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Die Erfindung betrifft ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul, umfassend ein säulenartiges Kühlelement mit mehreren vorzugsweise längs seiner axialen Erstreckung vorgesehenen Kühlrohren, einen Kühlelementkopf an dem ersten axialen Ende des Kühlelementes und einen Kühlelementfuß an dem zweiten axialen Ende des Kühlelementes, einen ersten und eine zweiten gemeinsamen Verbindungsraum in welchen die ersten beziehungsweise zweiten Enden der Kühlrohre münden, jeweils ein Anschlusselement für ersten und zweiten Verbindungsraum.
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Es ist allgemein bekannt, dass in kerntechnischen Stromerzeugungsanlagen als nuklearer Brennstoff vorzugsweise uranhaltige Brennelemente verwendet werden. Diese haben – je nach Reaktortyp – eine zumeist säulenähnliche Form, wobei bei einem typischen Druckwasserreaktor von 1200 MW Leistung für eine Kernladung etwa 190 derartiger Brennelemente benötigt werden. Diese sind nach deren jeweiligem Abbrand durch neue zu ersetzen, je nach Nutzungsweise eines Kernreaktors pro Jahr etwa 20% aller Brennelemente.
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Hierzu werden die jeweiligen Brennelemente mittels einer entsprechenden roboterähnlichen Vorrichtung dem innerhalb eines Reaktorschutzgebäudes angeordneten Reaktorkern entnommen und in ein benachbartes, ebenfalls im Reaktorschutzgebäude befindliches Brennelementlagerbecken umgesetzt und dort zwischengelagert.
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Die Lagerung erfolgt dort in einem sogenannten Brennelementlagergestell, wo die säulenähnlichen Brennelemente stehend nebeneinander in einer matrixähnlichen Rahmenstruktur anordenbar sind. Auch wenn die Brennelemente derart abgebrannt sind, dass sie nicht mehr in dem Reaktor verwendet werden können, so weisen sie dennoch anfangs eine nicht unerhebliche Nachzerfallsleistung auf, welche mit einer entsprechenden Wärmeerzeugung verbunden ist, die durchaus im MW Bereich liegt.
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Um das Bedienpersonal bzw. die Umgebung vor den dabei auftretenden radioaktiven Strahlen zu schützen und um zugleich eine Wärmeabfuhr von den zwischengelagerten Brennelementen sicher zu stellen, ist das Brennelementlagerbecken mit reinem Wasser gefüllt, so dass die eigentliche Brennelementlagerstelle am Fuße des Brennelementbeckens seitlich und nach oben von Wasser umgeben ist.
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Zu Wartungszwecken des Reaktordruckbehälters wird bedarfsweise sogar die gesamte Kernladung an Brennelementen im Brennelementbecken zwischengelagert, so dass eine Zugänglichkeit des Reaktorkerns gewährleistet ist. Je nach Lagerstand fallen im Brennelementbecken daher Wärmeleistungen von bis zu einigen MW, an, welche im Laufe der Lagerzeit entsprechend abklingen.
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Daher verfügen Brennelementbecken über Kühlsysteme, welche die entstehende Wärmeleistung über Wärmetauscher einer Wärmesenke zuführen, also einem Bereich oder einer Einrichtung, die Wärme abnehmen kann.
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Eine technische Variante für die Ausführung von solchen Kühlsystemen besteht darin, einen Einhängekühler im Brennelementbecken zu installieren. Der Einhängekühler wird rohrseitig zwangsdurchströmt. Die klassische Ausführung eines Einhängekühlers hat wesentliche Nachteile, insbesondere bezüglich
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- • Halterung des Einhängekühlers: Der Einhängekühler muss so gehaltert werden, dass die Funktion nach einem Erdbeben erhalten bleibt. Schweißarbeiten oder Montage von Halterungspunkten an der Innenwand des Brennelementbeckens stellen ein hohes technisches Risiko dar und sollten möglichst vermieden werden. Ferner ist eine konstruktive Lösung für die Halterung sehr aufwändig und oft gar nicht möglich.
- • Montageaufwand: Wenn im Rahmen der Montage der Halterung des Einhängekühlers Arbeiten am Brennelementbecken durchzuführen sind, stellen diese einen großen Aufwand dar und sind mit Risiken behaftet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte Kühlmittel beziehungsweise ein verbessertes Kühlsystem für Brennelementbecken zur Verfügung zu stellen, welche zudem besonders einfach zu installieren sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul der eingangs genannten Art. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Geometrie des Brennelementlagerbeckenkühlmoduls zumindest im Wesentlichen der äußeren Geometrie eines Brennelementes nachgebildet ist.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, ein Kühlelement beziehungsweise ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul derart zu konstruieren, dass es anstelle eines Brennelementes an eine Lagerposition für ein Brennelement direkt im Brennelementlagergestell platziert und festgesetzt werden kann. Somit lässt sich durch entsprechend viele Brennelementlagerbeckenkühlmodule je nach Anforderungen eine nahezu beliebige Kühlleistung in einem Brennelementlagerbecken installieren.
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Durch die Anordnung in einem ohnehin vorhandenen Brennelementlagergestell ist einerseits ein sicherer Halt des Brennelementlagerbeckenkühlmoduls gegeben. Ein Brennelementlagergestell ist so ausgelegt, dass es Erschütterungen – beispielsweise durch Erdbeben – sicher standhält. Somit ist auch ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul ohne zusätzlichen Planungs-, Genehmigungs- und Montageaufwand erdbebensicher in ein Brennelementlagergestell integrierbar. Zudem sind die Brennelementlagerbeckenkühlmodule genau dort platzierbar, wo die abzuführende Wärmeleistung entsteht, nämlich an den direkt benachbarten und ebenfalls im Brennelementlagergestell befindlichen Brennelementen. Vorzugsweise sind das Brennelementlagerbecken und das Brennelementlagergestell derart ausgestaltet und zueinander angeordnet, dass eine Naturkonvektion des im Brennelementlagerbecken befindlichen Wassers erfolgt.
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Um diese geometrische Austauschbarkeit eines Brennelementlagerbeckenkühlmoduls mit einem Brennelement zu erreichen, ist es erfindungsgemäß im Wesentlichen dessen äußerer Kontur nachgebildet und weist eine säulenähnliche Form mit einem zumindest ansatzweise identischen Querschnitt auf.
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Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die geometrische Ausgestaltung des Kühlelementfußes, auf welchem ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul ähnlich wie ein Brennelement stehend gelagert und in der Regel auch fixiert ist. Besonders wesentlich ist hierbei die möglichst genaue Nachbildung von eventuellen Fixier- oder Einrastmitteln, welche mit entsprechenden Mitteln im Brennelementlagergestell zusammenwirken, so dass auch für das Brennelementlagerbeckenkühlmodul ein sicherer Stand im Brennelementlagergestell gewährleistet ist. Eine exakte Kopie der äußeren Form ist jedoch nicht zwangsweise notwendig, minimale Anforderung ist, dass ein sicherer Stand des Brennelementlagerbeckenkühlmoduls im Brennelementlagergestell gewährleistet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Brennelementlagerbeckenkühlmoduls ist dieses daher insbesondere im Bereich des Kühlelementfußes der entsprechenden äußeren Geometrie eines Brennelementes nachgebildet. Brennelemente weisen, je nach Reaktortyp für welchen diese vorgesehen sind, verschiedene aber dennoch standardisierte Brennelementformen auf.
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Das eigentliche Kühlelement oberhalb des Kühlelementfußes ist außer der Einhaltung eines Maximalquerschnittes wenigen geometrischen Restriktionen unterworfen, solange sich das Brennelementlagerbeckenkühlmodul in einen entsprechenden Lagerplatz einführen lässt. Technisch bedingt weist das Kühlelement mehrere vorzugsweise parallele Kühlrohre auf, um eine hohe Wärmetauschoberfläche zwischen in den Kühlrohren strömendem Kühlmittel und einem entfernten Wärmetauscher zu gewährleisten, welche durch einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf miteinander verbunden sind. Gegebenenfalls kann die axiale Länge eines Brennelementlagerbeckenkühlmoduls auch die axiale Länge eines Brennelementes übersteigen.
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Der Kühlelementkopf weist neben einem geeigneten Querschnitt insbesondere auch Haltemittel beziehungsweise Ösen oder dergleichen auf, um wie bei einem Brennelement ein Anheben mit einem Kran zu ermöglichen.
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Ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul ist vom Gewicht her, leichter als ein Brennelement. Somit werden auch die Anforderungen bezüglich Standsicherheit nach Erdbeben erfüllt, da das Brennelementlagergestell für die Uran beinhaltenden und damit besonders schwere Brennelemente gleicher Größe erdbebensicher ausgelegt ist Durch ein erfindungsgemäßes Brennelementlagerbeckenkühlmodul entfällt in vorteilhafter Weise der zusätzlich Platzbedarf für einen Einhängekühler. Ferner wird hierdurch im Vergleich zu einem Einhängekühler eine Reduktion des Aufwandes für Planung, Genehmigung und Montage bewirkt, sowie das technische Risiko bei Nachrüstung von Kühlern in Brennelementbecken wesentlich reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Brennelementlagerbeckenkühlmoduls weist das Kühlelement eine die Kühlrohre umschließende Mantelwandung auf, wobei zwischen der Außenwandung der Rohre und der Mantelwandung ein durchströmbarer Innenraum gebildet ist. Eine derartige Mantelwandung kann ihrerseits auch Durchbrüche aufweisen und dient insbesondere zur Beeinflussung der konvektionsbedingten Strömung des das Brennelementlagerbeckenkühlmodul umgebenden Wassers. Idealerweise ist eine Mantelwandung derart ausgestaltet, dass eine natürliche Konvektion bewirkt ist und so ein verbesserter Wärmeaustausch ermöglicht ist.
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Einer weiteren Erfindungsvariante des Brennelementlagerbeckenkühlmoduls folgend sind beide Anschlusselemente im Kühlelementkopf angeordnet. Hierbei kann beispielsweise ein mäanderartiger Verlauf eines oder mehrere Kühlrohre zwischen Kühlelementfuß und Kühlelementkopf vorgesehen sein. Dies ermöglicht bei einer Anordnung in einem Brennelementlagergestell eine Verrohrung der Anschlusselemente von oben, was den Montageaufwand insbesondere bei einer Nachrüstung in eine bestehende Anlage deutlich reduziert.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Brennelementlagerbeckenkühlsystem, umfassend wenigstens ein Brennelementlagergestell mit Lagerplätzen zur Aufnahme von Brennelementen sowie wenigstens ein Kühlmodul, welches zumindest im Wesentlichen der äußeren Geometrie eines Brennelementes nachgebildet ist und welches in einem der Lagerplätze zur Aufnahme von Brennelementen angeordnet ist. Ein Kühlmodul weist vorzugsweise Kühlrohre zum Wärmetausch sowie ein erstes und zweites gemeinsames Anschlusselement für die Kühlrohre auf und ist dafür vorgesehen, als Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufes von einem Kühlmittel durchströmt zu werden.
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Wie bereits zuvor erläutert erschließt die direkte Platzierung eines erfindungsgemäßen Brennelementlagerbeckenkühlmoduls in ein Brennelementlagergestell verschiedene Vorteile, insbesondere bezüglich vereinfachter Montage, reduziertem Platzbedarf, verbesserter Kühlwirkung sowie reduziertem Planungs- und Genehigungsaufwand. Diese Vorteile gelten in gleicher Form auch für die verallgemeinerte Ausführungsform eines Kühlmoduls.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Brennelementlagerbeckenkühlsystems sind die Kühlmodule als erfindungsgemäße Brennelementlagerbeckenkühlmodule ausgeführt.
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In einer besonders bevorzugten Erfindungsvariante des Brennelementlagerbeckenkühlsystems umfasst dieses weiterhin einen mit einem Kühlmedium gefüllten geschlossenen Kühlkreislauf mit wenigstens einem Wärmetauscher zur Abfuhr von Wärmeenergie, in welchen Kühlkreislauf das wenigstens eine Brennelementlagerbeckenkühlmodul über seine Anschlusselemente eingebunden ist.
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Diese Anordnung ermöglicht eine volle Funktionalität des Brennelementlagerbeckenkühlsystems. Wärmeenergie wird über die Brennelementlagerbeckenkühlmodule dem diese umgebenden Wasser entzogen wodurch das in den Kühlrohren befindliche Kühlmittel, beispielsweise Wasser, erwärmt wird. Mittels Pumpen, welche das Kühlmittel im Kühlkreislauf umwälzen, erfolgt ein Abtransport der Wärmeenergie zu einem entfernt befindlichen Wärmetauscher, welcher dann das Kühlmittel kühlt und die Wärme beispielsweise an die Umgebung abgibt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung sind mehrere Brennelementlagerbeckenkühlmodule in einem gemeinsamen Brennelementlagergestell angeordnet. Ein Brennelementlagergestell umfasst beispielsweise 36 oder auch 100 Lagerplätze. Je nach gewünschter Kühlleistung kann darin eine entsprechende Anzahl an Brennelementlagerbeckenkühlmodulen vorgesehen sein, welche zudem nach thermisch optimierten Kriterien auf die verschiedenen Lagerplätze verteilt werden können.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen mehrere Brennelementlagerbeckenkühlmodule mittels ihrer jeweiligen Anschlusselemente strömungstechnisch parallel zu schalten. Hierdurch wird eine möglichst homogene Kühlwirkung erreicht.
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Entsprechend dem Einbau eines erfindungsgemäßen Brennelementlagerbeckenkühlsystems in eine reale Betriebsumgebung ist das wenigstens eine Brennelementlagergestell in einem Brennelementlagerbecken angeordnet, wobei das Brennelementlagerbecken mit Wasser gefüllt ist. Typischerweise sind in dem wenigstens einen Brennelementlagergestell in jeweiligen Lagerplätzen Brennelemente angeordnet, von welchen die abzuführende Wärme ausgeht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen
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1 ein erstes exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul,
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2 ein zweites exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul,
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3 ein exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlsystem sowie
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4 ein Brennelementlagerbecken mit Brennelementlagergestellen.
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1 zeigt ein erstes exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul 10 in einer skizzenhaften Außenansicht. Das Brennelementlagerbeckenkühlmodul weist ein mittleres säulenähnliches Kühlelement 12, einen Kühlelementkopf 14 mit einem Hebehaken sowie einen Kühlelementfuß 16 mit einem Standrahmen mit vier Tragsäulen auf, durch welche ein sicherer Stand in einem Brennelementlagergestell gewährleistet ist. In diesem Fall umschließt der Standrahmen einen Sicherungszylinder 18, welcher Teil eines nicht weiter gezeigten Brennelementlagergestells ist, so dass ein horizontales Verrutschen des Kühlelementes 12 ausgeschlossen ist. Rohrleitungen im Kühlelement sind aufgrund einer diese umschließenden Mantelwandung nicht sichtbar.
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2 zeigt ein zweites exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul 20 in einer Schnittdarstellung. In einem Kühlelement 22 sind mehrere Kühlrohre 28 vorgesehen, welche mit ihrem ersten Ende in einen Kühlelementkopf 24 münden, welcher seinerseits einen Verbindungsraum 30 zur strömungstechnischen Kopplung der Kühlrohre 28 sowie ein aus diesem führendes Anschlusselement 34 aufweist. Mit ihrem zweiten Ende münden die Kühlrohre 28 in einem Kühlelementfuß 26, welcher seinerseits einen Verbindungsraum 32 zur strömungstechnischen Kopplung der Kühlrohre 28 sowie ein aus diesem führendes Anschlusselement 36 aufweist.
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Eine zwingende Zuordnung von erstem 30 und zweitem 32 Verbindungsraum zu Kühlelementkopf 24 und Kühlelementfuß 26 besteht nicht. Es ist auch durchaus möglich, dass der Kühlelementfuß 26 beide Verbindungsräume 30, 32 aufweist und die Kühlrohre 28 als Mäander geführt sind. Im Betrieb des Brennelementlagerbeckenkühlmoduls 20 sind die Kühlrohre mit einem Kühlmittel wie Wasser gefüllt und Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufes.
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3 zeigt ein exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlsystem 40. Dieses weist ein Brennelementlagergestell 42 mit sechsunddreißig Lagerplätzen 44 zur Aufnahme von Brennelementen auf, welche mit der Bezugsziffer 46 angedeutet sind. In der obersten dargestellten Reihe der matrixähnlichen Grundflächenstruktur des Brennelementlagergestells 42 sind erfindungsgemäße Brennelementlagerbeckenkühlmodule 48 vorgesehen. Diese weisen eine Außenkontur auf, welche im Wesentlichen der Außenkontur eines Brennelementes 46 nachgebildet ist, weshalb sie auch problemlos anstelle eines Brennelementes 46 in einen Lagerplatz 44 eingeführt werden können.
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Die Brennelementlagerbeckenkühlmodule 48 sind mit einem als Rohrleitung ausgeprägtem Zulauf 50 und einem als Rohrleitung ausgeprägtem Ablauf 52 verbunden. Über Zulauf 50 und Ablauf 52 ist eine Anbindung an einen nicht gezeigten Wärmetauscher gegeben.
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Es ist sowohl möglich, Zulauf 50 und Ablauf 52 an entgegen gesetzten axialen Enden der Brennelementlagerbeckenkühlmodule 48 vorzusehen, oder aber auch am selben axialen Ende. Hierzu wäre dann beispielsweise ein Anschlusselement eines jeweiligen Brennelementlagerbeckenkühlmoduls 48 mit entgegen gesetzt angeordneten Anschlusselementen beispielsweise vom Kühlelementfuß zum Kühlelementkopf zu verlängern. Alternativ kann ein Brennelementlagerbeckenkühlmodul 48 verwendet werden, dessen beiden Anschlusselemente direkt am Kühlelementkopf vorgesehen sind. Aus kollisionstechnischer Sicht ist eine Anordnung von Zulauf 50 und Ablauf 52 auf jeweils derselben axialen Seite der Brennelementlagerbeckenkühlmodule 48, insbesondere am Kühlelementfuß, wünschenswert. Eine derartige Anordnung bietet sich vorzugsweise bei Anlagenneubauten an.
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4 zeigt in einer Darstellung 60 ein Brennelementlagerbecken 62 mit Brennelementlagergestellen 64, 66, in welchen jeweils eine Vielzahl von Lagerplätzen 68 zur Aufnahme von Brennelementen vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul
- 12
- Kühlelement
- 14
- Kühlelementkopf
- 16
- Kühlelementfuß
- 18
- Sicherungszylinder
- 20
- zweites exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlmodul
- 22
- Kühlelement
- 24
- Kühlelementkopf
- 26
- Kühlelementfuß
- 28
- Kühlrohre
- 30
- erster Verbindungsraum
- 32
- zweiter Verbindungsraum
- 34
- Anschlusselement für ersten Verbindungsraum
- 36
- Anschlusselement für zweiten Verbindungsraum
- 40
- exemplarisches Brennelementlagerbeckenkühlsystem
- 42
- Brennelementlagergestell
- 44
- Lagerplätze zur Aufnahme von Brennelementen
- 46
- Brennelemente
- 48
- Brennelementlagerbeckenkühlmodule
- 50
- Zulauf für Kühlmedium
- 52
- Ablauf für Kühlmedium
- 60
- Brennelementlagerbecken mit Brennelementlagergestellen
- 62
- Brennelementlagerbecken
- 64
- erstes Brennelementlagergestell
- 66
- zweites Brennelementlagergestell
- 68
- Lagerplätze zur Aufnahme von Brennelementen
