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In einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter
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angeordnete Kernreaktoranlage mit einem gasgekühl ten Kernreaktor
Die Erfindung betrifft eine in einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter angeordnete
Kernreaktoranlage mit einer Reaktorkaverne, in der ein gasgekühlter Kernreaktor
installiert ist, mit ersten vertikalen Schächten, in denen je ein Hauptwärmetauscher
und ein oberhalb von diesem angeordnetes Hauptgebläse untergebracht sind, mit zweiten
vertikalen Schächten, in denen Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse vorgesehen sind,
und mit Kühlgasleitungen zwischen der Reaktorkaverne und den vertikallen Schächten,
wobei jeder vertikale Schacht durch eine aus dem unteren Bereich der Reaktorkaverne
austretende Heißgasleitung mit der Reaktorkaverne verbunden ist und die von den
ersten vertikalen Schächten kommenden Kaltgasleitungen in den oberen Bereich der
Reaktorkaverne eintreten.
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Eine Kernreaktoranlage mit den oben aufgeführten Merkmalen ist in
der US-PS 4,158,604 beschrieben. Bei dieser Anlage ist die Reaktorkaverne zentral
in dem Spannbetondruckbehälter angeordnet, und die ersten und die zweiten vertikalen
Schächte befinden sich auf einem Teilkreis um die Mittelachse der Reaktorkaverne,
wobei im Wechsel vier vertikale Schächte für die Hauptwärmetauscher und vier kleinere
vertikale Schächte für die Hilfswärmetauscher vorgesehen sind. In jedem der kleineren
Schächte
ist ein Hilfswärmetauscher mit einem ihm zugeordneten Hilfsgebläse installiert,
und das von dem Hilfsgebläse kommende Kaltgas wird durch eine Leitung der Reaktorkaverne
zugeführt, die unterhalb der halben Kavernenhöhe in die Kaverne eintritt.
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Das Kaltgas aus allen vertikalen Schächten wird zu einem oberhalb
des Kernreaktors befindlichen Sammelraum geleitet und tritt von oben in den Kern
ein. Das im Kern erhitzte Kühlgas gelangt dann in die unten an die Reaktorkaverne
anschließenden Heißgasleitungen. Die Hilfswärmetauscher sind sekundärseitig an einen
zweiten Dampfturbinenkreislauf angeschlossen, der die Aufgabe hat, den ersten Dampfturbinenkreislauf,
der von den Hauptwärmetauschern mit Dampf beschickt wird, in Spitzenlastzeiten zu
entlasten, so daß schnelle Laständerungen im ersten Dampfturbinenkreislauf vermieden
werden.
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Aus der DE-OS 23 21 179 ist ebenfalls eine Kernreaktoranlage mit einer
zentralen Druckbehälterkaverne für den Kernreaktor und mit vertikalen Schächten
für Wärmetauscher und Gebläse bekannt, bei der der Reaktorkern durch ein von oben
nach unten strömendes Kühlgas gekühlt wird. Das Heißgas, das unten aus der Reaktorkaverne
austritt, wird hier jedoch in jedem vertikalen Schacht in zwei entgegengesetzt gerichtete
Ströme aufgeteilt, und jeder Teilstrom wird einem Wärmetauscher zugeführt.
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In jedem vertikalen Schacht sind also übereinander angeordnet zwei
Wärmetauscher untergebracht, wobei der untere sich unterhalb des Kernreaktorniveaus
befindet. Die zugehörigen Gebläse sind jeweils am unteren bzw. oberen Ende des vertikalen
Schachtes vorgesehen. Das aus dem unteren Gebläse austretende Kaltgas wird außen
an den Wärmetauschern entlang nach oben geführt, wo es zusammen mit dem von dem
oberen Gebläse kommenden Kaltgas in die Kaltgasleitung eintritt.
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Zum Stand der Technik gehört auch eine in der DE-OS 32 10 382 beschriebene
Gasturbinen-Kraftanlage mit geschlossenem Gaskreislauf und einem Kugelhaufen-Kernreaktor
als Wärmequelle, bei der der Kernreaktor in einer zentralen Kaverne eines Spannbetondruckbehälters
untergebracht ist und die wärmetauschenden Apparate in vertikalen Schächten des
Spannbetondruckbehälters installiert sind. Die wärmetauschenden Apparate umfassen
Rekuperatoren, Vorkühler, Zwischenkühler und Hilfskühlsysteme, wobei die letzten
für den Nachwärmeabfuhr-Betrieb vorgesehen sind. Der Reaktorkern wird durch abwärtsströmendes
Kühlgas gekühlt, das unten in koaxial ausgebildeten Leitungen aus der Reaktorkaverne
austritt.
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Die Hilfskühlsysteme sind jeweils übereinander in einem der vertikalen
Schächte angeordnet, und zwar beidseitig der gemeinsamen Heißgasleitung, koaxial
zu welcher die Rückführung des Kaltgases erfolgt. Jedes Hilfskühlsystem besteht
aus einem Hilfskühler und einem Gebläse mit einer Rückschlagklappe. Bei dem oberen
Hilfskühlsystem befindet sich das Gebläse oberhalb des Hilfskühlers, während es
bei dem unteren System unterhalb des Hilfskühlers vorgesehen ist.
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Ferner wird zum Stand der Technik noch die DE-OS 29 08 968 genannt,
in der ein Spannbetondruckbehälter für ein Rernkraftwerk mit einem Hochtemperaturreaktor,
mindestens einer Gasturbomaschine und wärmetauschenden Apparaten dargestellt ist.
Um die Abmessungen des Spannbetondruckbehälters relativ klein halten zu können,
ist die den Hochtemperaturreaktor aufnehmende Kaverne außermittig in dem Spannbetondruckbehälter
angeordnet. Die wärmetauschenden Apparate befinden sich in vertikalen Schächten,
die entweder um die Reaktorkaverne gruppiert oder in einem Bereich vorgesehen sind,
der neben dem die Reaktorkaverne enthaltenden Bereich liegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kernreaktoranlage
der eingangs genannten Art anzugeben, die durch die besondere Anordnung einzelner
Komponenten bei hoher Sicherheit einen vereinfachten Aufbau zeigt und zudem durch
verkleinerte Druckbehälterabmessungen kostengünstig ist. Insbesondere soll die Anlage
mit hohen Temperaturen und mit einer Leistung von 600 bis 1200 MWe betrieben werden
können und sowohl für die Erzeugung von Dampf als auch für die Lieferung von Prozeßwärme
geeignet sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht für eine Kernreaktoranlage der eingangs
genannten Art darin, daß die Reaktorkaverne in an sich bekannter Weise außermittig
in dem Spannbetondruckbehälter angeordnet ist, wobei die ersten vertikalen Schächte
und die Reaktorkaverne in nebeneinanderliegenden Bereichen des Spannbetondruckbehälters
vorgesehen sind, daß auch die von den zweiten vertikalen Schächten kommenden Kaltgasleitungen
in den oberen Bereich der Reaktorkaverne eintreten, daß in den zweiten vertikalten
Schächten in an sich bekannter Weise jeweils zwei Hilfswärmetauscher mit je einem
zugeordneten Hilfsgebläse mit Absperrorgan übereinander installiert sind, wobei
bei dem oberen Hilfswärmetauscher das Hilfsgebläse oberhalb von diesem und bei dem
unteren Hilfswärmetauscher das Hilfsgebläse unterhalb von diesem ausbaubar angeordnet
ist, und daß parallel zu den zweiten vertikalen Schächten jeweils eine Gasleitung
durch den Spannbetondruckbehälter geführt ist, die den Ausgang eines der unteren
Hilfsgebläse mit dem Bereich des betreffenden vertikalen Schachtes verbindet, aus
dem die Kaltgasleitung austritt.
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Wie für eine Gasturbinen-Kraftanlage bekannt, ist die Reaktorkaverne
außermittig in dem Spannbetondruckbehälter angeordnet.
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Hieraus ergibt sich der kleinste Außendurchmesser für den Spannbetondruckbehälter
bei einer vorgegebenen Zahl von Wärmetauschern.
Beispielsweise
würde sich bei einer Anlage mit einer Leistung von mehr als 600 MWe bei zentrischer
Anordnung der Reaktorkaverne ein um ca. 4 m größerer Außendurchmesser für den Spannbetondruckbehälter
ergeben, was bei den Kosten der Anlage eine beträchtliche Rolle spielen würde.
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Die jeweils paarweise in einem der zweiten vertikalen Schächte angeordneten
Hilfswärmetauscher dienen zur Abfuhr der Nachwärme für den Fall, daß die Hauptwärmetauscher
nicht zur Verfügung stehen. In der Regel werden sie nach Ausfall der Hauptwärmetauscher
oder von anderen Komponenten der Hauptkühlsysteme angefordert.
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Das vom Reaktorkern kommende Heißgas wird den oberen Hilfswärmetauschern
von unten und den unteren Hilfswärmetauschern von oben zugeführt. Das Kaltgas strömt
dann in die darüber bzw. darunter angeordneten Hilfsgebläse. Während das verdichtete
Kaltgas aus den oben befindlichen Hilfsgebläsen direkt der jeweiligen Xaltgasleitung
zugeführt wird, ist für die Rückführung des Kaltgases von den unteren Hilfsgebläsen
jeweils die zu dem betreffenden vertikalen Schacht parallele Gasleitung vorgesehen.
Diese Gasleitungen sind als Linerrohre ausgeführt. Auch die mit der Reaktorkaverne
in Verbindung stehenden Heißgas- und Kaltgasleitungen sind, wie an sich bekannt,
als einfache, d.h. nichtkoaxiale, Leitungen ausgeführt. Auf diese Weise werden die
schwer beherrschbaren Folgen des Bruches einer Koaxialleitung vermieden. Die Wartung
der Hilfsgebläse ist ohne Demontage möglich.
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Durch die Anordnung von Hilfswärmetauschern auf höherem Niveau als
der aktive Reaktorkern (was sich aus der Installation zweier Hilfswärmetauscher
übereinander ergibt) und der Kaltgasleitungen im oberen Kavernenbereich kann bei
Ausfall der Hilfsgebläse infolge der dadurch verursachten Umkehr der Kühlgasströmung
im Reaktorkern die Nachwärme über Naturkonvektion abgeführt werden.
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Bei Betrieb der Hilfswärmetauscher mit intakten Hilfsgebläsen bleibt
die Strömungsrichtung des Normalbetriebs im Reaktorkern erhalten, da die Hilfsgebläse
das Kaltgas in gleicher Weise in den oberen Bereich der Reaktorkaverne einspeisen
wie die Hauptgebläse. Die unteren Bereiche der Hauptwärmetauscher sind so ausgebildet,
daß sich in den Hauptwärmetauschern keine heiße Konvektionsströmung bei Betrieb
der Hilfswärmetauscher einstellen kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprtchen
sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit
den schematischen Zeichnungen zu entnehmen.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 die Draufsicht auf eine Kernreaktoranlage
gemäß der Erfindung sowie - in Fiur 1 snth1tn -Figur 2 einen Horizontalschnitt nach
der Linie II-II der Figur 3, Figur 3 einen Vertikalschnitt nach der Linie III-III
der Figur 1.
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Die Figuren lassen einen zylindrischen Spannbetondruckbehälter 1 erkennen,
dessen Wickelvorspannung 2 in der Figur 1 nur angedeutet ist. Der Spannbetondruckbehälter
1 umschließt eine Kernreaktoranlage mit einem Hochtemperaturreaktor 3, dessen Kern
aus einer Schüttung 4 kugelförmiger Brennelemente besteht und eine Leistung von
600 bis 1200 MWe liefert. Die Schüttung 4 wird von oben nach unten von Helium als
Kühlgas durchströmt, das die aufgenommene Wärme an vier Hauptwärmetauscher 5, in
diesem Falle Dampferzeuger, abgibt.
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Der Spannbetondruckbehälter 1 ist auf einer Ringstützwand 6 aufgelagert,
die an der Behälteraußenseite vorgesehen ist und sich auf einer (nicht dargestellten)
Fundamentplatte abstützt. Sie ist sowohl mit dem Behälter als auch mit der Fundamentplatte
biegesteif verbunden, um Zwängungen zwischen dem Spannbetondruckbehälter 1 und der
Fundamentplatte zu vermeiden. Die Ringstützwand 6 besteht zudem aus vier Segmenten
7, die in Umfangsrichtung auf ihrer ganzen Höhe geschlitzt sind, so daß Zwängungen
infolge radialer Verformung des Behälters vermindert werden.
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Der Hochtemperaturreaktor 3 ist in einer außermittigen Kaverne 13
in dem Spannbetondruckbehälter 1 angeordnet. Die Schüttung 4> der Brennelemente
ist allseitig von einem Reflektor 8 umgeben, dessen Bodenteil vier Abzugsrohre 9
für die Brennelemente aufweist. Der Bodenteil besteht aus mehreren Lagen von Graphitblökken
36, die zu Säulen formiert sind. Jede Säule ruht auf einer runden Tragsäule 37.
Die unterste Lage der Graphitblöcke 36 weist eine größere Länge als die Tragsäulen
37 auf, so daß auch bei Bruch einer Tragsäule 37 der Verband des Bodenteils erhalten
bleibt und keine Brennelemente austreten können.
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Durch eine Anzahl von durch die Behälterdecke geführten Beladerohren
10 werden die Brennelemente in den Kern 4 eingebracht.
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Die Regelung und Abschaltung des Hochtemperaturreaktors 3 wird mit
Hilfe von Kernabsorberstäben 11 und Reflektorabsorberstäben 12 vorgenommen, die
verfahrbar in Durchdringungen der Behälterdecke angeordnet sind. Außerdem ist eine
diversitäre Abschalteinrichtung vorhanden, die aus vielen kleinen Absorberkugeln
besteht, welche durch Rohre 14 in die Schüttung 4 eingebracht werden können.
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Die vier Hauptwärmetauscher 5 sind jeweils in einem vertikalen Schacht
15 installiert, und oberhalb jedes Hauptwärmetauschers 5 ist im gleichen Schacht
ein ihm zugeordnetes Hauptgebläse 16 untergebracht.
Jeder Schacht
15 ist mit einem eingesetzten vorgespannten Bodendeckel 17 abgeschlossen, der sich
an seinem oberen Rand über Pendel stützen 19 an dem Spannbetondruckbehälter 1 abstützt.
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In zwei kleineren vertikalen Schächten 20, die sich durch die ganze
Höhe des Spannbetondruckbehälters 1 erstrecken, sind übereinander zwei Hilfswärmetauscher
21 angeordnet, wobei die oberen Hilfswärmetauscher auf höherem Niveau als die Schüttung
4 der Brennelemente liegen. Jedem Hilfswärmetauscher 21 ist ein Hilfsgebläse 22
mit Absperrorgan zugeordnet, das über bzw. unter ihm installiert ist. Die vertikalen
Schächte 20 sind ebenfalls mit eingesetzten vorgespannten Betondeckeln 23 abgeschlossen,
die sich über Pendel stützen 19 abstützen und ein Mannloch 18 aufweisen. Das Vorhandensein
der Mannlöcher 18 ermöglicht es, daß alle Haupt- und Hilfsgebläse ohne Demontage
gewartet und in den Schächten kurzfristige Kontroll-, Instandhaltungs- und Reparaturmaßnahmen
durchgeführt werden können. Alle Betondeckel 17 und 23 sind mittels Omega-Dichtungen
mit Durchflußbegrenzung abgedichtet.
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Die oben angeordneten Hilfswärmetauscher 21 sind je mit einem Auffangbehälter
24 für Leckwasser ausgerüstet, der unterhalb von ihnen installiert ist und die Aufgabe
hat, bei Rohrreißern in einem der oberen Hilfswärmetauscher 21 den darunter liegenden
Hilfswärmetauscher 21 vor Folgeschäden zu schützen. Parallel zu jedem vertikalen
Schacht 20 ist eine als Linerrohr ausgeführte Gasleitung 25 durch den Spannbetondruckbehälter
1 gelegt, die im Bereich des unteren Hilfsgebläses 22 aus dem Schacht 20 austritt
und im Bereich der (noch zu beschreibenden) Kaltgasleitung in den gleichen Schacht
20 mündet.
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Die vertikalen Schächte 15 für die Hauptwärmetauscher 5 sind auf einem
Teilkreis um die Mittelachse der Reaktorkaverne 13 angeordnet,
wobei
der Druckbehälterbereich, in dem sich die außermittige Reaktorkaverne 13 befindet,
von vertikalen Schächten 15 freigehalten ist. Die beiden kleineren vertikalen Schächte
20 schließen sich auf beiden Seiten an die Reihe der vertikalen Schächte 15 an.
Alle vertikalen Schächte 15 und 20 sind, von der Reaktorkaverne 13 ausgehend, jeweils
unter einem Winkel von 300'zueinander angeordnet.
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Außer diesen großen Ausnehmnungen weist der Spannbetondruckbehälter
1 eine Anzahl von kleineren Durchdringungen wie Befahr-Öffnungen 26 und Besichtigungsöffnungen
27 für Inspektionen und ggfs. Instandsetzungen auf, wobei sich die Befahröffnungen
im Boden und die Besichtigungsöffnungen in der Decke des Druckbehälters befinden.
Ferner sind noch mehrere drucklose Schächte 28 in dem Spannbetondruckbehälter 1
vorgesehen, in denen die Rohre des Kühlsystems und Leckdetektionssystems des den
Druckbehälter abdichtenden Liners gesammelt werden.
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Die vertikalen Schächte 15 stehen mit der Reaktorkaverne 13 jeweils
durch zwei Gasleitungen in Verbindung, durch die Heißgasleitung 29, die seitlich
unten aus der Reaktorkaverne 13 austritt, und durch die Kaltgasleitung 30, die in
den oberen Bereich der Reaktorkaverne 13 einmündet. Auf die gleiche Weise sind die
beiden vertikalen Schächte 20 mit der Reaktorkaverne 13 verbunden, nämlich jeweils
durch eine Heißgasleitung 31 und eine Kaltgasleitung 32.
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Die Zuführung und Abführung des Kühlwassers zu den Hilfswärmetauschern
21 erfolgt jeweils durch ein Leitungssystem 33. Das Sekundärmedium für die Hauptwärmetauscher
5 wird durch Leitungen zu-und abgeführt, die aus dem Kaltgasbereich der Hauptwärmetauscher
5 austreten und seitlich durch den Spannbetondruckbehälter 1 nach außen geführt
sind. Für jeden Hauptwärmetauscher 5 ist eine Speisewasserleitung
34
und eine Frischdampfleitung 35 vorgesehen, die beide mit einer solchen Neigung zueinander
aus dem Spannbetondruckbehälter geführt sind, daß sie die Behälteraußenseite etwa
auf gleicher Höhe durchdringen. Da im Bereich des Austritts dieser Leitungen die
Wickelvorspannung 2 entfallen muß, ist diese Anordnung sehr vorteilhaft. Oberhalb
und unterhalb des genannten Bereichs ist eine verstärkte Wicklung vorgesehen. Die
horizontale bzw. annähernd horizontale Herausführung der Frischdampfleitungen 35
und Speisewasserleitungen 34 hat auch den Vorteil, daß die innerhalb der Hauptwärmetauscher
5 auftretenden unterschiedlichen Wärmedehnungen gering sind und daher einfach gebaute
Kompensationsrohrschleifen mit relativ geringen Abmessungen verwendet werden können.
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Im Leistungsbetrieb wird die im Kern des Hochtemperaturreaktors 3
erzeugte Wärme durch die vier Hauptkreisläufe, die je aus einem der Hauptwärmetauscher
5, einem der Hauptgebläse 16 mit Absperrorgan und einer Heißgasleitung 29 und Kaltgasleitung
30 bestehen, an die sekundären Wasserdampfkreisläufe übertragen. Bei Schäden an
einzelnen Kreisläufen ist ein Betrieb mit weniger als vier Hauptkreisläufen vorgesehen,
wozu die geschädigten Kreisläufe durch die zugehörigen Absperrorgane abgetrennt
werden. Die abgeschalteten Hauptkreisläufe werden in Gegenrichtung von einem geringen
Kaltgasstrom durchströmt.
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Für die Nachwärmeabfuhr stehen die paarweise in den beiden vertikalen
Schächten 20 angeordneten Hilfswärmetauscher 21 zur Verfügung. Jeder aus einem Hilfswärmetauscher
21, einem Hilfsgebla se 22 und den dazugehörigen Gasleitungen bestehende Hilfskreislauf
ist so ausgelegt, daß er allein zur Abfuhr der Nachwärme ausreicht, wenn der Hochtemperaturreaktor
3 unter Betriebsdruck steht. Bei einem Druckentlastungsstörfall werden zwei der
Hilfskreisläufe benötigt. Die Nachwärmeabfuhr kann nach betrieblichen Abschaltungen
wie auch in Störfällen sowohl mit den HauptkAhlkreisläufen
als
auch mit den Hilfskühlkreisläufen erfolgen. Nach Ausfall der Hauptkühlkreisläufe
und ihrer wasserseitigen Notspeisewassersysteme werden die Hilfskühlkreisläufe in
der Regel angefordert.
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Beim Nachwärmeabfuhrbetrieb strömt das Kühlmittel Helium bei Beaufschlagung
eines der unteren Hilfswärmetauscher 21 über die eine Heißgasleitung 31 in den einen
vertikalen Schacht 20 und in diesem an dem Wärmetauschermantel entlang nach oben,
tritt dann in den Hilfswärmetauscher 21 ein und durchströmt diesen, wobei es sich
abkühlt. Das Kaltgas gelangt nun in das zugehörige HilfsJ gebläse 22 und tritt danach
in die Gasleitung 25 ein, in der es nach oben strömt. Durch den vertikalen Schacht
20 kommt es schließlich in die Kaltgasleitung 32 und strömt in die Reaktorkaverne
13 zurück.
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Wird einer der oberen Hilfswärmetauscher 21 beaufschlagt, so strömt
das Helium zunächst ebenfalls über die Heißgasleitung 31 in den vertikalen Schacht
20 und steigt nach oben. Es tritt sodann durch Öffnungen in dem Leckwasser-Auffangbehälter
24 von unten in den oberen Hilfswärmetauscher 21 ein, durchströmt diesen, kühlt
sich ab und durchströmt das obere Hilfsgebläse 23.
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Darauf wird das Kaltgas umgelenkt, tritt in die Kaltgasleitung 32
ein und gelangt durch diese in die Reaktorkaverne 13 zurück.
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