und zu flüssiger Form kondensiert wird.
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Das flüssige Arbeitsmedium wird in einem Auffangtank 27 gesammelt,
aus dem es mittels einer Pumpe im Kreislauf wiederum dem Wärmetauscher 16 zugeführt
wird.
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Da bei dieser Anordnung aus dem Kernkraftwerk nur das zugeführte Tiefseewasser
nach dem Passieren des Kondensators 25 mit immer noch niedriger Temperatur ins Meer
zurückgeleitet wird, besteht keine Gefahr einer Verunreinigung der benachbarten
Meeresbereiche mit Heißwasser. Da weiterhin das Reaktorkühiwasser im Sammelbehälter
3 als Heizmedium für das Arbeitsmedium der Temperaturgefälle-Kraftanlage 11 benutzt
und dabei abgekühlt wird, kann die Hauptmenge der Wärme am Generator in Form von
elektrischer Kraft zurückgewonnen werden. Da auch der im Kernreaktor erzeugte Dampf
vor dem Eintritt in den Kondensator als Heizmedium zur Verdampfung des Arbeitsmediums
im Dampferzeuger ausgenutzt wird, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung des thermischen
Wirkungsgrades des gesamten Kernkraftwerks.
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Falls durch das vom Meeresboden her kalt zugeführte, nach dem Durchströmen
des Kondensators 25 in das Meer zurückgeleitete Seewasser die Gefahr einer Verunreinigung
durch Kaltwasser besteht, kann die Ableitung 13 im Meer bis in eine solche Tiefe
geführt werden, daß das austretende Seewasser bis in die
Wassertiefe
gelangt, aus der das kalte Seewasser zuvor entnommen worden war. Statt dessen kann
das in das Meer zurückzuführende Seewasser zuvor auch mit warmem Wasser, beispielsweise
einem Teil des Kreislaufswassers im Kondensator der Kernkraftanlage 5 oder heißem
Reaktorkühlwasser oder dem durch den Wärmetauscher 16 der Temperaturgefälle-Kraftanlate
11 hindurchtretenden warmen Wasser so vermischt werden, daß seine Temperatur etwa
derjenigen des umgebenden Seewassers entspricht.
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Auf diese Weise kann sowohl eine Verunreinigung mit kaltem Wasser,
als auch eine Verunreinigung mit Heißwasser vermieden werden0 Das erfindungsgemäße
Meeres-Kernkraftwerk kann natürlich auch an einer Meeresküste errichtet sein, an
welcher eine hinreichende Wassertiefe von vorzugsweise mindestens 300 m zur Verfügung
steht. Die Unterwasserleitung 6 kann weiterhin zweckmäßig mit einer Wärmeisolierung
versehen sein. Anstelle der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 für die Zuführung
des Tiefseewassers verwendeten Blasenpumpe können auch andere Pumpvorrichtungen
oder dergleichen eingesetzt werden0 Je nach den Umständen kann das heiße Reaktorkühlwasser
auch dem Wärmetauscher 76 zugeführt werden, bevor es in den Sammelbehälter 3 gelangt.
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Die in Fig. 3 dargestellte, abgewandelte Ausführungsform entspricht
in vieler Hinsicht derjenigen gemäß Fig. 2, so daß für gleichartige Teile übereinstimmende
Bezugszeichen benutzt wurden. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind die
Turbine 24, der elektrische Generator 23 und der Kondensator 25 der Temperaturgefälle-Kraftanlage
11 jedoch zur Vermeidung des Hochpumpens von kaltem Tiefseewasser mittels einer
langen Unterwasserlaitung 6 unter Wasser angeordnet. Da der Wärmetauscher 16 und
der Dampferzeuger 19 über Wasser bei der Kernkraftanlage 5 angeordnet sind, ist
die zusammen mit dem elektrischen Generator 23 in einem hermetisch verschlossenen
Behalter 32 angeordnete Turbine 24 über eine Zuleitung 30 mit dem Dampferzeuger
19 und die zusammen mit dem Kondensator 25 in
einem getrennten,
hermetisch verschlossenen Behälter 33 angeordnete Förderpumpe 35 über eine Ableitung
31 für das Arbeitsmedium mit dem Wärmetauscher 16 verbunden. Da die Zuleitung 30
und die Ableitung 31 eine der Unterwasserleitung 6 entsprechende Länge aufweisen,
ist es zweckmäßig, die das verdampfte Arbeitsmedium vom Dampferzeuger 19 zur Turbine
24 führende Zuleitung 30 mit einer Wärmeisolierung zu umgeben. In dem hermetisch
verschlossenen Behälter 33 ist ferner eine Kaltwasser-Förderpumpe 34 angeordnet,
die über eine Zuleitung 12 kaltes Seewasser ansaugt und dieses durch die Kühlschlange
26 des Kondensators 25 und die Ableitung 13 ins Meer zurückführt. Die Wandung des
Behälters 32 kann selbst bei Berücksichtigung des äußeren Wasserdrucks relativ dünn
ausgebildet sein, da der Innendruck wegen des am Schaft der Turbine 24 oder ähnlichen
Stellen erfolgenden Austretens des gasförmigen Arbeitsmediums etwa genauso hoch
ist, wie der Gasdruck in der Zuleitung 30. Im Hinblick hierauf kann das Arbeitsmedium
aus der Turbine 24 auch direkt in dem hermetisch verschlossenen Behälter 32 gesammelt
und aus diesem dem Kondensator 25 zugeführt werden.
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Anstelle der Verwendung von zwei getrennten, hermetisch ver -schlossenen
Behälters 32 und 33 können die unter Wasser befindlichen Anlagenteile einschließlich
der Turbinenanlage und des Kondensators auch in einem gemeinsamen, hermetisch verschlossenen
Behälter angeordnet sein.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Turbinenanlage
mit der Turbine 24 und dem elektrischen Generator 23 zusammen mit dem Wärmetauscher
16 und dem Dampferzeuger 19 für das Arbeitsmedium über Wasser angeordnet. Da in
diesem Falle die Zuleitung 30 für das verdampfte Arbeitsmedium nicht im Seewasser
liegt, besteht kein Bedarf für umfängliche Wärmeisolierungen und es ergibt sich
eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird das im Sammelbehälter
3 aufgefangene Wasser im Kreislauf als Reaktorkühlwasser
benutzt,
wobei es jedoch notwendig ist, daß das aus dem Sammelbehälter 3 dem Kernreaktor
zugeführte Kühlwasser eine hinreichend niedrige Temperatur besitzt. Wenn dagegen
die Verwendung des heißen Reaktorkühlwasser als Wärmemedium im Wärmetauscher 16
der einzelnen Temperaturgefälle-Kraftanlage nicht ausreicht, um die Temperatur des
Reaktorkühlwassers auf den gewünschten Temperaturwert zu erniedrigen, kann durch
Vergrößerung der Oberfläche des Sammelbehälters 3 und/oder durch Anwendung beliebiger
Mittel zur Erzielung eines positiven Kontaktes zwischen Gas und Wasser eine Vergrößerung
der durch den Wärmetausch zwischen der Luft und dem Wasser im Sammelbehälter 3 erzielten
Kühlwirkung erreicht werden. Statt dassen kann je nach den Umständen die Temperatur
des im Sammelbehälter 3 aufgefangenen Wassers auch durch direktes Vermischen mit
dem durch die Ableitung 13 abgeführten kalten Wasser oder durch Verwendung eines
mit diesem kalten Wasser als Kühlmedium betriebenen Wärmetauschers gesenkt werden.
Bei der letztgenannten Methode wird ebenso wie in dem vorstehend beschriebenen Fall
eine Verunreinigung durch Kaltwasser verhindert.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der elektrische
Energie erzeugende Kernreaktor direkt von einem in mehrere Bereiche 40-1 bis 40-4
unterteilten Sammelbehälter 3 umgeben.
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In einer ersten Temperaturgefälle-Kraftanlage 50-1 wird elektrische
Energie erzeugt durch das Temperaturgefälle zwischen der hohen Temperatur des Wassers
aus dem ersten Bereich 40-1 zum Auffangen des heißen Reaktorkühlwassers und der
niedrigen Temperatur des Wassers aus dem Sammelbehälter 4, der vom Meeresboden zugeführtes,
kaltes Tiefseewasser enthält. Das aus der ersten Temperaturgefälle-Kraftanlage 50-1
austretende Reaktorkühlwasser, dessen Temperatur erniedrigt wurde ( 2-30C) wird
in den zweiten Bereich 40-2 aufgefangen. Das aus diesem Bereich stammende warme
Wasser und das aus dem Sammelbehälter 4 stammende kalte Wasser werden in einer zweiten
Temperaturgefälle-Kraftanlage 50-2 zur Erzeugung von elektrischer Kraft ausgenutzt.
In entsprechender Weise wird das im dritten Bereich 40-3
gesammelte
warme Wasser und das kalte Wasser aus dem Sammelbehälter 4 zum Betrieb einer dritten
Temperaturgefälle-Kraftan lage 50-3 benutzt, etc.
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Bei dieser Anordnung kann durch Vorsehen der benötigten Anzahl von
hintereinandergeschalteten Temperaturgefälle-Kraftanlagen die thermische Energie
des heißen Reaktorkühlwassers wirksam zu einer bedeutenden Erhöhung des thermischen
Gesamtwirkungsgrades benutzt werden. Da das im letzten Bereich 40-4 gesammelte Wasser
wegen seiner niedrigen Temperatur direkt zum Kühlen des Reaktors verwendet werden
kann, wird eine Kreislaufführung des eaktorkühlwassers in einem vollständig geschlossenen
Kreislauf erreicht. Das aus der letzten Temperaturgefalle-Xraftanlage 50-3 austretende
Wasser kann direkt in das Meer abgeführt werden, da seine Temperatur zuvor so erniedrigt
worden ist, daß dabei keine Verunreinigung durch Heißwasser verursacht wird.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann in jeder der Temperaturgefälle-Kraftanlagen
der im Kernreaktor erzeugte Dampf nach seinem Durchtritt durch eine Dampfturbine
in der für vorangegangenen Ausführungsformen beschriebenen Weise benutzt werden.
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