DE1910602A1 - Equipment for boiling point monitoring in nuclear reactors - Google Patents

Equipment for boiling point monitoring in nuclear reactors

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 2 & Ffß. 1969 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 2 & Ffß. 1969 Berlin and Munich Werner-von-Siemens-Str. 50

PLA 68/1638 Mü/HüPLA 68/1638 Mü / Hü

1910602 Einrichtung zur Siedepunktüberwachung in Kernreaktoren1910602 Equipment for boiling point monitoring in nuclear reactors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung des Siedebeginnes einer Flüssigkeit. Solche Einrichtungen sind insbesondere bei Jenen Flüssigkeiten notwendig, bei denen eine Siedepunktsverzögerung möglich ist und bei denen dann das plötzliche Einsetzen des Siedevorganges zu unangenehmen bzw. unzulässig hohen Druckstößen und damit im Gefolge evtl. zu mechanischen Beschädigungen führen könnte. Dies gilt insbesondere auch für die Kühlflüssigkeit von Kernreaktoren, die insbesondere aus einem Flüssigmetall, wie Natrium, bestehen kann. Mit solchen Einrichtungen soll dabei außerdem auch eine Beeinflussung der Beheizung der Kühlflüssigkeit also z.B. der Leistung des Reaktors möglich sein.The present invention relates to a device for determination the onset of boiling of a liquid. Such devices are particularly necessary for those liquids where a boiling point delay is possible and in which the sudden onset of the boiling process becomes uncomfortable or Inadmissibly high pressure surges and thus possibly lead to mechanical damage. This is especially true also for the cooling liquid of nuclear reactors, which can in particular consist of a liquid metal such as sodium. Such devices are also intended to influence the heating the cooling liquid, e.g. the performance of the reactor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäS dadurch gelöst, daß die Einrichtung aus einem wenigstens mit seiner großen Öffnung vorzugsweise senkrecht in die Flüssigkeit teilweise eingetauchten trichterförmigen Rohr und einem oberhalb der kleinen Öffnung des Rohres angeordneten Flüesigkeitsdetektor besteht, dessen Anzeigesignale für die Steuerung des Siedevorganges verwertbar sind. Das trichterförmige Rohr hat beispielsweise die Gestalt eines Exponentialtrichters.This object is achieved according to the invention in that the device from one partially immersed at least with its large opening, preferably vertically, in the liquid funnel-shaped tube and a liquid detector arranged above the small opening of the tube, whose Display signals for controlling the boiling process can be used. The funnel-shaped tube has the shape, for example an exponential funnel.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung läßt sich dabei kurz folgendermaßen beschreiben: Es ist eine bekannte Tatsache, daß beim Sieden einer Flüssigkeit Gasblasen auftreten und somit eine Volumenänderung derselben hervorrufen. In d«r Flüssigkeit entsteht dabei eine Strömung von unten nach oben. Wenn nun eine derartige Strömung durch einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnitt geleitet wird, so ergibt sich eine wesentliche Erhöhung ihrer Geschwindigkeit. Eine solche Querschnittsveränderung ist bei einem trichterförmigen Rohr gegeben, so daß The mode of operation of this device can be briefly described as follows describe: It is a well-known fact that gas bubbles occur when a liquid is boiled, and thus a Cause change in volume of the same. In the liquid arises a flow from the bottom up. If now such a flow through a tapering in the direction of flow Cross-section is passed, there is a significant increase in their speed. Such a change in cross section is given in a funnel-shaped tube, so that

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beim Eintauchen eines solchen in eine siedende Flüssigkeit diese aus dem engen Rohrteil in einem unterbrochenen Strahl heraustritt. Diese Erscheinung tritt bereits auf, wenn noch kein vollständiges Sieden der Flüssigkeit eingeritzt hat, wobei die eingesetzten Rohre mit ihren in die Flüssigkeit eingesetzten Partien bereits als Siedekeine fungieren, an denen die erste Gasblasenbildung auftritt. Es ist dabei leicht einzusehen, daß die beste Wirkung einer derartigen Einrichtung dann eintritt, wenn das trichterförmige Rohr etwa bis zur engsten Stelle seines Querschnittes in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Der aus dem Rohr nach oben austretende Flüssigkeitsstrahl trifft dann auf oberhalb derselben angeordnete Flüssigkeitsdetektoren, die z.B. auf elektrischer Basis arbeiten können und das gewünschte Erkennungssignal für den Siedebeginn geben.when immersing such in a boiling liquid this emerges from the narrow pipe part in an interrupted beam. This phenomenon occurs when the liquid has not yet boiled completely, with the pipes inserted with their parts inserted into the liquid already act as boiling points at which the first gas bubble formation occurs. It is easy to see that the best effect of such a device occurs when the funnel-shaped tube is immersed in the liquid approximately up to the narrowest point of its cross-section. The one from the The liquid jet emerging from the pipe upwards then encounters liquid detectors arranged above the same, which e.g. can work on an electrical basis and give the desired detection signal for the start of boiling.

Zur näheren Veranschaulichtung des Prinzips dieeer Erfindung sei auf die Fig. 1 bis 4 verwiesen, in denen rein schematisch das Zusammenwirken von verschiedenen Arten von Flüssigkeitsdetektoren mit einem trichterförmigen Rohr dargestellt ist. Fig. 5 zeigt die Anordnung einer derartigen Einrichtung zur Überwachung des Siedebeginnes in einem Kernreaktor anhand eines senkrechten Schnittes durch den Druckbehälter eines solchen.To illustrate the principle in more detail, let this invention be referred to FIGS. 1 to 4, in which purely schematically the interaction of different types of liquid detectors is shown with a funnel-shaped tube. Fig. 5 shows the arrangement of such a device for monitoring the onset of boiling in a nuclear reactor based on a vertical section through the pressure vessel of such a reactor.

Nach Fig. 1 bis 4- befindet sich die siedende Flüssigkeit 1 in einem Behälter, in den ein trichterförmiges Rohr 2 bzw. 21 eintaucht. Der mit dem unteren Rand a des Trichters erfaßte siedende Querschnitt der Flüssigkeit wird von einer gewissen Menge Dampfblasen durchströmt. Diese werden im Trichter 2 zusammengeführt und strömen durch das enge Rohr desselben nach oben. Die Verengung der Dampfblasenströmung auf den Querschnitt b bewirkt dabei eine erhebliche Erhöhung der Geschwindigkeit, so -■ daß die Flüssigkeit aus der Öffnung c des trichterförmigen Rohres 2 heraussprudelt. Im Bereich dieser heraussprudelnden Strömung befindet sich ein Flussigkeitsdetektor 3. Dieser besteht nach Fig. 1 aus zwei Elektroden 31» die an eine Stromquelle 5 unter Zwischenschaltung eines Relais 32 angeschlossen sind. Der Stromkreis für das Relais wir^ durch die erste BenetzungAccording to Fig. 1 to 4-, the boiling liquid is 1 in a container into which a funnel-shaped tube 2 or 21 is immersed. The boiling point caught by the lower edge a of the funnel A certain amount of vapor bubbles flows through the cross-section of the liquid. These are brought together in funnel 2 and flow up through its narrow tube. The narrowing of the vapor bubble flow to the cross section b causes a considerable increase in speed, so that the liquid flows out of the opening c of the funnel-shaped tube 2 gushes out. A liquid detector 3 is located in the area of this gushing flow. This exists According to FIG. 1, two electrodes 31 are connected to a current source 5 with the interposition of a relay 32 are connected. The circuit for the relay is made through the first wetting

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der aus der öffnungc auetretenden Flüssigkeit 1 bewirkt, so daß damit das Relais J2 anzieht und über seine nicht dargestellten Kontakte die Anzeige des Siedebeginnes bewirkt.of the liquid 1 emerging from the opening c, so that so that the relay J2 picks up and its not shown Contacts display the start of boiling.

In Pig* 2 let das trichterförmige Rohr 21 nach Art eines Exponentialtrichters aufgebaut, dessen unterer Rand etwas glockenförmig umgebogen ist. Durch den hier erreichten stetigen Übergang zwischen dem iylindriechen Stück des Trichters und dem konischen ergeben eich ungestörte Strömungsverhältnisse, so daß mit einer größeren Auetrittegeschwindigkeit und damit einem höheren Ausstoß der Flüssigkeit aus der öffnung c gerechnet werden kann. % Dementsprechend kann auch der Plüsaigkeitsdetektor 4 in einer größeren Entfernung von dieser öffnung c angesetzt werden. Er besteht in diesem Beispiel aus einem Widerstandsthermometer,das aus einer Heizpatrone 41 und den darum herumgewickelten Widerstandedraht 42 aufgebaut ist. Der Widerstand dieses Drahtes ist Teil einer Brückenschaltung, d"1■ e aus den weiteren Widerständen 431 44 und 45 besteht und die aus einer Gleich- oder Wechselatromquelle 5 gespeist wird. In der Diagonale liegt in üblicher Weise das Anzeigerelais 46, das aber auch z.B. eine Verstärkereinrichtung sein könnte. Das Widerstandsthermometer selbst befindet sich normalerweise auf einer hohen Temperatur, die durch das eingesetzte Heizelement 41 konstant gehalten wird. Trifft nun ein Flüssigkeitsstrahl auf die Wideretandswicklung 4Γ, so kühlt " sich diese ab, der Widerstand wird geringer und die genannte Hrükkenschaltung befindet sich nicht mehr im Gleichgewicht. Ein <iuerstrom fließt über das Relais 46 und bringt dieses zum Ansprechen.In Pig * 2 let the funnel-shaped tube 21 is constructed in the manner of an exponential funnel, the lower edge of which is bent over somewhat like a bell. The constant transition achieved here between the cylindrical piece of the funnel and the conical one results in undisturbed flow conditions, so that a higher exit speed and thus a higher discharge of the liquid from the opening c can be expected. % Accordingly, the Plüsaigkeitsdetektor 4 can be set at a greater distance from this opening c. In this example it consists of a resistance thermometer which is made up of a heating cartridge 41 and the resistance wire 42 wound around it. The resistance of this wire part of a bridge circuit, d "1 ■ e from the other resistors 431 44 and 45 is and which is supplied from a DC or Wechselatromquelle. 5 In the diagonal is located in the usual way, the indicator relay 46, but also, for example The resistance thermometer itself is normally at a high temperature, which is kept constant by the inserted heating element 41. If a jet of liquid hits the resistor winding 4Γ, it cools down, the resistance is lower and the mentioned handshake circuit is no longer in equilibrium. A control current flows through the relay 46 and makes it respond.

Eine rein mechanische Anzeige des Sieiebeginns ist in Fig. 1 dargestellt. Hier ist das Gefäß mit der siedenden Flüssigkeit allseits geschlossen, oberhalb de;~ ?lüssigkeitBspiegels befindet sich ein Schutzgas, das ständig iurcr _.: e lumpe t? über die Leitungen 62 und 64 umgepumpt wird. 1;· Zintrittsdü^e fei i'ur das Schutzgas befindet sich cV^rhalb der öffnung - des trichter^"rn.igen Rohres Z". Trifft nun au i~ese . ^ur<? >-' ein aus d<--~ Trichter 21 austretender Flüssifke; icf" " ?' ■··■: rd J-3r AustrittA purely mechanical indication of Sieiebeginns is shown in FIG. 1. Here the vessel with the boiling liquid is closed on all sides; is circulated via the lines 62 and 64. 1; · Zintrittsdü ^ e for the shielding gas is cV ^ outside the opening - the funnel ^ "annular tube Z". Now hits me. ^ ur <? > - ' a liquid emerging from d <- ~ funnel 21; icf ""? ' ■ ·· ■: around Y- 3 r exit

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des Gases in den Raum 6 oberhalb der Flüssigkeit 1 gehemmt und ein Druckanstieg in dee Rohr 64 stattfinden, der in dem über die Leitung 65 angeschlossenen Manometer 66 zur Anzeige gebracht wird. Die Anzeige dieses Manometers kann dann z.B. in an sich bekannter Weise in elektrische Werte umgesetzt werden, die dann wiederum in an sich überlicher Weise einem Reglersystem zur , Heizung der Flüssigkeit 1, die nicht dargestellt ist, zugeführt wird.of the gas in the space 6 above the liquid 1 and inhibited a pressure increase take place in the pipe 64, which is brought to the display in the pressure gauge 66 connected via the line 65 will. The display of this manometer can then e.g. Way are converted into electrical values, which in turn are in a superordinate way a control system for, Heating of the liquid 1, which is not shown, is supplied.

Eine weitere Ausführungemöglichkeit eines Flüssigkeitsdetektors zeigt Fig. 4. Voraussetzung ist hier, daß die Flüssigkeit elektrisch leitend ist, also z.B. aus einem flüssigen Metall besteht. Mit dem Trichter sind die Widerstandsdrähte oder -stäbe 91 und 92 verbunden, wobei letzterer innerhalb des Trichters mit Abstand von der Wandung desselben geführt ist. Die Enden dieser-Widerstände, deren Größe in Abhängigkeit der Höhe des Flues*«.-. keitsspiegels innerhalb und außerhalb des Trichters 21 veränderlich ist, sind mit den Festwiderständen 93 und 94 in einer Brükkenschaltung verbunden. Diese ist an eine Spannungsquelle 5 angeschlossen, in der Brückendiagonale ist z.B. ein Relais 95 angeordnet, das bereits bei geringen Flüseigkeitshöhenunterschieden anspricht. Bei einem Steigen oder Sinken des Flüssigkeitsstandes vor dem Erreichen der Siedetemperatur spricht dagegen dieses Relais 95 nicht an, da beide Widerstände 91 und 92 proportional geändert werden und somit das Brückengleichgewicht nicht stören. Umgekehrt ist für die Siedeanzeige noch kein Heraussprudeln der elektrisch leitenden Flüssigkeit notwendig, so daß ein sehr rasches Ansprechen dieses Detektors erfolgt, was aus . Sicherheitsgründen - es bleibt mehr Zeit zur Einleitung von entsprechenden Steuervorgängen - von großem Vorteil ist. Da nach diesem Beispiel bereits kleine Unterschiede der Flüssigkeitsstandhöhe innerhalb und außerhalb des Trichters festgestellt werden können, sind auch Unterschiede der Geschwindigkeiten der aus den Kühlkanälen des Reaktorkernes austretenden Flüssigkeitsströme bei entsprechender Anordnung der Trichter feststellbar, so daß daraus ^v.B. auf die Lage von die Strömung beeinflussenden Defekten geschlossen werden kann. Another possible embodiment of a liquid detector is shown in FIG. 4. The prerequisite here is that the liquid is electrically is conductive, e.g. consists of a liquid metal. With the funnel are the resistance wires or bars 91 and 92 connected, the latter being guided within the funnel at a distance from the wall thereof. The ends of these resistors their size depending on the height of the river * «.-. keitsspiegel is variable inside and outside of the funnel 21, are with the fixed resistors 93 and 94 in a bridge circuit tied together. This is connected to a voltage source 5, A relay 95, for example, is arranged in the diagonal of the bridge, which can be used even in the event of slight differences in the liquid level appeals to. If the liquid level rises or falls before the boiling temperature is reached, this speaks against it this relay 95 is not on, since both resistors 91 and 92 are changed proportionally and thus the bridge equilibrium do not bother. Conversely, no gushing out of the electrically conductive liquid is necessary for the boiling indicator, so that a very rapid response of this detector ensues from what. Security reasons - there is more time to initiate corresponding control operations - is of great advantage. Since, according to this example, there are already small differences in the liquid level Inside and outside of the funnel can also be seen differences in the speeds of the Liquid flows emerging from the cooling ducts of the reactor core can be determined if the funnels are arranged accordingly, so that from it ^ v.B. conclusions can be drawn about the location of defects affecting the flow.

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In Pig. 5 ist am Beispiel eines flüssigmetallgekühlten Kernreaktors eine mögliche Anwendung der Einrichtung gem. Fig. 1 bis 4 in dor Praxis dargestellt. Im Druckgefäß 8 des Kornreaktors, das mit einem Deckel verschlossen ist, befindet sich der eigentliche Reaktorkern 82 mit den Brenn.ltof'fkanälen 11. Mit Hilfe eines Leitbleches 81 wird die Flüssigkeitsströmung so geführt, daß 3ie an der Kesselwandung nach unten otrömt, über die Brennkanäle 11 nach oben den Reaktorkern 82 durchsetzt und oberhalb des Reaktorkernes den Druckbehälter 8 durch den Rohrstutzen 84 verläßt. Oberhalb der Brennetoffkanale 11 sind die trichterförmigen Rohre 2 so angeordnet, daß sie etwa bis zu ihrer engsten Stelle b in den Flüssigkeitsspiegel in der dargestellten Weise eintauschen. Oberhalb dieser Trichter sind die Flüssigkeitdetektoren 7 angebracht, z.B. mit Hilfe einer in den Druckbehälter eingesetzten Querwand 72. Über Leitungen 71 sind diese Detektoren mit dem Anzeigegerät 73 verbunden, das seinerseits wieder in nicht dargestellter Weise einen Teil des Regelsystems dieses Kernreaktors bildet. Es ist dabei möglich, diese trichterförmigen Einrichtungen lediglich über jenen Brennstoffkanalen ι1 anzuordnen, in denen am ehesten das Sieden der Kühlflüssigkeit erwartet werden kann. Je nach Art der Flüssigkeitsdetektoren können diese parallel an eine einzige nach außen führende Leitung 71 angeschlossen sein oder auch mit jeweils ainer eigenen Leitung nach außen führen. Ein derartiger Parallelanschluß ist vor allen Dingen möglich, wenn die Anzeige nach dem Staudruckprinzip (entspricht Fig. 3) oder nach dem Elektrodenprinzip gemäß Fig. 1 erfolgt. Für die Anwendung des Detektors gemäß Fig. 4 wäre nur die Anbringung der Widerstände 91 und 92 in sinngemäßer Weise vorzunehmen.In Pig. 5 is based on the example of a liquid metal-cooled nuclear reactor one possible application of the device according to FIGS. 1 to 4 shown in practice. In the pressure vessel 8 of the grain reactor, the is closed with a cover, is the actual reactor core 82 with the Brenn.ltof'fkanäle 11. With the help of a The flow of liquid is guided by baffle 81 in such a way that it flows downward on the boiler wall, via the combustion channels 11 passes through the reactor core 82 upwards and leaves the pressure vessel 8 through the pipe socket 84 above the reactor core. Above the fuel channels 11 are the funnel-shaped tubes 2 arranged so that they exchange approximately up to their narrowest point b in the liquid level in the manner shown. The liquid detectors 7 are attached above these funnels, e.g. with the aid of one inserted into the pressure vessel Transverse wall 72. These detectors are connected via lines 71 to the display device 73, which in turn is shown in FIG Way forms part of the control system of this nuclear reactor. It is possible to use these funnel-shaped devices only to be arranged over those fuel channels ι1 in which the most likely that the coolant will boil. Depending on the type of liquid detector, these can be sent in parallel a single line 71 leading to the outside may be connected or each lead to the outside with a separate line. Such a parallel connection is possible above all if the display is based on the dynamic pressure principle (corresponds to Fig. 3) or according to the electrode principle according to FIG. 1. For the application of the detector according to FIG. 4, only the attachment would be required Make resistors 91 and 92 in an analogous manner.

Hinsichtlich der Form der trichterförmigen Rohre 2 sowie der Flüssigkeitsdetektoren sind selbstverständlich auch andere Ausführungsmöglichkeiten denkbar. Sie gehorchen jedoch alle dem eingangs dargestellten Prinzip der Verstärkung der aufsteigenden Strömung. Derartige Einrichtungen zur Ermittlung der Siedetemperatur können selbstverständlich auch bei anderen siedenden Medien, wie z.B. auch bei Wasser, Verwendung finden. Ihr Einsatz ist außerdem nicht auf die Kernreaktor te chnlk selbe*" ■-With regard to the shape of the funnel-shaped tubes 2 and the liquid detectors, other possible designs are of course also possible conceivable. However, they all obey the principle of amplification of the ascending, presented at the beginning Flow. Such devices for determining the boiling temperature can of course also be used with other boiling points Media, such as e.g. also with water, are used. Their use is also not the same on the nuclear reactor te chnlk * "■ -

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schränkt. Di-^ Anordnung dieser Einrichtung ist weiterhin nicht nur im Inneren von Druckkesseln möglich, sie kann auch z.B. in Rohrleitungen erfolgen.restricts. The arrangement of this device is still not only possible inside pressure vessels, it can also take place, for example, in pipelines.

5 Figuren5 figures

8 Patentansprüche *8 claims *

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Claims (8)

19106C219106C2 PLA 68/1658PLA 68/1658 -T-Patentansprüche -T- claims Einrichtung zur Ermittlung des Siedebeginne8 einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch wenigstens ein mit seiner großen Öffnung vorzugsweise senkrecht in die Flüssigkeit teilweise eingetauchtes trichterförmiges Rohr und einen oberhalb der kleinen öffnung des Rohres angeordneten Flüssigkeitsdetektor, dessen Anseigeeignale fUr die Steuerung des Siedevorganges verwertbar sind.Device for determining the initial boiling point8 of a liquid, characterized by at least one funnel-shaped tube, with its large opening, preferably partially immersed vertically in the liquid, and one above the small one opening of the pipe arranged liquid detector, whose Appropriations can be used to control the boiling process are. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das trichterförmige Rohr die Gestalt eines Exponentialtrichters hat c2. Device according to claim 1, characterized in that the funnel-shaped tube has the shape of an exponential funnel c 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitedetektor aus zwei voneinander isolierten Elektroden besteht, die z.B. über ein Relais an eine Stromquelle angeschlossen sind.3. Device according to claim 1, characterized in that the Liquid detector made up of two electrodes that are isolated from one another that are connected to a power source via a relay, for example. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdetektor als elektrisch beheizter Fühler eines Widerstandethermometers ausgebildet ist.4. Device according to claim 1, characterized in that the Liquid detector as an electrically heated sensor Resistance thermometer is designed. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der FlUssigkeitsdetektor aus einem gegenüber der kleinen Öffnung des Rohres koaxial angeordneten, Schutzgas zuführenden Röhrchen besteht, das mit einem Staudruckmesser verbunden ist.5. Device according to claim 1, characterized in that the Liquid detector from one opposite the small opening the tube is coaxially arranged, protective gas supplying tube, which is connected to a dynamic pressure meter. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus zwei Widerstandsdrähten (-stäben), je einer innerhalb und außerhalb dee Trichters sowie einer zugehörigen Brückenschaltung zur Erfassung des Widerstandsdifferenzen besteht.6. Device according to claim 1, characterized in that the Detector made up of two resistance wires (rods), one inside and one outside the funnel and one associated with it Bridge circuit for recording the resistance differences consists. 7. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 für die Überwachung des Siedebeginnee von flüssigen Metallen in durch7. Use of a device according to claim 1 to 6 for monitoring the boiling start of liquid metals in through 009837/1OBl 009837/1 OBl ORlGfNAL ORlGf NAL PLA 68/1638 -β- PLA 68/1638 -β- solche gekühlten Kernreaktoren,such cooled nuclear reactors, 8. Anordnung einer Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6 entsprechend Aiarruch 7 jeweils über wenigstens einem Teil der kühlkanale bzw. Brennelemente eines Kernreaktors.8. Arrangement of a device according to claims 1 to 6 accordingly Aiarruch 7 each over at least part of the cooling channels or fuel elements of a nuclear reactor. 0 0 9 8 3 7/ IU b 0 0 9 8 3 7 / IU b
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