DE2816313A1

DE2816313A1 - Einrichtung zur speicherung radioaktiver abfaelle und zur wiedergewinnung der von diesen abgegebenen parasitaeren waerme

Info

Publication number: DE2816313A1
Application number: DE19782816313
Authority: DE
Inventors: Edmond Girard
Original assignee: Messier SA
Current assignee: Messier SA
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1978-11-02
Also published as: IT1103307B; FR2388380A1; BE865607A; GB1557048A; FR2388380B1; US4291536A; IT7812574A0

Description

MESSIER S.A.

3.8 Avenue Pierre ler de Serbie

75OO8 Paris (Frankreich),

Einrichtung zur Speicherung radioaktiver Abfälle und-" zur "'Wiedergewinnung der von diesen abgegebenen

parasitären Wärme

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die die Speicherung radioaktiver Abfälle und die Wiedergewinnung der von diesen abgegebenen parasitären /Wärme bzw. Wärmemengen ermöglicht. \ ■ . " " -■-,.■-,"

.Bekanntlich haben die sich aus der Kernspaltung ergebenden Produkte eine dreifache Gefahr. Zunächst besitzen sie eine Radioakt it ät₅ deren Dauer zwischen einigen Bruchteilen von Sekunden bis zu einigen Milliarden Jahren reichen kann. Simultan verunreinigen sie ihre Umgebung thermisch durch Abgabe von Wärme, wobei diese Erscheinung unvermeidbar deren radioaktive Entregung begleitet. Schließlich bleiben, entregt, diese Produkte gefährliche chemische Gifte.

Wie bekannt (vgl. US-PS 3 911684) ist die Erzeugung elek-

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trischer Energie aufgrund von Kernspaltung tatsächlich von der Erzeugung großer Mengen an Produkten begleitet, die sich aus der Spaltung ergeben, und von anderen radioaktiven Abfällen, die schwierige Probleme stellen für die Behandlung, die Handhabung und die Speicherung oder Silierung. Die potentiellen Verwendungen dieser Produkte erscheinen in dreifacher Art möglich zu sein: als Strahlungsquelle, als Wärmequelle oder auch als Quelle von hochwertigen Elementen wie Paladium. Jedoch ist der Bedarf an Spaltprodukten in dem Maße wie radioaktive Quellen gering und ohne allgemeinem Maß gegenüber der Menge der tatsächlich verfügbaren Produkte. Andererseits wurde zumindest in ernsthafter Weise die Möglichkeit der Verwendung der abgegebenen parasitären Wärme und der Erzeugung wertvoller Elemente noch nicht weiterentwickelt. Die abgebrannten Brennelemente wie diejenigen, die aus Kernreaktoren herausgezogen sind, enthalten Uran, Plutonium und sogar Thorium, die ausreichend kostbar sind, daß sich deren Wiedergewinnung zwecks einer anderen Verwendung rechtfertigt. Normalerweise werden die abgebrannten Brennelemente aufgelöst und werden die wertvollen Bestandteile aus der Lösung abgezogen mittels geeigneter Lösungsmittel. Die Spaltprodukte und die anderen in der Lösung verbleibenden Werkstoffe bilden hoch^radioaktive Abfälle, die während einer langen Zeitdauer verarbeitet oder behandelt werden müssen. Beispielsweise sind diese Abfälle von einer Hülle umgeben, die einen Antistrahlungsschirm bildet, und während zwei bis zehn Jahren in ein Becken eingetaucht, dessen Wasser auf eine" Temperatur von 30 bis 60 ⁰C ansteigt unter Absorbieren der von diesen Abfällen abgegebenen parasitären Wärme bzw. Wärmemengen. In der Folge davon werden diese Abfälle in Zement- oder Bleibehälter eingeschlossen, die an Plätzen abgestellt werden,

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die zur endgültigen Ablagerung dieser Produkte vorgesehen sind. Die Zusammensetzung der radioaktiven Abfälle ändert . sich abhängig von der Art des Brennstoffes und derjenigen ihrer Hüllen, vom Grad der "Verbrennung", der zur Wiederbehandlung der Brennstoffe und der Behandlung der Abfälle verwendeten Verfahren und von der Zeit der Abkühlung. Eine AbkühlungsZeitdauer von etwa 6 Monaten muß zwischen dem Herausnehmen des abgebrannten Brennstoffes aus dem Kern eines Kernreaktors und der Durchführung des Verfahrens zur Wiederbehandlung des Brennstoffes verstreichen.

Die sehr radioaktiven Abfälle enthalten Spaltprodukte, Aktiniden, Hüllenwerkstoffe und andere. Wenn diese Mischung in eine der verschiedenen möglichen Pestformen gebracht worden ist j bildet sie eine geeignete Wärmequelle in bezug auf die bekannte Verwendung (vgl. ÜS-PS 3 911684).

Eine weitere bekannte Quelle dieser Art ist durch eine Mischung von Elementen langer Halbwertzeit gebildet, die Wärme abgeben und die von der Masse der Abfälle getrennt worden sind zwecks einer selektiven Speicherung. Der Zweck einer derartigen Trennung liegt in der Verringerung der Ernsthaftigkeit des Problemes, das die Beseitigung der Wärme während der Speicherung des Restes der Abfälle stellt. Tatsächlich werden Strontium 90 und Cäsium 137 zu diesem Zweck von den anderen radioaktiven Abfällen abgetrennt. Gemäß einem herkömmlichen Verfahren werden das Strontium und das Cäsium im Inneren von zylindrischen doppelwandigen Kapseln oder Kartuschen aus rostfreiem Stahl mit 60 cm Länge und 10 cm Durchmesser angeordnet, die dann in ein Becken eingetaucht werden, das den Schutz gegen die Strahlung dieser stark radioaktiven Elemente und deren Abkühlung sicherstellt. Die Aktiniden hoher Atomzahl, die sich sammeln, wenn

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das Plutonium wieder umgewälzt wird in dem Maße als Kernbrennstoff, bilden andere Wärmequellen. Schließlich wird, wenn die Elemente mit wärmeerzeugenden Isotopen mit Halbwert szeit von etwa über zwei Jahren von den anderen Abfällen getrennt werden, eine konzentrierte und nutzbare Wärmequelle erhalten.

Gemäß der US-PS 3 911684 werden die geeigneten Wärmequellen, die erläutert werden, verfestigt in Kartuschen angebracht und zu einer Behändlungseinrichtung gefördert, in der die Kartuschen in das Innere von vertikalen Speicherrohren abgesenkt werden, die in einer Heizkammer angeordnet sind, die unter dem Erdboden angeordnet sein kann. Die Speicherrohre werden durch eine Gasumwälzung mit geeigneter Temperatur, geeignetem Druck und geeigneter Geschwindigkeit abgekühlt, die sich zwischen der Heizkammer und einer Kühlkammer entwickelt, in der das aufgeheizte Gas seine Wärmemenge bzw. Wärme an ein Fluid eines Nutzkreises über Wärmetauscher abgibt, wobei das Fluid des Nutzkreises die industriellen oder landwirtschaftlichen Bedürfnisse befriedigen kann oder auch eine Turbine antreiben kann. Die Speicherrohre besitzen eine ausreichende Kapazität, damit die ersten eingeführten Kartuschen lediglich einen Teil des Volumens derart füllen, daß neue Kartuschen periodisch eingeführt werden können, um die Aktivitätsabsenkung der alteren Kartuschen zu kompensieren, damit die freigesetzte Wärmemenge während einer langen Betriebsperiode der Einrichtung relativ konstant ist.

Eine derartige Einrichtung besitzt jedoch einen erheblichen Nachteil, da abgewartet werden muß₃ bis die zuletzt in die Rohre eingeführten Kartuschen abgekühlt sind, bevor

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zu einer Wiedererneuerung der älteren Kartuschen übergegangen werden kann, die während schon langer Zeit inert sind, woraus sich ein Zeitverlust und ein erheblicher Wirkungsgradverlust für die Einrichtung ergibt. '

Es ist Aufgäbe der Erfindung, eine Einrichtung anzugeben, die die Speicherung radioaktiver Abfälle und die Wiedergewinnung der abgegebenen parasitären Wärme unter Vermeidung : der genannten Nachteile ermöglicht, wobei unmittelbar eine bestimmte inerte Menge der Abfälle auch eine äquivalente-Menge abzukühlender Abfälle ersetzen werden kann,

. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zumindest ein Speicherelement für radioaktive Abfälle verwendet wird, "das sich dadurch auszeichnet, daß es eine erste sphärische geschlossene Schale aufweist, die die Abfälle umschließt und die im Inneren einer allgemein sphärischen zweiten geschlossenen Schale angeordnet ist, die gespickt oder versehen ist mit radialen Punkten, die nach außen vorspringen^ wobei das Volumen zwischen diesen beiden Schalen von einem nicht^kontaminierharen Fluid gefüllt ist ₃ das die übertragung von Wärme oder Wärmemengen begünstigt, die vom Kühlen der Abfälle stammen, von der ersten Schale zur zweiten Schale, deren Punkte oder Vorsprünge als Heizkörper gegenüber der Außenumgebung wirken.

Es ist festzustellen, daß die Speicherelemente dieser Art vorteilhaft die bei den herkömmlichen Einrichtungen verwendeten Kartuschen ersetzen können. Ein Element oder eine Anordnung von Elementen zur Speicherung gemäß der Erfindung kann von einem Fluidstrom bespült werden, sogar in einen FlüssigkeitsstrOm eingetaucht sein, der sich in Berührung

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mit dem Heizkörper erwärmt, den die Außenschale und die an dieser vorgesehenen Punkte bilden, wobei dieses erwärmte Fluid in üblicher Weise die Wärmemengen an einen Nutzkreis abgeben kann.

Jedoch kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Speicherelement darüber hinaus eine dritte sphärische Schale aufweisen, die die erste Schale umhüllt und die von der zweiten Schale umhüllt ist, die von radialen Durehtritten durchsetzt ist und in deren Dicke ein Rohrleitungsnetz vorgesehen ist, das von den radialen Durchtritten isoliert ist, und das über zwei mit der dritten Schale einstüekige Leitungen, die die zweite Schale durchsetζen, mit einem Kühlmittelfluidkreis in Verbindung gebracht werden kann derart, daß die Umwälzung dieses Kühlfluids in der dritten Sehale eine Wiedergewinnung und eine Wärmeabfuhr ermöglicht zwecks einer Ausnutzung nach außerhalb des Elementes, wobei mögliche überschüssige Wärmemengen, die von den Abfällen abgegeben sind, von der zweiten Schale und den von ihr getragenen Punkten abgegeben oder zerstreut werden können zur Außenumgebung .

Die besondere Einrichtung gemäß der Erfindung, die die Speicherung radioaktiver Abfälle und die Wiedergewinnung zwecks Ausnutzung der von den Abfällen abgegebenen parasitären Wärme ermöglicht, zeichnet sich dadurch aus, daß sie zumindest ein Speicherelement gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aufweist, dessen dritte Schale, die nach. Entspannung von dem Kühlfluid durchströmt ist, das von dem Kondensator einer Wärmepumpe stammt, den Verdampfer dieser Wärmepumpe bildet, deren Ausgang an einem zum Kondensator fördernden Verdichter angeschlossen ist, wo das Kühlfluid an einen Nutzkreis die von den Abfällen abgegebenen und j_n Höhe

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des Verdampfers wiedergewonnenen oder gesammelten Wärmemengen abgibt.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Schnitt durch die Mitte eines Elements zur

Speicherung der Abfälle und zur Wiedergewinnung der von diesen abgegebenen Wärme gemäß der Erfindung,

Fig. 2 schematisch eine Einrichtung oder eine Gesamtanordnung zur Speicherung der Abfälle und zur Wiedergewinnung der Wärme, die Elemente gemäß Fig. ί verwendet.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein Element zur Speicherung gemäß der Erfindung eine Form und einen Aufbau, der an Strahler mit sphärischen Schalen erinnert, die mit Spitzen versehen sind und die ineinander angeordnet sind, wie sie beispielsweise bei Plankton der Meere lebenden Mikroorganismen gefunden werden. Dieses Speicherelement 1 weist eine erste geschlossene Schale 2 sphärischer Form auf, in der eine begrenzte Masse 3 radioaktiver Abfälle eingeschlossen ist, die zuvor vitrifiziert oder verglast worden sind, wobei diese Verglasung eine erste Neutralisation der Strahlung sicherstellt. Die Schale 2 besteht aus einem aus Gold und Blei zusammengesetzten Werkstoff, wobei diese Metalle gewählt sind, weil das erste eine hervorragende Wärmeleitfä- · higkeitbesitzt und das zweite eine zweite Antistrahlungsbarriere bildet. Die Schale 2 ist im Inneren einer anderen

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zweiten geschlossenen Schale 4 angeordnet mit im allgemeinen sphärischer Form, die mit Punkten 5 versehen ist, die sich radial nach außen erstrecken, wobei die zweite Schale 4 und die Punkte 5 aus einem aus Kupfer und Blei zusammengesetzten Werkstoff bestehen, was den guten Wärmeleiteigenschaften des Kupfers die Eigenschaften des Bleis bezüglich eines Antistrahlungsschirms hinzufügt.

Eine dritte Schale 6, die ebenfalls aus einem aus Gold und Blei zusammengesetzten Werkstoff besteht, umhüllt die erste Schale 1 und ist mit dieser über Kupfer-Verstrebungen 7 verbunden und ist von der äußeren zweiten Schale 4 umgeben und weist radiale Durchtritte 8 und ein Rohrleitungsnetz 9 auf, das in der Dicke der dritten Schale 6 ohne Verbindung mit den radialen Durchtritten 8 ausgebildet ist.

Zwei mit der dritten Schale 6 einstückige Leitungen 10, 11, die im Rohrleitungsnetz 9 münden, durchsetzen die äußere zweite Schale 4 und tragen die Anordnung aus den Schalen 2 und 6 im Inneren der äußeren Schale 4.

Schließlich sind die beiden Kammern 12, 13, die die zwischenliegende dritte Schale 6 mit den beiden anderen Schalen 2, 4 jeweils bildet, mit einem durch die Strahlungen nichtkontaminierbaren Fluid gefüllt, das die Wärmeübertragungen begünstigt wie beispielsweise entmineralisiertes oder keine organischen Stoffe aufweisendes Wasser, das von einer der Kammern 12, 13 zur anderen treten kann durch die radialen Durchtritte 8. Das so erhaltene Element 1 bildet eine Aufnahme zur Speicherung der verglasten radioaktiven Abfälle, die einerseits mit einem Heizkörper und andererseits mit einem möglichen Wärmeschild versehen ist, das durch Umwälzung

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eines Kühlfluids, wie Freon, in dem Rohrleitungsnetz 9 - der mittleren Schale 6 erhalten ist. -

Pig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Speicherung radioaktiver Abfälle und zur Wiedergewinnung der von diesen abgegebenen parasitären Wärme, das eine Anordnung von Elementen 1 aufweist j die vorteilhaft in einem Netz angeordnet sind, das verschiedene parallele Leitungen der reihengeschalteten Elemente 1 aufweist, wobei das Netz mit einem Kreis 14 des Kühlfluids einer- Wärmepumpe verbunden ist* Zu diesem Zweck bilden die. Leitungen 10 und 11 für jedes Element 1 jeweils die Eintritts- und Austrittsleitungen des Kühlfluids und sind mit herkömmlichen Ventilen 15: versehen, die die Abtrennung jedes Elements 1 vom Netz ermöglichen. Die Anordnung der von den dritten Schalen 6 gebildeten Wärmeschirme und der Rohrleitungsnetz e 9 bildet den Verdampfer dieser Wärmepumpe, in dem das Kühlfluid verdampft unter Absorbierung der parasitären Wärme, die von den radioaktiven Abfällen 3 abgegeben worden sind und von der ersten Schale 2 und dem entmineralisierten Wasser der Kammern 12 und 13 zu den Wänden der dritten Schale 6 übertragen worden sind, wobei ein Wärmeüberschuß nach außerhalb über die zweite Schale 4 und die Punkte 5 abgegeben wird. Das so aufgeheizte Kühlfluid wird anschließend dem Kompressor oder Verdichter 16 der Wärmepumpe zugeführt, dann einem Kondensator 17, der den Verdampfer l8 einer Niederdruck-Dampfmaschine umgibt. Nach Abkühlung wird das Kühlfluid in einem Entspannungsglied 19 entspannt und dann zu den Eintritten 10 der Elemente 1 zurückgeführt.. -■.':-

- Am Ausgang des Verdampfers 18 treibt der Dampf der Niederdruck-Dampfmaschine eine Turbine 20 an, die an der Welle 21 verfügbare mechanische Energie abgibt unter Sicherstellen

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des Antriebs des Verdichters 16 der Wärmepumpe. Der Kreis der Niederdruck-Dampfmaschine ist abgezweigt über den Durchtritt im Kondensator 22, in dem an einer Stelle 23 ein von einer Kältequelle stammendes Fluid eintritt, beispielsweise von einem Wasser-Verteilungsnetz, das an einer Stelle 24 auf höherer Temperatur wieder abgegeben wird und möglicherweise ausgenutzt werden kann, beispielsweise in der Landwirtschaft oder im Haushalt, wobei eine Umwälzpumpe 25 die Rückkehr zum Verdampfer 18 des Fluids der Niederdruck-Dampfmaschine sicherstellt. Die erläuterte Einrichtung besitzt hohe Anpassungsfähigkeit im Betrieb. Es ist nämlich möglich, beim Ersetzen einer neuen Masse an zu kühlenden Abfällen anstelle von inerten oder unzureichend Wärme abgebenden Abfällen das jeweilige Speicherelement 1 durch Betätigung von Ven tilen 15 abzutrennen und es durch ein eben mit Abfällen be ladenes Speicherelement 1 zu ersetzen, ohne die Einrichtung anhalten zu müssen. In gleicher Weise kann bei einem geringen Bedarf an mechanischer Energie an der Welle 21 oder einem geringen Bedarf an Heizung, beispielsweise Haushaltsheizung, der Nutzkreis der Wärmepumpe ein Heizkreis sein und keine Niederdruck-Dampfmaschine, wobei es möglich ist, eines oder mehrere der Speicherelemente 1 abzutrennen, bei denen die von den Abfällen abgegebenen Wärmemengen über die äußere zweite Schale 4 und deren Punkte 6 abgegeben werden.

als

Schließlich können auch die Elemente 1 Aufnahmen oder Behälter.zur endgültigen Speicherung von Abfällen dienen, die sie umgeben, wenn diese letzteren inert oder wenig aktiv geworden sind.

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Leerseite

Claims

B EETZ-LAM PR ECHT-B EE T Ϊ PATENTANWÄLTE

Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Dipl-Ing. R. BEETZ sen.

Telefon (089) 227201 -227244,-295910 Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT

Telex 522048 - Telegramm Allpatent München Dr.-Ing. R. BEETZ jr.

Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HElDRICH

Dr.-Ing. W. TIMPE V "■■"=" Dipl.-ing. J. SIEGFRIED

0116-28. 1.32P-" Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

' 14. April 1978

■ '->-■-. Ansprüche - , . -

Element zur Speicherung radioaktiver Abfälle,

g .e-k.-e.--n η ζ e i c h η e t durch

eine erste sphärisch ausgebildete Schale (2),. die die Abfalle umgibt und die im Inneren einer zweiten geschlossenen, im allgemeinen sphärischen Schale (4) angeordnet ist, die mit radial nach außen ragenden Punkten (5) gespickt ist, wobei das Volumen zwischen den beiden Schalen (2, 4) von einem nicht kontaminierbaren Fluid gefüllt ist," das die Übertragung der von der Kühlung der Abfälle stammenden Wärmemengen von der ersten Schale (2) zur zweiten Schale (4) begünstigt, deren Punkte (5) als Heizkörper gegenüber der Außenumgebung wirken. ."".'".-. . ".. ^: "."...-

- "■" 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schale (2) aus einem aus Gold und Blei zusammenge-f setzten Werkstoff besteht.

.3". Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schale (4) aus einem aus.Kupfer und Blei zusammengesetzten Werkstoff besteht.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht kontaminierbare Fluid durch demineralisiertes Wasser gebildet ist.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das die Wiedergewinnung von von der Kühlung der Abfälle stammenden Wärmemengen ermöglicht,

gekennzeichnet durch

eine dritte sphärische Schale (6), die die erste Schale (2) umgibt und von der zweiten Schale (4) umgeben ist, die von radialen Durchtritten (8) durchsetzt ist und in deren Dicke ein Rohrleitungsnetz (9) vorgesehen ist, das von den radialen Durchtritten (8) isoliert oder getrennt ist und das über zwei mit der dritten Schale (6) einstückige Leitungen (10, 11), die die zweite Schale (4) durchsetzen, mit einem Kühlfluidkreis in Verbindung bringbar ist, derart, daß die Umwälzung dieses Kühlfluids in der dritten Schale (6) die Wärmewiedergewinnung und Wärmeabfuhr zwecks Ausnutzung nach außerhalb des Elements (1) ermöglicht, wobei ein möglicher Überschuß von durch die Abfälle abgegebenen Wärmemengen von der zweiten Schale (4) und deren Punkte (5) abgegeben oder zerstreut wird, die diese in Richtung nach außen trägt.

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schale (6) aus einem aus Gold und Blei zusammengesetzten Werkstoff besteht.

7. Einrichtung zur Speicherung von radioaktiven Abfällen

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und zur Wiedergewinnung der von den Abfällen abgegebenen parasitären Wärme,

dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest ein Speicherelement (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6 vorgesehen ist,

daß die nach Entspannung von dem vom Kondensator (17) einer Wärmepumpe stammenden Kühlfluid durchströmte dritte Schale den Verdampfer dieser Wärmepumpe bildet,

daß der Ausgang an einem Kompressor (16) abzweigt, der zum Kondensator (17) fördert, in dem das Kühlfluid an einen Nutzkreis die von den Abfällen abgegebenen und beim Verdampfer wiedergewonnenen Wärmemengen abgibt (Fig. 2).

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer der Wärmepumpe durch die dritten Schalen (6) einer Anordnung parallelgeschalteter Speicherelemente (1) gebildet ist.

9· Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer der Wärmepumpe durch die dritten Schalen (6) einer Anordnung von reihengeschalteten Speicherelementen (1) gebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis S₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzkreis eine Niederdruck-Dampfma-

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schine ist, deren Verdampfer (l8) im Kondensator (17) der Wärmepumpe integriert ist, wobei der vom Verdampfer (18) stammende Dampf einer Turbine (20) zugeführt ist, die den Antrieb des Verdichters (16) der Wärmepumpe sicherstellt und gleichzeitig mechanisch verfügbare Energie abgibt.

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