DE1564186A1

DE1564186A1 - Tragboden in einem Kugelhaufenreaktor

Info

Publication number: DE1564186A1
Application number: DE19661564186
Authority: DE
Inventors: Mario De Bacci; Pierre Vitry
Original assignee: Indatom
Current assignee: Indatom
Priority date: 1965-09-23
Filing date: 1966-09-23
Publication date: 1970-01-22
Also published as: LU52016A1; FR1458504A; BE686646A; NL6612072A

Description

Dlpl.-lng.R.Bestzu.
Dipl.-Ing. lampröcht

München 22. Steln»dori»ti. 10

410-11.789P 23.9.1966

IUDATOM, Paris (Frankreich.)

Tragboden in einem Kugelnaufenreaktor

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Tragboden in einem Kugelhaufenreaktor, insbesondere für solche Kugelhaufenreaktoren, bei denen das Kühlmedium den Reaktorkern in Abwärtsrichtung durchströmt und Wärmetauscher in das Reaktorgefäß eingebaut sind.

Mit "Kugelhaufen-Reaktor" werden Reaktoren bezeichnet, deren Brennstoffelemente aus Kugeln bestehen, in denen das spaltbare Material und der Moderator (gegebenenfalls auch ein Brutmaterial) vereinigt sind; das spaltbare oder Brutmaterial hat die Form kleiner Kügelchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines Bruchteils eines mm; diese Kügelchen sind mit pyrolytisch abgeschiedenem G-raphit umhüllt, der die Spaltprodukte zurückhält.

Die Anhäufung der den Reaktorkern bildenden Kugeln ruht auf einem Tragboden, durch den das Kühlgas hindurchströmt, das im allgemeinen Helium ist. Der Reaktorkern ist von einem

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Reflektor aus Moderatormaterial umgeben, von dem der Tragboden einen Teil bildet, und der in einem Druckgefäß eingeschlossen ist, das dem Druck des Kühlgases widersteht und auch die Wärmetauscher enthalten kann.

Bei den durch aufsteigende Kühlgasströmung gekühlten Reaktoren hat das Kühlgas beim Hindurchtreten durch den Tragboden praktisch seine niedrigste Temperatur; dies macht es möglich, den Tragboden in irgendeiner üblichen Weise auszubilden. Neuerdings ist man jedoch bestrebt, die Kühlung durch eine nach abwärts gerichtete Strömung des Gases durch die Kugelanhäufung zu bewirken, um zu verhindern, daß die Kugeln unter der Druckwirkung des Kühlströmungsmittels hochgeblasen werden. Derartige Vorgänge können sich infolge der Erhöhung des Kühlmediumdruckes und der Umlaufgeschwindigkeit ergeben, wie sie bei neueren Reaktorprojekten vorgesehen werden, um die spezifische Leistung heraufzusetzen. Bei abwärtsgerichteter Kühlströmung wird jedoch der Tragboden der Kugelanhäufung durch das Kühlgas durchströmt, wenn dieses Kühlgas seine höchste Temperatur hat, die bei den projektierten Reaktoren in der Größenordnung von 700 bis 800⁰C liegt. Es wird ftmn schwierig, eine Tragbodenkonstruktion zu benutzen, deren von dem heißen Kühlgas durchströmte Teile aus Metall hergestellt sind. Das Problem wird bei Reaktoren mit in das Reaktordruckgefäß eingebauten Wärmetauschern dann besonders schwierig, wenn diese Wärmetauscher innerhalb des Reaktordruck-

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gefäßes in einem um den Reaktorkern herum vorgesehenem ringförmigen Raum angeordnet werden· Die Tragbodenkonstruktion muß dann eine seitliche Ausbreitung und anschließende Umlenkung der Strömung des heißen Kühlmediums um 90° herbeiführen, um es den Wärmetauschern zuzuleiten. Diese zusätzliche Forderung macht die Ausbildung einer Tragbodenkonstruktion aus zusammengefügten Graphitblöcken - bei der man nur Gasdurchlässe mit einem relativ zur Tragbodenfläche sehr kleinen Querschnitt vorsehen kann - schwierig und erschwert die Bearbeitung der zur Herstellung des Tragbodens verwendeten Graphitblöcke außerordentlich. .

Wenn außerdem das Reaktordruckgefäß auf relativ niedriger Temperatur gehalten werden soll - was man normalerweise tun muß« wenn das Druckgefäß aus vorgespanntem Beton besteht führt die Temperaturdifferenz zwischen der einen und der anderen Seite eines Tragbodens üblicher Konstruktion zu sehr hohen Wärmespannungen in dem Tragboden·

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragboden für-Kugelhaufenreaktoren mit im Inneren des Reaktorkerns nach abwärts gerichteter Kühlgasströmung zu schaffen, die besser als die bekannten Ausführungen den Anforderungen der Praxis genügt, insbesondere den Vorteil hat, daß eine umständliche Bearbeitung vermieden und das Problem des einwandfreien Verhaltens bei hohen Temperaturen gelöst wird.

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Ein zur lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß neu entwickelter Tragboden in einem Kugelhaufenreaktor, dessen aus einer Aufschüttung von Kugel-Brennstoffelementen gebildeter Reaktorkern durch ein im Kern abwärtsströmendes Kühlgas gekühlt ist, ist im wesentlichen gekennzeichnet durch:

- eine die Aufschüttung der Kugel-Brennstoffelemente unmittelbar tragende Tragschicht von Kugeln aus hochtemperaturfestem Material, gegebenenfalls aus Moderatormaterial, oder aus einem Material, das einen Brutstoff enthält, die von einem seitlichen Reflektor umgeben ist, dessen unterer Teil mit Durchlässen für die Strömung des Kühlgases zu den Wärmetauschern versehen ist;

- eine Unterstützungskonstruktion, die das Gewicht der Kugel-Tragschicht und der Kugel-Brennstoffelemente auf das Reaktordruckgefäß überträgt und

- eine Schicht aus hochtemperaturfesten niesen, welche die Tragkonstruktion und die Kugel-Tragschicht voneinander trennt und mit Durchlaßöffnungen für einen kleinen Durchsatz von Kühlgas versehen ist, dessen Temperatur der Eintrittstemperatur des Kühlgases in den Reaktorkern entspricht und das aus der Tragkonstruktion in die Kugelsammlung hindurchtritt.

Der geringe Kühlgasdurchsatz, der von der Druckseite der Kühlgas-Umlaufgebläse entnommen wird und durch die Fliesenschicht hindurchströmt, hält die das Gewicht aufnehmende Tragkonstruktion und die Wand des Druckgefäßes auf einer noch zulässigen Temperatur.

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Die Erfindung betrifft weiterhin noch andere Merkmale, die zweckmäßigerweise in Verbindung mit den oben erwähnten Merkmalen angewendet werden sollen, aber auch unabhängig davon anwendbar sind.

Alle diese Merkmale und die dadurch erzielbaren Vorteile werden sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ergeben, das in der Zeichnung veranschaulicht ist und keine Einschränkung der Erfindung bedeutet. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 einen senkrechten Axialschnitt durch einen Kugelhaufenreaktor mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Tragboden für die Kugelan&^mmlung;

Pig. 2 einea Teilschnittdarstellung des Reaktors, bei der der obere Teil der Figur einen Schnitt längs der Schnittlinie A-A der Pig·1 und der untere Teil der Figur einen Schnitt längs der Schnittlinie B-B der Pig. 1 darstellt.

Der dargestellte Kugelhaufenreaktor enthält in einem aus vorgespanntem Beton bestehenden Druckgefäß 4, das dem Druck des Kühlgases (im allgemeinen Helium) widersteht, einen an seiner Oberseite als gasdurchlässige Trag-Kugelschicht ausgebildeten Tragboden 6, der den eigentlichen Reaktorkern δ trägt, welcher aus einer Anhäufung von Kugel-Brennstoffelementen besteht. Ein seitlicher Reflektor 10 und ein oberseitiger Reflektor 12 halten die Verluste an aus dem Kern nach den

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Seiten und nach, oben abstrahlenden Neutronen in zulässigen Grenzen.

Der seitliche Heflektor 10 besteht aus zwei aneinander anliegenden Schalen aus miteinander verbundenen Graphitblöcken, die durch Metallstützen 14 zusammengehalten werden, welche ihrerseits durch eine Umfangs-Spannkette 15 verbunden sind

Um die Erhitzung dieser Stützen zu begrenzen, ist ein Gasumlauf mit der Eintrittstemperatur in den Reaktor (beispielsweise 300⁰C) in vertikalen Leitungen 20 vorgesehen, welche in Längsrichtung im Inneren der Stützen 14 verlaufen.

Steuerstäbe 22 in geringer Anzahl sind in vertikalen Kanälen der inneren Graphitblockschale in der Nähe des Reaktorkerns vorgesehen; diese Steuerstäbe werden über Betätigungemechanismen 24 betätigt, welche in Ausnehmungen des Beton-Druckgefäßes angeordnet sind und durch dichtschließende Stopfen verschlossen sind.

Um den seitlichen Reflektor 10 herum sind mehrere Wärmetauscher 26 angeordnet, denen das erhitzte Kühlgas mit einer hohen Temperatur (beispielsweise 800⁰C) über horizontale Durchlässe 28 zuströmt, die im unteren Teil des seitlichen Reflektors 10 im Bereich der Tragkugelschicht vorgesehen sind.

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Nach Abkühlung in diesen Wärmetauschern strömt das Kühlgas unter der Wirkung von Gebläsen 31 wieder in den Einlaß-Sammelbehälter 32, der einerseits durch das Druckgefäß und andererseits durch den oberseitigen Reflektor 12 begrenzt ist. Der Kühlgasumlauf erfolgt längs der Pfeile f in Fig.i.

Der oberseitige Reflektor 12 besteht aus einer Reihe von dicht nebeneinander angeordneten Graphitblöcken, die über Zugstangen 30 am oberen Teil des Druckgefäßes aufgehängt sind. Diese Zugstangen 30 werden von dem relativ kalten Kühlgas umströmt (etwa 30O⁰C) und können infolgedessen aus Metall hergestellt sein. Das Kühlgas strömt aus dem Eintritt s-Sammelhehälter 32 durch innerhalb des oberen Reflektors 12 vorgesehene Durchlässe 34 in den Reaktorkern 8 hinein.

. Der Reaktorkern, der durch eine Anhäufung von Kugel-Brennstoffelementen gebildet ist, ruht auf der Tragkugelschicht dos Tragbodens 6, der das Gewicht des Reaktorkerns auf das Druckgefäß 4 überträgt; hierzu dient eine Tragkonstruktion, welche aus einer Sohlenplatte 36 besteht, die auch den seitlichen Reflektor trägt. Diese Sohlenplatte ist von der Tragkugelschicht des Tragbodens durch eine Flieüenechicht 37 getrennt, die weiter unten genauer beschrieben wird und eine thermische Isolierung bildet.

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0R5GINAI INSPECTED

Gemäß der Erfindung besteht der Tragboden 6 aus einer Aufschüttung von Eugeln aus hochtemperaturbeständigem Material, das vorzugsweise einen kleinen Neutroneneinfangquerschnitt hat. Dieseföigeln sind vorteilhaft aus einem Moderatormaterial, beispielsweise aus Graphit, um gleichzeitig den unterseitigen Reflektor zu bilden. Diese Tragschichtkugeln können aber auch einen Brutstoff enthalten, um so eine Strahlenschutzabdeckung zu bilden. Sie den Tragboden bildenden Eugeln sind zumindest im wesentlichen einander soweit gleich, daß die Aufschüttung eine genügende Porosität und infolgedessen einen großen Durchtrittsquerschnitt aufweist und keinen übermäßigen Druckverlust in der Kühlgasströmung zwischen dem Reaktorkern und den Durchlässen 28 im unteren Teil des seitlichen Reflektors ergibt.

Anstelle von Eugeln mit gleichem Durchmesser kann man auch in den einzelnen Bereichen innerhalb des Tragbodens Eugeln mit unterschiedlichen Durchmessern verwenden, um auf diese Weise eine gewisse Verteilung des Gasdurchsatzes zu erzielen, die besser den spezifischen Leistungen in den unterschiedlichen Zonen des Reaktorkerns entspricht.

Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Eugel-Brennstoffelemente und dem der Eugeln des Tragbodens soll größer als 1:7 sein, um ein Ineinanderschieben der Eugeln des Reaktorkerns und des Tragbodens unter der vereinigten Wirkung der Kühl-

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gasströmung und der Schwerkraft möglichst zu unterbinden. Im allgemeinen wird der Durchmesser der Kugel-Brennelemente gleich dem Durchmesser der Kugeln in dem der Tragbodenschicht sein, um zu einer möglichst einfachen Lösung zu kommen.

In den inneren Reaktor raum ragen durch die untere Sohlenplatte in einer regelmäßigen Anordnung vertikale Rohrkamine aus einem hochtemperaturbeständigen Material hinein, die zur stetigen Abfuhr der in dem Reaktorkern 8 bestrahlten Kugel-Brennstoffelemente bestimmt sind. Diese an der Sohlenkonstruktion befestigten Abzugskamine 38 bestimmen die kleinste Dicke der Tragkugelschicht 6 durch die Höhenlage ihrer oberen Öffnungen 40 und bestimmen gleichzeitig die mittlere Dicke dieser tragenden Kugelschicht durch ihre Verteilung bzw. ihrer gegenseitigen Abstände.

Die Beschickungsvorrichtung des Reaktors umfaßt einen Drehverteiler 42, der in einem durch den oberen Teil des Reaktordruckbehälters hindurchführenden Schacht angeordnet ist und an seinem unteren Ende Verteilerkanäle 44 zum Speisen von Schutt-Trichtern 46 aufweist, die in dem oberseitigen Reflektor 12 untergebracht sind.

Der periodische Austauscher der die Tragschicht 6 bildenden Kugeln erfolgt während der Stillstandszeiten des Reaktors über Ablaßrohre 48, deren Öffnungen in der Ebene der Fliesenschicht 37 liegen.

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- ίο -

Die Fliesenschicht 37 muß nicht eine oberseitige ebene und horizontale !Fläche aufweisen; sie kann in geeigneter Weise geneigt oder profiliert sein, um den Abfluß der Kugeln zu erleichtern. Man kann auch Abstreifer vorsehen, die fernbetätigt und durch Fernsehgeräte überwacht werden können.

Um ein übermäßiges Erhitzen der Sohlenplatte und dadurch der Ablaßrohre 48 sowie auch der zum Abziehen der gebrauchten Kugel-Brennstoffelemente dienenden Kamine 28 zu verhindern, ist eine größere Zahl von Durchtrittsöffnungen in den Bohren oder Kaminen vorgesehen, denen Kühlgas mit der niedrigen Temperatur zugeführt wird, mit der das Gas aus den Wärmetauschern austritt und mit einem Druck, der größer ist als der Kühlgasdruck, der am Boden der Tragkugelschicht 6 herrscht. Infolgedessen bildet sich eine der Hauptströmung des Kühlgases im Inneren des Reaktors entgegengesetzt gerichtete Kühlgasströmung längs der Pfeile f' aus, welche die Sohlenkonstruktion und die Rohre bzw. Kamine auf einer Temperatur hält, die für deren Material ungefährlich ist und die außerdem eine übermäßige Erwärmung der inneren Abdichtung 52 sowie des Betons des Reaktordruckgefäßes vermeidet. Zusätzliche Durchlaßöffnungen 54 sind zwischen den Fliesen aus hitzebeständigem Material vorgesehen, welche den Fliesboden 37 bilden; die hier hindurchströmenden Anteile des relativ kühlen Kühlgases vervollständigen die Kühlung der Sohlenkonstruktion 36.

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Da die Entnahme des Kühlgases mit niedriger Temperatur hinter den Kühlgebläsen erfolgt, d.h. an demjenigen Punkt des Kühlkreislaufs, an dem der Gasdruck seinen Höchstwert hat, erfolgt der Umlauf des abgezweigten Kühlgasanteils durch die Öffnungen 50 und 54 zurück in den Hauptkreislauf vollkommen selbsttätig.

Sie Pig. 1 zeigt schematisch die oberseitige Fläche 56 der den Iragboden bildenden Tragkugelschicht 6. Diese Fläche ist natürlich unregelmäßig, mit trichterförmigen Vertiefungen jeweils über den Kaminen 38 für das Abziehen der Kugel-Brennstoffelemente. Die oberseitige Begrenzungsfläche 58 der gesamten Kugelansammlung im Reaktorkern (Fig.1) hat auch eine unregelmäßige Form mit nach oben ragenden Kegeln, welche unter den Auslaßöffnungen der Schutt-Trichter 46 liegen.

Bei dem ersten Beladen oder Beschicken des Reaktors werden die zur Bildung des Tragbodens dienenden Kugeln zweckmäßigerweise in so großer Menge in den inneren Reaktorraum hineingegeben, daß ihre obere Schichtbegrenzung oberhalb der Einlaßöffnungen der Kamine 38 für dae Abziehen der Brennstoffkugeln liegt. Ein teilwolses Abziehen dieser Tragkugeln führt sofort zur Bildung der trichterförmigen Vertief langen, welche die Oberfläche der Tragkugelschicht begrenzen, wobei ein Anteil dieser Tragkugelschicht-Kugeln über die, Abziehkamine bei dem ersten Füllvorgang abgezogen wird. Ee könnte noch

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möglich sein, daß bei der soeben erläuterten Ausbildimg der Tragkugeischient einzelne Brennstoffelement-Kugeln am Umfang der Tragkugelschicht zwischen dieser und den Seitenwänden festgehalten werden, so daß diese Kugel-Brennstoffelemente beim späteren Abziehen nicht aus dem Reaktor heraus befördert werden.

Um ein solches Ansammeln von Kugel-Brennstoffelementen, die einer hohen Bestrahlungsdosis ausgesetzt waren, an der Trennfläche 56 zwischen Reaktorkern und Zugeltragschicht zu vermeiden, werden die Kamine 38 zweckmäßigerweise mit Bewegungsmechanismen versehen, welche es gestatten, diese Kamine von Zeit zu Zeit um einige cm abzusenken. Bei jedem solchen Absenken verringert man natürlich jeweils die Schichtstärke der Tragkugelschicht; da diese Schichtstärke jedoch von Anfang an reichlich gewählt worden ist und bei jeder Überholung des Reaktors wieder aufgefüllt werden kann, sind diese betrieblichen kleinen Absenkungen ohne nachteilige Wirkung.

Die neuen, über die Schutt-Trichter 46 eingefüllten Kugel-Brennstoffelemente gelangen allmählich entsprechend ihrer Ausnutzung und entsprechend dem Abziehen der sich im unteren Teil der Brennelementanhäufung befindenden Kugeln zum Boden des Reaktorkerns in den Einzugsbereich der Kamine Sie periodische Auswechselung - beispieleweise einmal im Jahr -

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der die Tragschicht "bildenden Kugeln erfolgt durch Entleeren der Kugeln durch die speziellen Abzugsrohre 48.

Um ein Maß für die Größenordnung der konstruktiven Abmessungen eines erfindungsgemäßen Kugelhaufenreaktors zu geben, seien nunmehr Werte für einen Reaktor mit 1400 Megawatt thermischer leistung genannt:

Kerndurchmesser (Innendurchmesser des seitlichen Reflektors) etwa 7,30 m;

Höhe des inneren Reaktorraumes etwa 6 m;

Kühlung durch Helium unter einem Brück von 40 bar bei einer Eintrittstemperatur von etwa 30O⁰C.

Die untere Tragkugelschicht kann dann eine kleinste Dicke (entsprechend der Anordnung der Kamine 38) in der Größenordnung von 1 m haben und sie kann aus Kugeln von 60 mm Durchmesser bestehen. Die seitlichen Durchlaßkanäle 28 im unteren Teil des seitlichen Reflektors müssen dann einen Durchmesser oder eine Öffnungsweite in der Größenordnung von 20 mm haben. Der Umlauf des Kühlgases und die Kühlung dieses Gases eifblgt zweckmäßigerweise mittels einer Anordnung, wie sie in der Patentanmeldung "Vorrichtung zum Abziehen der Wärme aus einem Kernreaktor",Aktenzeichen J 31 270 VIIIc/2ig vom 8.7.1966 der Anmelderin beschrieben ist.

Die vorausgegangene Beschreibung zeigt die Vorteile der Erfindung gegenüber den bisher bekannten Anordnungen. Insbe-

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sondere erkennt man, daß die Kugelschicht, die als Haupttragboden für das Unterstützen der aktiven Brennelementkugeln dient, ein mit geringen Kosten aufbaubares Element ist, in dem sich auch keine nennenswerten Wärmespannungen ausbilden können, das die Metallkonstruktion der Sohle schützt, auf der die Kugelschicht ruht, und auch die Unterseite des Reaktordruckgefäßes vor einer übermäßigen Erwärmung bewahrt, ohne daß ein großer Druckabfall auftritt, Anstelle einer unteren Tragsohle kann man an sich auch eine Platten oder Blockschicht mit geeigneten Kühlgasdurchlässen vorsehen. Außerdem kann die Kugeltragschicht auch als Abschirmschicht dienen, wenn es sich insbesondere um einen Reaktor mit schnellen Neutronen handelt.

Es dürfte klar sein, daß die Erfindung nicht auf das einzige Ausführungsbeispiel beschränkt ist, anhand dessen die Erfindung erläutert wurde? der Umfang der Erfindung erstreckt sich auch auf Varianten der beschriebenen Anordnungen, die dem Fachmann ohne eigenes erfinderisches Zutun zu Gebote stehen.

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Claims

- 15 Patentansprüche

1. Tragboden In einem Kugelhaufenreaktor, dessen aus einer Aufschüttung von Kugel-Brennstoffelementen gebildeter Reaktorkern durch ein im Kern abwärtsströmendes Kühlgas gekühlt ist, insbesondere für einen Reaktor mit eingebauten Wärmetauschern, gekennzeichnet durch eine die Aufschüttung der Kugel-Brennstoffelemente unmittelbar tragende Tragschicht (6) von Kugeln aus hochtemperaturfestern Material, gegebenenfalls aus Moderatormaterial, oder aus einem Material, das einen Brutstoff enthält, die von einem seitlichen Reflektor (10) umgeben ist, dessen unterer Teil mit Durchlässen (28) für die Strömung des Kühlgases zu den Wärmetauschern (26) versehen ist; eine Unterstützungskonstruktion (36), die das Gewicht der Kugel-Tragechicht (6) und der Kugel-Brennstoffelemente (8) auf das Reaktordruckgefäß (4) überträgt und eine Schicht (37) aus hochtemperaturfesten Fliesen, welche die Tragkonstruktion (36) und die Kugel-Tragechicht (6) voneinander trennt und mit Durchlaßöffnungen (54) für einen kleinen-Durchsatz von Kühlgas versehen ist, dessen Temperatur der Eintrittstemperatur des Kühlgases in den Reaktorkern entspricht und das aus der Tragkonstruktion in die Kugelansammlung hindurchtritt.

2. Tragboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Tragkugelschicht (6) bildenden Kugeln einen Durch-

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messer haben, der 1 bis 7 mal so groß ist wie der Durchmesser der Kugel-Brennstoffelemente.

3. Tragboden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fliesenschicht (37) und der unterseitigen Wand des Reaktordruckbehälters ein Verteilungszwischenraum vorgesehen ist, der mit von den Druckseiten der Kühlgas-Umlaufgebläse (31) herkommenden Kühlgas gespeist wird.

4. Tragboden nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zum Abziehen der Kugel-Brennstoffelemente bestimmte vertikale Kamine (38), die die Fliesenschicht (37) und die Kugeltragschicht (6) durchqueren, und durch zum Ablassen der Kugeltragschicht dienende Rohre (4B), deren Einlauföffnungen im Niveau der Oberfläche der Pliesenschicht liegen.

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