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Inhärent sicheres Abschaltsystem für Kernreaktoren
Inhärent
sicheres Abschaltsystem für Kernreaktoren Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf eine inhärente Abschalteinrichtung für den Kernbereich eines Reaktors nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine Abschalteinrichtung dieser Gattung ist in französischen Kernkraftwerken
in Erprobung. Hierbei wird eine Kette von B4C-Stabbündeln über eine elektromagnetische
Kupplung gehalten, die im Störungsfall durch überschreiten der Curie-Temperatur
des Magnet-Joches ausgelöst wird. Dazu muß die Kupplung, die inmitten des relativ
kalten Natriumstroms aus der Absorberposition liegt, vom Natrium der umgebenden
Brennelemente aufgeheizt werden. Dies bedingt jedoch relativ lange Ansprechzeiten.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
eine Abschalteinrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der das die Auslösung
initierende Element eine relativ geringe Masse hat und somit schneller aufzuheizen
ist. Es soll also eine im Verhältnis zu bekannten Konzeptionen kürzere Ansprechzeit
haben.
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Darüber hinaus soll auch über die Aufhängung der Curiepunkt-gesteuerten
Schaltereinheit selbst eine Optimierung der Ansprechzeit, d.h. deren Verkürzung
ereicht werden.
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Diese der Erfindung zugrundeliegende neue Aufgabe wird durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gegebene Spezifikation der Curiepunkt-gesteuerten
Schaltereinheit gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zum allgemeinen Verständnis der vorliegenden Erfindung soll noch auf
folgendes hingewiesen werden: Als wichtige Kriterien für Ausführung und Funktion
eines inhärent sicheren Abschaltsystems werden im allgemeinen angegeben: a) Aufgabe
des Systems: Schutz des Reaktors bei definierten Kühlungsstörfällen und/oder Transient-Overpower-Störfällen
geringer Eintrittswahrscheinlichkeit bei Versagen der normalen Abschaltsysteme.
Das System sollte schnell genug sein, um eine Beschädigung des Kernbereiches (Hüllschaden,
Brennstoffschmelzen) zu verhindern.
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b) Das System soll diversitär zu den anderen Abschaltsystemen sein,
um common mode-Fehler weitmöglichst auszuschließen.
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c) Das System soll in allen Teilen (Störfall-Erkennung und Auslösung)
inhärent sicher sein. Dies bedingt geringe Verwundbarkeit durch Störfälle wie z.B.
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durch Feuer, Explosion, Erdbeben oder einen gestörten Reaktorbetrieb
im allgemeinen.
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Insbesondere soll das System unempfindlich sein - gegen Relativbewegungen
zwischen Reaktordeckel und Reaktorkern - gegen Veränderungen der Reaktorkerngeometrie.
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d) Das System soll sicher gegen menschliche Fehler bei Wartung und
Betrieb (Anfahren, Lastwechsel, Refueling) sein.
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e) Die Lage der Absorber und ihre Bewegungsgeschwindigkeit beim Ausfahren
soll jederzeit kontrollierbar sein.
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f) Das System soll regelmäßigen Tests hinsichtlich Funktionsfähigkeit
und Wirksamkeit unterzogen werden können.
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g) Das System soll den normalen Betrieb des Reaktors nicht behindern
(Start, Shutdown, Teillast mit reduziertem Natriumdurchsatz).
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Die Abschalteinheiten sollen die Geometrie normaler Brennelemente
haben.
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h) Das System soll möglichst wenig Einfluß auf Reaktorkern-Physik
und das thermohydraulische Verhalten haben (BE-Standzeit, Brutrate, Heißkanalfaktoren).
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i) Das System soll unter Betriebsbedingungen wenigstens während der
Einsatzdauer eines Reaktorkerns ansprechbereit sein.
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Diese Kriterien werden mit der erfindungsgemäßen Abschalteinrichtung
erfüllt.
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Die Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau der Curiepunkt-gesteuerten Schaltereinheit,
Fig. 2 zeigt eine erste Einbauvariante der Schaltereinheit nach Fig. 1 in einem
Reaktor, Fig. 3 zeigt eine zweite Einbauvariante der Schaltereinheit nach Fig. 1
in einem Reaktor.
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Fig. 4 zeigt ein Versuchsmodell einer erfindungsgemäßen Curiepunkt-gesteuerten
Schaltereinheit, Fig. 5 zeigt im Diagramm den Verlauf der magnetischen Anziehungskraft
zwischen Sensorelement und Schaltgewicht in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen
diesen Elementen.
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Die in Figur 1 dargestellt Curiepunkt-gesteuerte Schaltereinheit (im
folgenden wird diese Einheit stets mit CSSE abgekürzt) basiert auf einer in sich
geschlossenen selbststeuernden Meßkette, deren Meßprinzip auf der thermomagnetischen
Eigenschaft eines ferromagnetischen Materials beruht. Bei Erwärmung dieses Materials
auf seine spezifische Curie-Temperatur wird es paramagnetisch und verliert praktisch
seine magnetische Leitfähigkeit. Es gibt zahlreiche Materialien
sowie
Legierungen auf Eisenbasis, z.B. Silizium- und Nickeleisen, die diese Eigenschaft
bei unterschiedlichen Curie-Temperaturen TC aufweisen. Für den mit der -Erfindung
durchgeführten Versuch wurde eine 70-prozentige Nickeleisenlegierung gewählt, deren
Curiepunkt von ca. 6100 C den Schaltpunkt der CSSE bedeutet.
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Die stationäre Betriebstemperatur der CSSE wird bei ca. 5600 C zugrundegelegt.
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Der funktionelle Aufbau der erfindungsgemäßen CSSE ist wie folgt:
Ein Dauermagnet 1 bildet mit einem weichmagnetischen Gehäuse 2, einem Schaltgewicht
3 und einem Jochteil 4 einen geschlossenen Magnetkreis. Als Magnetwerkstoff für
den Dauermagnet 1 wird AlNiCo 450 mit einer Curie-Temperatur TC = 8600 C gewählt,
da mit diesem bereits Bestrahlungserfahrungen vorliegen. Mit Hilfe einer Shuntbrücke
5 als Nebenschluß läßt sich parallel zum eigentlichen magnetischen Nutzfluß H' im
Sensorelement ein definierter (kompensierender) Streufluß Zsaufbauen.
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Dadurch kann ein bestimmter Nutzflußanteil H' für das Schaltgewicht
3 eingestellt werden. Das Schaltgewicht 3 schließt im angezogenen Zustand elektrische
Kontakte eines Stromkreises 6 für die magnetische Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit.
Ein (NiFe-)Sensorelement 7 befindet sich direkt im magnetischen Nutzflußanteil X
H' und ist quasi Teil des Gehäuses 2, das im Einsatz vom flüssigen Natrium umgeben
ist. Erfährt das Sensorelement 7 eine Temperaturerhöhung über seinen Curiepunkt,
so wird der magnetische Nutzfluß H' im Sensorelement 7 unmittelbar unterbrochen
und annähernd der gesamte magnetische Nutzfluß wird praktisch nur noch über den
Nebenschluß, d.h. über die Shuntbrücke 5 geleitet.
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Gleichzeitig fällt das Schaltgewicht 3 ab und unterbricht den Stromkreis
6 der magnetischen Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit, was zwangsläufig zum Abfall
der Abschaltabsorber-Einheit aufgrund ihres Eigengewichtes führt.
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Zur konstruktiven Ausführung wird noch folgendes angemerkt: Der Dauermagnet
1 sitzt in einem Magnetführungsring 10 und ist mit diesem in das Gehäuse 2 eingelassen.
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Dieses Gehäuse 2 ist als einseitig geschlossener Zylinder ausgebildet.
Der Magnetführungsring 10 steht etwas über den Dauermagneten 1 über und dient in
diesem Bereich als Aufnahme für den Jochteil 4, der in der durch die Endbereiche
des Magnetführungsrings 10 und des Gehäuses 2 definierten Ebene flanschartig verbreitert
bis nahe an das Gehäuse 2 heranreicht. Diese flanschartige Verbreiterung bildet
auf den Magnetkreis bezogen einen Shunt 5.
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Die Längen des Jochteils 4 und des Sensorelements 7 sind etwa aufeinander
abgestimmt. Das Sensorelement 7 ist insoweit als rohrförmiges Gebilde realisiert
und bildet - in der Verlängerung des Gehäuses 2 - quasi eine Ummantelung für das
Jochteil 4 einschließlich Shuntbrücke 5.
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Im Endbereich des Jochteils 4 und damit auch des rohrförmigen Sensorelements
7 ist eine Kontakthalteplatte 8 vorgesehen, die starr mit dem Jochteil 4 verbunden
ist und somit ortsfest lagert. Diese Kontakthalteplatte 8 hält die elektrischen
Verbindungsleitungen des Stromkreises
6 im gegeneinander isolierten
Zustand, d.h. der Stromkreis 6 ist unterbrochen, solange die von der Kontakthalteplatte
8 gehaltenen Verbindungsleitungen nicht über an der zugänglichen Seite der Kontakthalteplatte
8 überstehende Kontakte 9 galvanisch verbunden werden. (Die genannten Verbindungsleitungen
sind im dargestellten Ausführungsbeispiel von der Abschlußseite des Gehäuses 2 parallel
zum Gehäuse 2 und zum Sensorelement 7 zur Kontakthalteplatte 8 geführt, die an der
Gegenseite diese Verbindungsleitungen mit (z.B.
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Wolfram-) Kontakten 9 verbindet.) Zur Vervollständigung der erfindungsgemäßen
CSSE kann für das Jochteil 4 eine zusätzliche Hilfsspule 15 vorgesehen werden, die
im Bedarfsfall für den Aufbau eines Sekundärmagnetkreises sorgt. Dessen Richtung
kann -je nach Polung der Spule 15 - gleich- oder gegensinnig zum dauermagnetischen
Nutzfluß H' im Sensorelement 7 eingestellt sein. Bei gleichsinnigem Verlauf wird
dieser dauermagnetische Nutzfluß H' soweit verstärkt, daß das abgefallene Schaltgewicht
3 zurückgeholt werden kann. Andernfalls kann durch umgekehrte Polung der Hilfsspule
15 die Schaltfunktion der CSSE leicht getestet werden.
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Die genannte galvanische Verbindung der Kontakte 9 wird im normalen
Betriebszustand des Reaktors über das Schaltgewicht 3 hergestellt. Dieses Schaltgewicht
3 ist als zylindrisches magnetisches Teil ausgeführt, das einen Ringflansch aufweist.
Die eine Stirnseite des Schaltgewichts 3 liegt dem Jochteil 4 in einem definierten
Abstand S (Luftspalt) gegenüber. In dieser Normalstellung
überbrückt
der Ringflansch des Schaltgewichts die Kontakte 9 des Stromkreises 6; gleichzeitig
ist der Magnetkreis über diesen Ringflansch geschlossen und das Schaltgewicht 3
wird mit einer bestimmten Anziehungskraft F an das Jochteil 4 gekoppelt.
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Das Schaltgewicht 3 ist in einer (Keramik-)Führungsbuchse 11 geführt,
die in einem konzentrischen Ring 12 mit Bodenteil 13 gelagert ist. über die Länge
des Schaltgewichts 3 und des Bodenteils 13 reicht eine Hülse 14, die in Verbindung
mit dem Sensorelement 7 und dem Gehäuse 2 die CSSE als geschlossene zylindrische
Einheit erscheinen läßt.
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Der Ringflansch des Schaltgewichts 3 liegt in einer Ringnut der Hülse
14 und kann bei einer Unterbrechung des magnetischen Nutzflußanteils H' im Sensorelement
7 (im Störungsflall) abfallen, womit schließlich der Stromkreis 6 unterbrochen wird.
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Anhand der Fig. 2 und Fig. 3 soll die Anwendung der erfindungsgemäßen
CSSE 20 erläutert werden. Den beiden gezeichneten Einbauvarianten liegt folgende
überlegung zugrunde: Eine dreigliedrige Abschaltabsorber-Einheit 21 (mit B4C) soll
mittels einer elektromagnetischen Kupplung 22 an einem Absorber-Gestänge 23 aufgehängt
sein. Die inhärent sichere Abschaltung bei einem Ansteigen der Natriumtemperatur
am Reaktorkern-Austritt soll nun dadurch ausgelöst werden, daß der Stromkreis 6
zur elektromagnetischen Kupplung mittels der Curiepunkt-gesteuerten selbsttätig
wirkenden Schaltereinheit (CSSE) 20 unterbrochen wird. Diese CSSE 20 enthält als
Temperaturfühler
ein Sensorelement aus thermomagnetischem Material,
das beim Erreichen seiner Curie-Temperatur die öffnende Schaltfunktion auslöst.
Nach Unterbrechen des Stromkreises für die magnetische Kupplung 22 fällt die Abschaltabsorber-Einheit
21 zwangsläufig durch ihr Eigengewicht ab.
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Für die Anordnung der CSSE sind zunächst zwei Möglichkeiten in Betracht
gezogen: Fig. 2: Die CSSE 20 wird direkt in der Aufhängung der Abschaltabsorber-Einheit
21 integriert. Im Zentrum der Position der Abschaltabsorber-Einheit 21 wird ein
Kleinbündel 24 aus 7 Brennstäben untergebracht. Der aus diesem Bündel 24 austretende
Natriumstrom umströmt das Sensorelement 7 der CSSE 20, bevor er sich mit dem relativ
kalten Natrium zur Absorberkühlung vermischt. Die Absorberstäbe 23 sind ringförmig
um das Brennstab-Kleinbündel 24 herum angeordnet.
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Fig. 3: Die CSSE 20 wird räumlich unabhängig von der Abschaltabsorber-Einheit
21 über einem ausgewählten Brennelement 25 angeordnet. Dies könnte mittels eines
eigenen Stopfens erfolgen, oder die CSSE 20 wird in die Instrumentierungsplatte
integriert. Die Abschaltabsorber-Einheit 21 besteht in diesem Fall aus gelenkig
miteinander verbundenen Stabbündeln, die ein ausreichend großes Spiel zum Hüllkasten
aufweisen.
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Zur Funktionsweise der in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Konfiguration
soll - bezugnehmend auf die Beschreibung zu Figur 1 - an dieser Stelle nur auf folgendes
verwiesen werden: Die CSSE 20 ist jeweils unmittelbar über Brennelementen 24 bzw.
25 eines Reaktorkerns 26 angeordnet und zwar derart, daß der bei einem Störfall
ausströmende heiße Strom quasi kanalisiert das zylindrische Gebilde CSSE 20 umströmt.
Das zentrale Schaltelement, in Form des thermomagnetischen Sensorelements, wird
aufgrund seiner relativ geringen Masse schnell bis zu seiner Curie-Temperatur erwärmt.
Damit wird der magnetische Kreis unterbrochen und das Schaltgewicht fällt ab. Damit
nun ist der Stromkreis 6 unterbrochen und die magnetische Kupplung passiv gesetzt.
Daraufhin gibt das Absorber-Gestänge die Abschaltabsorber-Einheit frei; sie fällt
in den Reaktorkern und unterbricht den gestörten Reaktorbetrieb.
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In Figur 4 ist ein Versuchsaufbau einer CSSE dargestellt. Als Dauermagnet
1 wird ein ringförmiger AlNiCo 450-Magnet mit diametraler Magnetisierungsrichtung
verwendet. Seine magnetische Flußdichte beträgt im offenen Zustand 0,14 Vs/m2; im
eingebauten Zustand wird der Arbeitspunkt bei BM = 0,45 Vs/m2 und HM = 4770 A/m
angenommen. Bei dem Versuch wurde ein fester Luftspalt von cf = 0,23 mm eingestellt.
(Größere Luftspalte können zusätzlich durch dünne Papiereinlagen erreicht werden.)
Der
weitere Aufbau der CSSE enspricht im wesentlichen dem Aufbau gemäß Fig. 1.
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Der Dauermagnet 1 ist in einer isolierenden Halterung 10' gelagert,
die in einem Gehäuse 2 steckt. An das Gehäuse 2 schließt das ringförmige Sensorelement
7 an, das das Jochteil 4 einschließt, das eine Hilfsspule 15 aufweist. Das Gehäuse
2 schließt etwa in der Ebene der Halterung 10' ab und geht hier in das Sensorelement
7 über. In dieser Ebene ist auf die Halterung 10' der Shunt 5 aufgesetzt, der an
das Jochteil 4 anschließt und den Streufluß AS definiert.
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Das Sensorelement 7 ragt in eine zylindrische Führung 16, in welcher
nach Art der Führungsbuchse 11 aus Fig. 1 auch das Schaltgewicht 3 lagert. Im normalen
Betriebszustand liegt das Schaltgewicht 3 an den Kontakten 9 des Stromkreises für
die magnetische Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit an. Der Luftspalt @
zwischen Jochteil 4 und Schaltgewicht 3 bestimmt die Kraft F, mit der das Jochteil
4 und Schaltgewicht 3 gegeneinander gehalten werden.
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Fig. 5 zeigt den in einer Versuchsanordnung gemäß Fig. 4 gemessenen
Verlauf der Kräfte F als Funktion des Luftspaltes & . Hierbei sind die Versuchsergebnisse
für die CSSE nach Fig. 4 angegeben für die Fälle ohne Shunt (D ) mit Shunt ( ) und
mit Shunt aber ohne Sensorteil (O) .
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Zum Testen der Schaltfunktion wurde eine kleine Hilfsspule mit 100
Windungen (Cu-Draht: / 0,4 mm) verwendet.
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Bei einem Schaltweg von ca. 1,3 mm wurde eine Stromstärke von 1,3
A (U = 1,8 V) benötigt, um das abgefallene Schaltgewicht (ca. 0,56 N) zurückzuholen.
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Zum Öffnen des Schaltgewichts ist nur eine geringe Stromstärke von
ca. 0,2 A erforderlich.
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Zusammenfassend wird nochmals folgendes bemerkt: Das erfindungsgemäße
Gesamtsystem (inhärent sicheres Abschaltsystem) besteht aus zwei Einheiten: einer
Abschaltabsorber-MagnetkupplungeEinheit und einer Curiepunkt-gesteuerten selbsttätigen
Schaltereinheit (CSSE).
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Das System arbeitet selbsttätig nach dem Prinzip der Curiepunkt-Steuerung.
D.h., bei Curiepunkt-überschreitung eines Sensormaterials wird die Abschaltfunktion
selbsttätig ausgelöst. Dieses System zeichnet sich -im Vergleich zu den bekannten
Systemen - durch eine relativ kurze Ansprechzeit aus, was in der geringeren aufzuheizenden
Masse des CSSE-Fühlers (Sensorelement) begründet ist. Zwei Ausführungsvarianten
des Gesamtsystems werden aufgrund der flexiblen Einsatzmöglichkeit der CSSE vorgeschlagen.
Sie unterscheiden sich durch die Systemanordnungen. In der ersten Ausführung (Fig.
2) wird die CSSE in der Absorberstabposition direkt in der Aufhängung der Abschaltabsorber-Einheit
integriert. Dabei wird die Natrium-Austrittstemperatur eines zentral untergebrachten
7-Stab-Kleinbündels als Fühlgröße der CSSE definiert. In der zweiten Ausführung
(Fig. 3) kann die CSSE räumlich unabhängig von der Abschaltabsorber-Einheit über
einem beliebigen Brennelement angeordnet werden. Die Austrittstemperatur dieses
Brennelementes ist hier direkte Fühlgröße der CSSE. Als Sensormaterial ist eine
70-prozentige
Nickeleisenlegierung NiFe 70/30 mit einer Curie-Temperatur
Tc = 6100 C vorgesehen. Ein Vorversuch zur Schaltfunktion der CSSE wurde bereits
erfolgreich durchgeführt.
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Bezugszeichen: 1 Dauermagnet & Luftspalt 2 Gehäuse F Anziehungskraft
3 Schaltgewicht T Curie-Temperatur 4 Jochteil 5 Shunt 6 Stromkreis 7 Sensorelement
8 Kontakthalteplatte 9 Kontakte 10 Magnetführungsring 10'Halterung 11 Führungsbuchse
12 Ring 13 Bodenteil 14 Hülse 15 Hilfsspule 16 Führung 20 CSSE (als Einheit) 21
Abschaltabsorber-Einheit 22 Magnetische Kupplung 23 Absorber-Gestänge 24 (Brennstab-)Kleinbündel
25 ausgewähltes Brennelement 26 Kernbereich des Reaktors ( magnet. Nutzfluß im Sensorelement
#H magnet. Nutzfluß des Dauermagneten RS magnet. Streu/Shuntfluß