DE2430724A1 - Kernreaktoranlage - Google Patents

Kernreaktoranlage

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DE2430724A1
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

•2A30724
KRAF-I1WERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den
Werner-von-Siemens-Str.
VPA 74/9422 Sm/Hgr
Kernreaktoranlage
Die Erfindung betrifft eine Kernreaktoranlage mit einer Sicherheitshülle und einer aus dieser ins Freie führenden Frischdampfleitung, die ein Schnellschlußventil mit einem dem Querschnitt der Frischdampfleitung entsprechenden Durchlaßquerschnitt und mit einem Ventilteller aufweist, der auf Grund eines Lecks in der Frischdampfleitung druckmittelbetätigt geschlossen wird.
Das Schnellschlußventil gestattet ein schnelles Schließen der Frischdampfleitung, insbesondere dann, wenn auf Grund eines Lecks die Gefahr besteht, daß Dampf ins Freie gelangen kann, der infolge einer Störung möglicherweise radioaktiv verseucht ist. Das Schließen bedeutet aber notwendigerweise auch, daß die Kühlung der Kernreaktoranlage, nämlich der Energietransport in Form des Dampfstromes, unterbrochen wird. Daraus ergeben sich Probleme, weil es auch bei einer Schnellabschaltung des Kernreaktors nicht immer möglich ist, die Energieerzeugung schnell genug abzusenken, damit vor allem der Druck bei der Dampferzeugung in zulässigen Grenzen bleibt. Für diese Probleme sucht die Erfindung eine Lösung in Form einer Ventilkombination, die als Absperrventil und Sicherheitsventil zugleich dienen soll.
Erfindungsgemäß ist dem Ventilteller ein druckabhängig wirkender Öffnungsmechanismus zugeordnet, der bei einem höheren Druck als dem Betriebsdruck der Frischdampfleitung öffnet, jedoch höchstens den halben Durchlaßquerschnitt freigibt. Damit'ist eine Druckbegrenzung möglich, die eine Überlastung der Frischdampfleitung und der diese speisenden Dampferzeugungsanlage verhindert. Dabei wird - und das ist für die Er-
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findung wesentlich - unterschieden zwischen dem Normalbetrieb des Ventils, wenn der dem vollen Leitungsquerschnitt entsprechende Durchlaßquerschnitt des Ventils freigegeben wird, damit praktisch kein Druckabfall im Ventil vorhanden ist, und dem Störfall, bei dem das Ventil als Sicherheitsventil wirkt. Im letzten Fall wird durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Öffnungsquerschnittes vermieden» daß der bei einem Bruch der Frischdampfleitung ungehindert austretende Dampf zu große Ausströmraten ergibt und damit das Dampferζeugungssystem unzulässig belastet oder durch zu schnelle Abkühlung den Kernreaktor beschädigt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Öffnungsmechanisinus eine Sperre, die mindestens kurzfristig ein Öffnen von mehr als 30$ des Durchlaßquerschnittes verhindert. Diese Sperre kann als zusätzliches Element zu einem Ventil vorgesehen werden, das im Normalfall vollständig geöffnet werden kann. Nach einer Schließung im Sinne eines Schnellsohlufiventils wird dagegen die Sperre wirksam und begrenzt das öffnen.
Die Begrenzung auf 30% des Durchlaßquerschnittes braucht nicht für alle Betriebsfälle starr eingehalten zu werden. Vielmehr kann die Sperre auch vorteilhaft einen verstellbaren Schlitten umfassen, an dem der Ventilteller beim öffnen anstößt. Mit Schlitten ist hierbei eine an sich beliebige Einrichtung gemeint, die in Richtung des Öffnungshubes des Ventiltellers verstellbar ist und den Weg des Ventiltellers begrenzt. Allerdings muß der Schlitten nicht unmittelbar am Ventilteller angreifen. Es ist auch denkbar, daß die Sperre dem Antrieb des Ventiltellers, zum Beispiel einem Schaft, zugeordnet ist, der zu einem Kolben des Antriebsmechanismus führt» Ein solcher Schlitten kann mit einem Gewinde, insbesondere einer Spindel, motorisch verstellbar sein. Es ist aber auch denkbar, daß die Schlittenbewegung oder eine andere Begrenzung des Öffnungshubes des Ventiltellers unter der Einwirkung eines Druckmittels erfolgt.
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Neben der vorgenannten Ausbildung der Sperre als Schlitten, die eine stufenlose Verstellung des Öffnungshubes ermöglicht, kann eine Vereinfachung des Ventils dadurch erhalten werden, daß der Druckmittelbetätigung und/oder dem Öffnungsmechanismus druck- oder zeitabhängig zwei Öffnungsstellungen mit einem kleinerem Querschnitt als dem Durchlaßquerschnitt zugeordnet sind. Hier sind also zwei zwar voneinander unterschiedliche, für sich jedoch feste Öffnungsstellungen des Ventiltellers für das Wiederöffnen des Ventils nach einem Schnellschluß vorgesehen. Die Wahl des dabei vorliegenden Öffnungsquerschnittes richtet sich zweckmäßig nach der vorangegangenen Leistungserzeugung, um eine der Belastung angepaßte Leistungsabfuhr durch das als Sicherheitsventil wirkende Schnellschlußventil zu ermöglichen.
Dem Ventilteller kann ferner eine Begrenzung der Schließbewegung zugeordnet sein, die beim Schließvorgang einen restlichen Burchlaßquerscnnitt des Ventils zwischen 5 und 20% ergibt. "Hiermit" wird auch für den Störfall und das durch diesen ausgelöste Schließen des Schnellschlußventils erreicht, daß ohne Unterbrechung die Abfuhr von Frischdampf und damit eine weitere Kühlung des Kernreaktors möglich ist. Da das Ventil nicht vollständig geschlossen wurde, ist die Beanspruchung von Ventilteller und Ventilsitz erheblich verringert, weil das stoßartige Aufsetzen des Ventiltellers beim Schnellschluß unterbleibt, mindestens aber nicht mehr so häufig vorkommt. Auch die Begrenzung der Schließbewegung, die den kleinsten bei Schnellschluß sofort erreichbaren Querschnitt bestimmt, kann verstellbar sein. Vorteilhaft wird die Begrenzung der Schließbewegung im Zeitraum von 10 bis 60 Sekunden auf Null verringert, d.h. daß die Dampfabfuhr für den genannten Zeitraum immer mehr gedrosselt wird, bis schließlich die vollständige Absperrung gegeben ist.
Für alle Ausführungsformen der Erfindung ist es günstig, wenn
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der Ventilteller mit seinem Ventilsitz in der Nähe der Schließstellung die Form einer ringförmigen Venturidüse bildet. Dadurch kann man im Bereich der Düse, also am Ventilteller, Schallgeschwindigkeit erreichen, so daß eine gleichmäßige Begrenzung der Ausströmrate in einem weiteren Druckbereich erhalten wird. Diesen Zweck erreicht man in einfacher Weise dadurch, daß der Ventilteller am Rand konisch mit einem kleineren Winkel als der ebenfalls konische Ventilsitz ausgebildet ist.
Air näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
In Fig. 1 ist schematisiert ein Teil einer Kernreaktoranlage mit einem Druckwasserleistungsreaktor von zum Beispiel 1000 MWe gezeichnet. In der Figur sieht man von dieser Anlage einen Dampferzeuger 1, der eine Frischdampfleitung 2 speist. Der Dampferzeuger ist in einer Sicherheitshülle 3 angeordnet, die alle Komponenten des Primärkreises umschließt. Zu diesem zählen außer dem angedeuteten Dampferzeuger 1 ein Reaktordruckbehälter mit dem Reaktorkern und drei weitere Dampferzeuger, die in gleicher Weise wie der Dampferzeuger an dem Reaktordruckbehälter angeschlossen sind.
Die Frischdampfleitung 2 ist mit einer Durchführung 4 durch die Sicherheitshülle 3 geführt. Eine ähnliche Durchführung kann im Bereich der nicht weiter dargestellten Sekundärabschirmung vorgesehen sein. Außerhalb der Sicherheitshülle sitzt ein Absperrventil 6, von dem die Frischdampfleitung 2 mit ihrem äußeren Leitungsteil 7 zu einer nicht weiter gezeichneten Dampfturbine führt.
Im Inneren der Sicherheitshülle sitzt im Zuge der Frischdampfleitung 2 ein Schnellschlußventil 8 nach der Erfindung. Sein Antriebsmechanismus ist als Ganzes mit 9 bezeichnet. Das neue Ventil 8, das als Eckventil geformt ist, kann auch als
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Sicherheitsventil wirksam werden, wie durch die Feder 10 angedeutet ist.
Ein Abzweig 12 der Leitung 2 vor dem Schnellschlußventil 8 führt zu einem inneren Sicherheitsventil 13. Das Sicherheitsventil 13 kann vorteilhaft einen um einige bar höheren Ansprechdruck als das Ventil 8 aufweisen. Seine Ausblasleitung 14 kann auch in einen Abblasetank führen.
Außerhalb der Sicherheitshülle 3 ist vor dem Absperrventil 6 eine Leitung 16 an die Frischdampfleitung 2 angeschlossen, die einmal über ein Sicherheitsventil 17 zu einem Auslaß führt. Der Auslaß 18 kann mit einem Schalldämpfer versehen sein. Parallel zum Sicherheitsventil 17 sind zwei in Reihe liegende, unter Umständen gleiche sogenannte Abblasregelventile 20 angeordnet, die ein gesteuertes Ausblasen von Frischdampf, zum Beispiel zum Abfahren des Kernreaktors im Störungsfall, ermöglichen.
Das Schnellschlußventil 8 ist in Fig. 2 in einem Querschnitt dargestellt. Sein Ventilteller 22 ist dem Querschnitt der Frischdampfleitung 2 angepaßt. Zum Beispiel ist bei einem Durchmesser der Leitung 2 von 700 mm der Durchmesser des Ventiltellers 22 ebenso groß. Der Ventilteller 22 kann an seinem äußeren Rand bei 23 gepanzert sein, damit eine besonders große Festigkeit erreicht wird. Das gleiche gilt für den Ventilsitz 24. Dabei sind die Neigungen des konisch ausgeführten Ventiltellerrandes 23 und des Ventilsitzes 24 mit zum Beispiel 60 und 90° so gewählt, daß sich bei einem Öffnungsquerschnitt, der etwa 15% des Leitungsquerschnittes ausmacht, eine sich erweiternde Venturi-Düse im Bereich 25 ergibt.
Der Ventilteller 22 ist mit einem Schaft 32 versehen, der mit Hilfe von Dichtungsringen 33 durch den Deckel 34 des Ventils 8 geführt ist. Der Schaft 32 führt zu dem Druck-
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mittelantrieb 9. Dieser umfaßt einen Kolben 35 und einen Zylinder 37, der zum Beispiel mit Drucköl als Druckmittel betätigt werden kann.
Am Schaft 32 ist ein Nocken 40 vorgesehen, dem zwei Anschläge zugeordnet sind. Der eine Anschlag 41 ist für die Öffnungsrichtung vorgesehen. Er umfaßt eine Klinke 42, die an einem Schlitten 43 festgemacht ist, der mit Hilfe einer Spindel 44 verstellbar ist. Die Spindel 44 kann zum Beispiel von einem Motor 45 so gedreht werden, daß der Anschlag 41 im Bereich zwischen 15 und 3096 des größten Durchlaßquerschnittes des Ventils verstellbar ist.
Ein weiterer Anschlag 47, der in Schließrichtung des Ventiltellers 22 wirkt, ist ebenfalls mit dem Schlitten 43 verstellbar. Er begrenzt die Schließbewegung auf einen Öffnungsquerschnitt zwischen 0 und 15%. Mithin sind öffnungs- und Schließbegrenzer 41, 47 voneinander abhängig. Durch Lösen der Klinke 42 wird jedoch unabhängig von der Stellung des Schlittens 43 eine vollständige öffnung für den Normalbetrieb ermöglicht, bei dem der freie Ventilquerschnitt ebenso groß wie der Durchlaßquerschnitt der Frischdampfleitung 2 ist.
Im Normalbetrieb ist das Schnellschlußventil 8 geöffnet, sein Durchlaßquerschnitt stimmt mit dem Leitungsquerschnitt überein, so daß die Frischdampfströmung praktisch nicht behindert ist. Sollte sich ein Bruch in der Frischdampfleitung 2 ergeben oder ein anderer Fehler eintreten, der ein Leck in der Frischdampfleitung 2 darstellt, so wird das Schnellschlußventil 8 auf Grund einer Anregung, die von nicht dargestellten Sonden beim Auftreten eines Lecks ausgeht, druckmittelbetätigt geschlossen. Zu diesem Zweck wird der Zylinder 37 von einer redundant ausgeführten Druckmittelquelle, zum Beispiel einem Druckölspeicher 50, über ein Ventil 51 gesteuert beaufschlagt. Die Schließzeit ist so kurz wie möglich, sie beträgt zum Beispiel 2 see.
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Wenn das Schließen des Schnellschlußventils 8, dem ein gleichzeitiges Schließen entsprechender Ventile an den übrigen Dampferzeugern der Anlage entspricht, zu einer Drucksteigerung führt, weil etwa die Schnellabschaltung des Reaktors nicht schnell genug gelingt, so wird bei einem Druck von beispielsweise dem 1,2-fachen Nenndruck der Anlage der Ventilteller 22 angehoben, weil die in Schließrichtung wirkende Gegenkraft überwunden wird. Die Schließkraft kann dabei von dem Druck auf den Kolben 36 herrühren, die in geeigneter Weise gesteuert wird. Es sind aber auch andere Kräfte als Haltekräfte in der Schließstellung denkbar, zum Beispiel eine federnde Abstützung, die eine definierte Schließkraft ergibt.
Bei einer vom Dampfdruck in der Leitung 2 ausgelösten Öffnungsbewegung ist der Öffnungsweg des Ventiltellers 22 durch die Klinke 42 und den Schlitten 43 begrenzt. Der begrenzte Öffnungsweg sorgt dafür, daß höchstens der halbe Durchlaßquerschnitt des Ventils freigegeben wird. Vorzugsweise ist der Öffnungsweg des Ventiltellers 22 so klein, daß 30% oder weniger für das Abblasen des Überdruckes in der Leitung 2 zur Verfügung stehen. Damit wird vermieden, daß die Ausströmrate zu Störungen im Dampferzeuger 1, insbesondere zu Brüchen des Wärmetauscherrohrbündels führt, das die Trennwand zwischen dem Primär- und dem Sekundärkreis der Druckwasserreaktoranlage darstellt.
Bei der vorstehenden Schilderung der Wirkungsweise wurde zum besseren Verständnis zunächst vereinfachend angenommen, daß das Schnellschlußventil 8 bei einem Schließkommande die Frischdampfleitung 2 vollständig sperrt. Mit dem Schließbegrenzer mit dem Anschlag 47 kann man jedoch dafür sorgen, daß das SchnellSchlußventil 8 bei einem nicht zum Normalbetrieb gehörenden Schnellschluß während einer betriebsmäßigen Frischdampferzeugung von mehr als etwa 30% der Nennleistung für eine kurze Zeit von beispielsweise 20 Sekunden nur bis auf einen Spalt von rund 10% geschlossen werden kann. Deshalb
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kann sich nicht gleich ein Überdruck aufbauen, und die Leistungsregelung kann die Dampferzeugung während der genannten 20 Sekunden meist so weit drosseln, daß auch nach dem vollständigen Schließen kein weiteres Abheben des Ventiltellers 22 zu erwarten ist. Hierdurch wird jedenfalls das sogenannte Flattern des Ventiltellers 22 vermieden. Der Spalt 25, den der Schließbegrenzer vorgibt, kann der betriebsmäßigen Dampferzeugung angepaßt sein, weil zu erwarten ist, daß die Dampfproduktion bei einer Abschaltung um so schneller zurückgeht, je kleiner die usprüngliche Leistung war. Es ist aber auch möglich, den Schließbegrenzer 47, von dem Maximalwert ausgehend, nach einem Schnellschluß zeitabhängig und zeitproportional, zum Beispiel mit Hilfe eines Uhrwerks, zuzufahren. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Steuerung in Abhängigkeit vom Dampfdruck. Das Ziel ist dabei immer, ohne unzulässigen Druckanstieg das Schnellschlußventil 8 so schnell und vollständig zu schließen, daß keine Radioaktivität mit dem Dampf aus der Sicherheitshülle gelangen kann.
In der Fig. 3 ist in einer der Fig. 1 ähnlichen schematiahen Darstellung gezeigt, daß das SchnellSchlußventil 8 mit dem Druckmittelantrieb 9 auch mit einer druckabhängigen Servosteuerung versehen werden kann. Dazu wird der Druck in der Frischdampfleitung 2. zwischen dem Dampferzeuger 1 und dem Schnellschlußventil 8 mit einem Barometer 55 erfaßt. Je nach Höhe dieses Druckes kann, wie durch die Wirkungslinie 56 angedeutet ist, der durch die Feder 10 angedeutete Öffnungsmechanismus des als Sicherheitsventil wirkenden Schnellschlußventils,unter anderem auch die Lage des Anschlages 42, so verstellt werden, daß ohne zu große Strömungsgeschwindigkeiten ein ausreichendes Abblasen möglich ist.
Parallel zum Schnellschlußventil 8 ist eine Überbrückungsleitung 58 vorgesehen, die ein motorisch schließbares Ventil 59 mit einer Nennweite von 400 mm aufweist. Mit dem
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Ventil 59 liegt eine Drossel 60 zur Begrenzung der Strömung in Reihe, die dafür sorgt, daß auch bei vollständig geöffnetem Ventil 59 die maximal zulässige Ausströmrate des Dampferzeugers 1 nicht überschritten werden kann. Die Überbrückungsleitung 58 dient lediglich zur Erhöhung der Sicherheit für den Fall, daß das SchnellSchlußventil 8 bei einem Druckanstieg nicht ordnungsgemäß öffnen sollte.
Die Leitung 16 mit dem Sicherheitsventil 17 und den Abblasregelventilen 20 außerhalb der Sicherheitshülle 3 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 noch durch ein weiteres Sicherheitsventil 61 überbrückt, das aus Gründen der Redundanz vorgesehen ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei der das Schnellschlußventil 8 wiederum mit der Überbrückungsleitung 58 versehen ist, wird deren Ventil 59' druckabhängig gesteuert. Das Barometer 55 wirkt also nicht nur auf den Öffnungsmechanismus 10 des Sicherheitsventils 8 sondern auch auf den durch die Feder 63 angedeuteten Motorantrieb des Ventils 59' ein.
Der Schließjnechanismus 9 des Schnellschlußventils 8 wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, wie die Wirkungslinie 64 andeutet, in Abhängigkeit vom Druck in einer Armaturenkammer 65 betätigt, die außerhalb der Sicherheitshülle 3. als Anbau an einer die Sicherheitshülle einschließenden, aus Beton bestehenden Sekundärabschirmung 68 vorgesehen ist. Da die Armaturenkammer 65 das Absperrventil 6 für den Frischdampfauslaß 7 enthält, kann mit dem Barometer 66 der nicht durch das Ventil 6 absperrbare Teil der Frischdampfleitung 2 zwischen der Durchführung 4 durch die Sicherheitshülle 3 und dem Absperrventil 6 überwacht werden, der zum Teil von einem Doppelrohr 69 umschlossen ist. Das Schließen des Schnellschlußventils 8 kann also durch einen Druckanstieg in der Armaturenkammer 65 eingeleitet werden, wenn etwa durch ein Leck 70 ein erhöhter Druck entsteht, der mit dem Barometer ermittelt wird.
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Die Armaturenkammer 65 enthält auch das Sicherheitsventil und die Abblasregelventile 20. Deshalb muß dafür gesorgt sein, daß der Auslaß 18 mindestens so weit mit der freien Atmosphäre in Verbindung steht, daß ein Öffnen des Sicherheitsventils 17 oder der Abblasregelventile 20 nicht zu einer das Schließen des Schnellschlußventils 8 anregenden Druckerhöhung am Barometer 66 führt.
Bei den Ausführungsbeispielen wurde nur ein Dampferzeuger mit einer Frischdampfleitung gezeichnet. Bei den für große Leistungen üblichen Kernreaktoranlagen mit zwei bis vier Dampferzeugern wird man Jeder Frischdampfleitung 2 ein Schnellschlußventil 8 nach der Erfindung zuordnen.
13 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (13)

  1. - 11 - VPA 74/9422 Patentansprüche
    Kernreaktoranlage mit einer Sicherheitshülle und einer aus dieser ins Freie führenden Frischdampfleitung, die ein Schnellschlußventil mit einem dem Querschnitt der Frischdampfleitung entsprechenden Durchlaßquerschnitt und mit einem Ventilteller aufweist, der auf Grund eines Lecks in der Frischdampfleitung druckmittelbetätigt geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventilteller (22) ein druckabhängig wirkender Öffnungsmechanismus (10, 42) zugeordnet ist, der bei einem höheren Druck als dem Betriebsdruck der Frischdampfleitung (2) öffnet, jedoch höchstens den halben Durchlaßquerschnitt freigibt.
  2. 2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmephanismus eine Sperre (42) umfaßt, die mindestens kurzfristig ein Öffnen auf mehr als 30% de'j Durchlaßquerschnittes verhindert.
  3. 3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre einen verstellbaren Schlitten (43) umfaßt, an dem der Ventilteller (22) beim öffnen anstößt.
  4. 4. Kernreaktoranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (43) mit einem Gewinde (44), insbesondere einer Spindel, motorisch verstellbar ist.
  5. 5. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelbetätigung (9) und/oder dem Öffnungsmechanismus (10) druck- oder zeitabhängig zwei öffnungsStellungen mit einem kleineren Querschnitt als dem Durchlaßquerschnitt zugeordnet sind.
  6. 6. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5- dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventilteller (2?.) eine Be-
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    grenzung (47) der Schließbewegung zugeordnet ist, die einen restlichen Durchlaßquerschnitt des Ventils (8) zwischen 5 und 20% ergibt.
  7. 7. Kernreaktoranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung (47) der Schließbewegung verstellbar ist.
  8. 8. Kernreaktoranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Schließbewegung im Zeitraum von 10 bis 60 Sekunden auf Null verringert wird.
  9. 9. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (22) mit seinem Ventilsitz (24) in der Nähe der Schließstellung die Form einer ringförmigen Venturidüse (25) bildet.
  10. 10. Kernreaktoranlage nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (22) am Rand (23) konisch mit einem kleineren Winkel als der ebenfalls konische Ventilsitz (24) ausgebildet ist.
  11. 11. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellschlußventil (8) im Inneren der Sicherheitshülle (3) angeordnet ist.
  12. 12. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit mehreren Frischdampfleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Frischdampfleitung (2) ein Schnellschlußventil (8) zugeordnet ist.
  13. 13. Kernreaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmechanismus (10) mit einem Druckmittel arbeitet, dessen Versorgung redundant ausgeführt ist.
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