DE2608996A1

DE2608996A1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturueberwachung eines kernreaktor-kerns

Info

Publication number: DE2608996A1
Application number: DE19762608996
Authority: DE
Inventors: Georges Barbier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-03-04
Filing date: 1976-03-04
Publication date: 1976-09-16
Also published as: ES445748A1; JPS51113095A; GB1506081A; US4045282A; FR2303355A1; NL7602223A; FR2303355B1; BE839188A

Description

Patentanwälte Dfpl.-Ing. R. B E ETZ sen. Däpl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E T Z jr.

410-25.342P

4. 3. 1976

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines

Kernreakt or-Kerns

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen oder Temperaturüberwachung des Kerns eines Kernreaktors sowie eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekanntlich ist im Betrieb eines Kernreaktors die Temperatur eine sorgfältig zu überwachende physikalische Größe, damit diese bei einer gegebenen Überwachungsstelle des Reaktors einen bestimmten Wert nicht überschreiten kann, der abhängt von den Eigenschaften von nahe der Überwachungsstelle angeordneten Werkstoffen. In .gleicher Weise muß die Temperatur des Kühlmittels in den Brennelementbündeln stets so sein, daß die Temperatur der Brennstoffhülle in keinem Fall ein bestimmtes zulässiges Maximum überschreitet. Bisher war es üblich,

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den Kern eines Reaktors thermisch zu überwachen oder zu steuern bzvi. zu regeln, ausgehend von der Temperaturerhöhung, die im Inneren des Kühlfluids oder Kühlmittels beim Durchtritt durch die Brennelementbündel erzeugt ist, durch aufeinanderfolgendes Erfassen einerseits der Kühlmitteltemperatur an einer Stelle stromauf der Brennelementbündel und andererseits der Temperatur des Kühlmittels am Austritt jedes Brennelementbündels.

Es genügt darauf hinzuweisen, daß bei einem derartigen periodisch durchgeführten Verfahren eine mögliche plötzliche Temperaturerhöhung nicht schnell feststellbar ist, die an einem Brennelementbündel erzeugt ist, zwischen zwei an diesem Brennelementbündel nacheinander durchgeführten Messungen, und daß ein derartiges Verfahren darüber hinaus verfälscht sein kann, wenn eine beträchtliche Temperaturänderung stromauf der Brennelementbündel plötzlich auftritt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur thermischen oder Temperaturüberwachung des Kerns eines Kernreaktors anzugeben, das die genannten Nachteile überwindet und insbesondere die ständige Überwachung jedes Brennelementbündels des Reaktors ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur thermischen Überwachung des Kerns eines Kernreaktors mit sogenannten heißen und kalten Brennelementbündeln, das ausgehend von den Temperaturen des Kühlmittels, die am Ausgang mehrerer der Brennelementbündel erfaßt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jedem Zeitpunkt gebildet wird einerseits die mittlere Kernaustritts-Temperatur durch Bilden der halben Summe der mittleren heißen und kalten Temperaturen am Kernaustritt, die jeweils entsprechen dem Mittelwert der Temperaturen des

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Kühlmittels &m Austritt mindestens eines Teils der heißen Brennelementbündel bzw. dem Mittelwert der Temperaturen des Kühlmittels am Austritt mindestens eines Teils der kalten Brennelementbündel, und andererseits der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen am Kernaustritt, das für jedes der Brennelementbündel gebildet wird ein Analogsignal, das dem Temperaturabstand zwischen der Kühlmitteltemperatur am Austritt des Brennelementbündels und der mittleren Temperatur am Ausgang des Kerns entspricht,anfangs erhöht oder verringert um einen Bruchteil, der durch die Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen am Kernaustritt bestimmt ist, um dadurch einenjGleichgewichtszustand zu definieren, für den der Temperaturabstand Null beträgt, und daß das Signal so verarbeitet wird, daß automatisch geeignete Sieherheitseinrichtungen ausgelöst werden durch ein übersehreiten von Schwellenwerten, die den beiderseits des Null-Gleichgewichts tolerierbaren Temperaturschwankungen entsprechen.

Das erfindüngsgemäße Verfahren ermöglicht eine permanente relative Überwachung bzw. Steuerung oder Regelung der Temperaturen des Reaktorkerns, ohne einen ständigen Vergleich mit der Eingangstemperatur des Kühlmittels zu benötigen, da es darin besteht, zu jedem Zeitpunkt eine mögliche Anomalie der Kühlung festzustellen, an einem der Brennelementbündel des Kerns durch gleichzeitigen Vergleich mit der Kühlung der gesamten Kernanordnung.

Dieses Null-Verfahren besteht im kontinuierlichen Vergleich der Kühlmittelaustrittstemperatur jedes gesteuerten oder überwachten BrennelementbUndels des Kerns mit der mittleren Austrittstemperatur der gesamten Kernanordnung durch

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ein anfängliches Bilden eines analogen Gleichgewichtszustandes derart, daß die Abweichung zwischen den beiden miteinander verglichenen Temperaturen durch einen Bruchteil der Differenz annulliert ist zwischen der mittleren heißen Temperatur und mittleren kalten Temperatur am Kernaustritt, wobei der Bruchteil eine charakteristische Größe jedes Brennelementbündels bildet, da sie eine Punktion der Lage des jeweiligen Brennelementbündels im Reaktorkern ist.

Das erfindungsgemäße Ver. ahren kann beispielsweise auch in folgender Weise dargestellt werden:

Wenn ein Signal u. der Kühlmittelaustrittstemperatur des k-ten Brennelementbündels entspricht, das beispielsweise durch ein am Austritt des k-ten Brennelementbündels angeordneten Thermopaars erfaßt wird,

wenn ein Signal u , das analog ausgehend von einer be-

•stimmten Anzahl von Signalen u. gebildet ist, die den heißen Brennelementbündeln des Kerns entsprechen, die mittlere heiße Temperatur des Kernaustritts bildet, und

wenn ein Signal u_f, das analog ausgehend von einer bestimmten Anzahl von Signalen u. gebildet wird, die kalten Brennelementbündeln des Kerns entsprechen, der mittleren kalten Temperatur des Kernaustritts entspricht, so besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, dem Verlauf folgender Gleichung zu folgen:

u + u„ ^Ek - *k J— ⁺ ^ck <^uc - ^uf)

wobei (u + Uo)/2j das die mittlere Temperatur am Kernaustritt IL-, und wobei c., der Kennwert des Ε-ten B'rennelementbündels bei einer Anfangseinstellung oder-regelung so festge-

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legt sind, daß das Signal E. zu Null wird.

Jede Kühlungs-Anomalie für eines der Brenne le me nt bündel, die in merkbarer Weise das Signal u. ändert, erzeugt eine Gleichgewichtsstörung oder Fehlanpassung, die entsprechend ihrer Bedeutung automatisch notwendige Sicherheitswirkungen auslöst, wie beispielsweise einen Voralarm, eine Notabschaltung oder eine Steuerstab-Absenkung. Es genügt der Hinweis, daß dann, wenn das Brennelementbündel mit der Ordnungszahl k> das einer anormalen Kühlung unterliegt, an der Bildung der Signale IL. und u_Q - u„ beteiligt ist, letztere lediglich leicht gestört sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch N Thermopaare entsprechend der Anzahl N der überwachten Brenne lementbündel des Kerns, N Meßwege, die individuell mit jedem der N Thermopaare verbunden sind und in Reihe enthalten mindestens einen Verstärker des durch das Thermopaar erfaßten Signals, einen Summierverstärker am Ausgang dieses ersten Verstärkers und am Ausgang zweier zugeordneter Analogschaltungen, die von bestimmten von den N Meßwegen versorgt sind, der eine Einrichtung enthält einerseits zum Abgeben eines dem Gegenteil der mittleren Kernaustrictstemperatur entsprechenden Signals und andererseits zum Abgeben eines dem Bruchteil entsprechenden Signals, der durch die Differenz zwischen den mittleren heißen und mittleren kalten Temperaturen des Kernaustritts bestimmt ist, und eine Vorrichtung am Austritt des Summierverstärkers^die verschiedenen Schwellenwerte vorgibt^für einen Voralarm, eine Notabschaltung und/oder eine Steuerstab^Absenkung, wobei die Vorrichtung beim Überschreiten des jeweiligen Schwellenwerts mittels mindestens einem ODER-Schaltglied Steuersignale für entsprechende Anweisungen abgibt.

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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch -'im Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in zufriedenstellender Weise die thermische oder Temperaturüberwachung bzw. Steuerung oder Regelung eines Flüssigmetall-,insbesondere Natrium-gekühlten schnellen Kernreaktor-Kerns wiedergegeben, was besonders wichtig ist, da die Überwachung des heißen Punkts der Brennstoffhüllen für diesen Reaktortyp äußerst wichtig ist.

Ein derartiger Kernreaktor-Kern ist bekannt und beispielsweise im Bulletin für Wissenschaftliche und Technische Informationen Nr. 182, Juni 1973, beschrieben.

In der folgenden Beschreibung umfaßt der Ausdruck Brennelementbündel sowohl solche Brennelementbündel, die spaltbaren Werkstoff als auch solche Brennelementbündel, die einzig brütbaren Werkstoff enthalten.

In der Zeichnung sind schematisch lediglich öwei der N Meßwege, nämlich der Meßweg A und der Meßweg B dargestellt. Jeder der N Meßwege ist an einen der überwachten N Brennelementbündel des Kerns angeschlossen und folglich kann die Gesamtzuordnung der beiden Rechenschaltungen C und D ^zu der Gesamt anordnung der N Meßwege im Prinzip dargestellt werden, ohne daß eine vollständige Darstellung notwendig ist.

In der Zeichnung sind vier der Ii Temperaturfühler, nämlich die Temperaturfühler 1, 2, 3, 4 dargestellt, die jeweils von Thermopaaren gebildet sind, die jeweils einen der Meßwege, nämlich beispielsweise die Meßwege A, B,versorgen.

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jeder der N Meßwege ist identisch zum Meßweg A aufgebaut, der in Reihe enthält:

Einen Verstärker zum Verstärken des durch das Thermopaar 1 erhaltenen Meßwerts, der gebildet ist durch zwei kaskadengeschaltete Stufenverstärker 5· 6, die zum Feststellen geringer Schwankungen der Temperatur geeignete Verstärkung besitzen;

einen Summierverstärker 7, dessen drei Eingänge gemäß der Erfindung empfangen das zuvor verstärkte Meßsignal, das der Temperatur am Austritt des dem Meßweg A entsprechenden Brennelementbündels entspricht, das Signal, das durch die Schaltung C gebildet ist und das dem Gegenteil der mittleren Kernaustrittstemperatur entspricht, und das Signal, das durch die Schaltung D gebildet ist und das den Bruchteil der Differenz zwischen den mittleren heißen und mittleren kalten Temperaturen des Kernaustritts entspricht, derart, daß anfangs das vom Summierverstärker 7 des Meßwegs A abgegebene Signal Null ist;

Einrichtungen 8, 9, 10, die jeweils einen Schwellenwert für einen Voralarm, eine Notabschaltung und eine Steuerstab-Absenkung enthalten und die beispielsweise durch Verstärker mit offener Schleife gebildet sind, die durch positive oder negative Signale ausgelöst werden können durch das Hinzufügen im Nebenschluß am Ausgang des Summierverstärkers 7 einer Diode 7a und eines Verstärkers 7b mit Gewinn 2 um negative Polaritäten gleichzurichten; und

Vereinigungs-ODER-Glieder 11, 12, 13, die, da sie am Eingang jeweils die möglichen Signale von jeder der Vorrichtungen 8, 9 und 10 jedes der N Meßwege erhalten, die dem Meßweg A analog sind, und zum Auslösen der jeweiligen Sicherheitseinrichtung bzw. Sicherheitswirkung wie den Voralarm,die Notabschaltung und die Steuerstab-Absenkung.

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Die Zusammensetzung der Rechenschaltungen C und D bewirken direkt Vorgänge, die ausgehen von den beiden Anordnungen der gemessenen Temperaturen einerseits von bestimmten der heißeren Brennelementbündel des Kerns und andererseits von bestimmten der gälteren Brennelementbündel des Kerns.

Zunächst enthalten daher die Rechenschaltungen C und D gemeinsam zwei Operationsverstärker 14 und 15, wobei der Operationsverstärker 14 ein Signal bildet, das der mittleren heißen Temperatur am Kernaustritt entspricht und am Austritt bestimmter der Meß-Stufenverstärker 6 angeordnet ist, die unter denen ausgewählt sind, die von solchen Meßwegen A kommen, die mit den heißen Brennelementbündeln des Kerns verbunden sind, und wobei der Operationsverstärker 15 sin Signal entsprechend der mittleren kalten Temperatur des Kernaustritts bildet und am Ausgang bestimmter der Meß-Stufenverstärker 6' angeordnet ist, die unter denen ausgewählt sind, die von Meßwegen kommen, die mit kalten Brennelementbündeln des Kerns verbunden sind.

Die Rechenschaltung C, deren .Ausgang einen der drei Eingänge des SummierVerstärkers 7 mit einem Signal speist, das dem Gegenteil der mittleren Austrittstemperatur des Kerns entspricht bzw. das entgegengesetzte Vorzeichen besitzt, enthält am Ausgang der Operationsverstärker 14, I5 einen Summierverstärker 16 mit Gewinn 1/2, dem sich ein Inverter -Verstärker 17 anschließt.

Die Rechenschaltung D, deren Ausgang ebenfalls einen der drei Eingänge des Summierverstärkers 7 mit einem Signal speist, das dem Bruchteil der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts entspricht,

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enthält am Ausgang des Verstärkers 14 zur Bildung des heißen Mittelwerts sowie am Ausgang eines Inverter-Verstärkers 18, der am Ausgang des Verstärkers 15 zur Bildung des kalten Mittelwerts angeordnet ist, einen Summierverstärker 19i dem eine Einrichtung 20 folgt, die beispielsweise durch eine Reihe von Verstärkern mit symmetrischen Ausgängen gebildet ist, zwischen denen N Potentiometer angeschlossen sind, die die Anfangseinstellung des Bruchteils der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts ermöglicht derart, daß das anfangs durch den Summierverstärker 7 abgegebene Signal in jedem der N Meßwege Null ist.

Bei einem ausgeführten Beispiel haben die Meß-Stufenverstärker 5* 6 einen Gewinn von etwa 235, die Verstärker mit symmetrischem Ausgang der Einrichtung 20 einen Gewinn von etwa 1,5» was ermöglicht, daß am Ausgang des Summierverstärkers 7 ein zufriedenstellendes Signal erhältlich ist. Der Kern eines schnellen Kernreaktors (Schnellneutronenreaktors) enthält etwa 85 Brennelementbündel und es genügt jeden der Operationsverstärker 14, 15 mit Gruppen von zehn Signalen zu versorgen.

Schließlich ist anzumerken, daß die in der Zeichnung angegebenen Pfeile, beispielsweise die Pfeile 21, verschiedene Signalisations-Relais darstellen, um beispielsweise beim überschreiten der Schwellenwerte für die Notabschaltung oder die Steuerstab-Absenkung das Ausgangssignal des Summierverstärkers 7 auf einen außerhalb angeordneten Störungsschreiber oder -aufzeichner abzuleiten.

Selbstverständlich sind bei der Überwachung des Kerns eines Kernreaktors die verschiedenen in der Zeichnung dargestellten

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Bauelement passend Im Inneren von geeigneten Einschüben angeordnet, die in einer Schalttafel befestigt sind. Die Schalttafel ermöglicht die Anfangseinstellung der Potentiometer der Einrichtung 20 ebenso wie die Einstellung einerseits der Schwellenwerte des Voralarams und der Notabschaltung im allgemeinen in Verbindung mit einem Kommutator oder Umschalter,dessen voreingestellte Spannungen von Verstärkern stammen, für die die Ausgangswerte steuerbar oder überwachbar sind und andererseits der Schwellenwerte zur Steuerstab-Absenkung der Vorrichtung 10 in einer kleineren Zahl als die Anzahl der Brennstoffbündel des Kerns, die jedoch mit einem beliebigen der Meßwege verbunden werden können.

Die Schalttafel ermöglicht andererseits die eigentliche Überwachung oder Steuerung infolge von Signalmeldern für Signale, die infolge der Zusammenfuhrungs-ODER-Glieder 11, 12, 15 sowie Jeder Vorrichtung 8 zum Voralarm abgegeben sind, während sie gespeist sind. Die die in der Zeichnung schematisch dargestellten Bauelemente enthaltenden Einschübe können selbstverständlich mit einer Anordnung verbunden sein, die die Entnahme aller Meßwerte der Thermopaare des Kerns ermöglicht, sowie mit Sicherheitsgestellen zum Auslösen.von Polgen der Steuerstab-Absenkung und der Notabschaltung sowie mit dem Schaltpult im Steuerraum.

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Claims

- li -

Ansprüche

( 1 ./Verfahren zur Temperaturüberwachung des Kerns eines Kernreaktors mit heißen raid kalten Brennelementbündeln, das ausgehend von Kühlmitteltemperatüren erreicht wird, die am Austritt mehrerer der Brennelementbündel erfaßt werden, dadurch ge kennze ichnet,

daß zu jedem Zeitpunkt erfaßt wird einerseits die mittlere Temperatur am Kernaustritt durch Bilden der halben Summe der mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts, die jeweils dem Mittelwert der Temperaturen des Kühlmittels am Austritt mindestens eines Teils der heißen Brennelementbündel und dem Mittelwert der Temperaturen des Kühlmittels am Austritt mindestens eines Teils der kalten Brennelementbündel entsprechen^und andererseits der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts,

daß für jedes der Brennelementbündel gebildet wird ein

Analogsignal entsprechend der Temperaturabweichung zwischen der Kühlmitteltemperatur am Austritt des Brennelement bündels und der mittleren Temperatur am Austritt des Kerns, anfangs erhöht oder verringert, um einen Bruchteil, der bestimmt wird durch die Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts derart, um einenGleichgewichtszustand zu definieren, für den die Temperaturabweichung Null beträgt, und

daß das Signal so verarbeitet wird, um automatisch die geeigneten Sicherheitseinrlchtuiigeft auszulösen durch Überschreifeen von Schwellenwerten, die beiderseits der Null-Gleichgewichtslage tolerierten Temperaturschwankungen entsprechen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Brennelementbündel das der Temperaturabweichung entsprechende Analogsignal durch Bildung der Summe dreier Signale gebildet wird, die entsprechen der Kühlmitteltemperatur am Austritt des Brennelementbündels, mit negativem Vorzeichen der mittleren Temperatur am Kernaustritt bzw. dem Bruchteil der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temparaturen des Kernaustritts, die der Lage des jeweiligen Brennelementbündels entsprechen.

5. Vorrichtung zur Temperaturüberwachung des Kerns eines Kernreaktors zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch oder 2, gekennzeichnet durch

N Thermopaare (1, 2, 3, 4) entsprechend der Anzahl N der die mehreren Brenne le me ntbündel bildenden Brennelementbündel, und

N Meßwege (A, B), die individuell mit .jedem der N Thermopaare (1, 2, 3, 4) verbunden sind und in Reihe enthalten:

mindestens einen Verstärker (5, 6) zum Verstärken des durch das Thermopaar (1) erfaßten Signals,

einen Summierverstärker (7) am Ausgang dieses Verstärkers (5, 6) sowie ebenfalls am Ausgang zweier zusammengehöriger Analogschaltungen (C, D), die durch bestimmte der N Meßwege (A, B) versorgt sind und die Einrichtungen, enthalten zum einerseits Abgeben eines Signals, das mit negativem Vorzeichen der mittleren Temperatur des Kernaustritts entspricht und andererseits zum Abgeben eines Signals, das dem Bruchteil entspricht, der durch die Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts bestimmt ist, und

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am Ausgang des Summierverstärkers (7) Vorrichtungen (8, 9, 10), die verschiedene Schwellenwerte zum Voralarm, zur Notabschaltung und/oder zur Steuerstab-Absenkung enthalten, wobei jede der Vorrichtungen (8, 9, 10) bei Überschreiten des entsprechenden Schwellenwertes mittels mindestens einem Vereinigungs-ODER-Glied (11, 12, 13) Steuersignale liefert zum Abgeben der geeigneten Anweisungen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengehörenden Analogschaltungen (C, D) gemeinsam zwei Operationsverstärker (14, 15) enthalten, die jeweils ein Signal abgeben, das der mittleren heißen Temperatur des Kernaustritts bzw. der mittleren kalten Temperatur.

des Kernaustritts entspricht, und daß die beiden Operationsverstärker (4, 15) jeweils am Ausgang einer bestimmten Anzahl der Verstärker (5, 6) der durch die Thermopaare (1, 2,3* 4) erfaßten Signale ist, die abhängig von der Art des zu bildenden Mittelwerts ausgewählt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Analogschaltung (D), die den jedem Brennelementbündel eigenen Bruchteil der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts abgibt, hintereinander enthält am Austritt des Operationsverstärkers (I5) für den heißen Mittelwert und am Ausgang eines Inverter-Verstärkers (18),der seinerseits am Ausgang des Operationsverstärkers (14) für den kalten Mittelwert angeschlossen ist, einem Summierverstärker (I9) und eine Reihe von Verstärkern mit symmetrischen Ausgängen zwischen denen N Potentiometer angeschlossen sind, zum Einstellen der Differenz zwischen den mittleren heißen und kalten Temperaturen des Kernaustritts.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Analogschaltung (C), die mit negativem Vorzeichen die mittlere Temperatur des Kernaustritts liefert, am Austritt der Operationsverstärker (14, 15) des heißen oder kalten Mittelwerts des Kernaustritts einen Suimnierverstärker (17) mit Verstärkung 1/2 sowie einen Inverter-V er stärker (16) enthält.

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