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Diese Vorrichtung bezieht sich auf einen
verbesserten Regelstab zum Einsatz in Kernreaktoren mit einem Kern
aus spaltbarem Brennstoff.
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Kommerzielle Kernspaltungsreaktoren zur
Energieerzeugung umfassen normalerweise einen Kern aus spaltbarem
Brennstoff, bei dem das Brennstoffmaterial innerhalb
rohrartiger Metallbehälter abgedichtet ist. Diese rohrartigen
Behälter mit dem Brennstoff werden in gesonderten Bündeln oder
Einheiten angeordnet oder gruppiert, die häufig innerhalb
eines offenendigen Gehäuses eingschlossen sind, das in der
Kernbrennstoff-Industrie als ein "Kanal" bekannt ist. Die
gesonderten Brennstoffbündel bzw. Brennelemente werden zum
Einsatz innerhalb des Kernreaktors zusammengesetzt, um einen
Kern in vorbestimmten Mustern zu schaffen. Die
zusammengebauten Bündel werden voneinander im Abstand angeordnet, um
Zwischenspalte zwischen jedem Bündel bzw. Element zu schaffen,
die einen umgebenden Bereich für die Kühlmittelströmung und
für die Einführung einer Reaktor-Regeleinrichtung, die
Neutronen absorbierendes Material umfaßt, bildet.
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Eine Kernreaktor-Regeleinrichtung besteht
typischerweise aus Neutronen absorbierende Zusammensetzungen
enthaltenden Komponenten, die mit Bezug auf den Kernkörper aus
Neutronen emittierendem Brennstoff, der Spaltungen
unterliegt, hin und her bzw. reziprok bewegt werden können. Die
Geschwindigkeit der Spaltungsreaktion und der dadurch er
Zeugten Warme wird durch Beherrschen der Verfügbarkeit von durch
Spaltungen erzeugten Neutronen für die Weiterführung der
Spaltungsreaktion und zur Bestimmung der Größenordnung der
Reaktion reguliert.
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In einem konventionellen Kernreaktor absorbieren
spaltbare Atome, wie Uranisotope und Plutonium, Neutronen in
ihren Kernen und unterliegen einer Kernspaltung oder
-aufspaltung. Diese Spaltung erzeugt im Mittel zwei Produkte
geringeren Atomgewichtes und größerer kinetischer Energie und
typischerweise zwei oder drei Neutronen von ebenfalls hoher
Energie.
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Die so erzeugten Spaltungsneutronen diffundieren
durch den spaltbaren Brennstoff enthaltenden Kern und werden
in mehreren unterschiedlichen, im Wettbewerb stehenden
Mechanismen entweder genutzt oder gehen darin verloren. Einige
Neutronen können zu den Kerngrenzen wandern und dadurch
entweichen, wodurch sie aus dem System verloren gegangen sind.
Einige Neutronen werden im Brennstoffmaterial eingefangene
ohne eine Spaltung zu verursachen, oder sie verursachen eine
Strahlung. Andere Neutronen werden innerhalb des spaltbaren
Brennstoffes unter Spaltung eingefangen und sie erzeugen
dadurch zusätzliche Spaltungsneutronen, die sogenannte
Kettenreaktion. Neutronen werden im Uran 235 und 238 eingefangen,
während thermische Neutronen in Uran 235 eingefangen werden.
Noch andere Neutronen werden in den verschiedenen äußeren und
nicht spaltbaren Zusammensetzungen des Kernes und der
benachbarten Komponenten, wie des Moderators, Kühlmittels,
verschiedener
Baumaterialien, innerhalb des Brennstoffes
erzeugter Spaltprodukte sowie den Reaktor-Regelelementen
parasitär eingefangen.
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Der Ausgleich zwischen der Spaltungsproduktion von
Neutronen und den verschiedenen im Wettbewerb stehenden
Mechanismen für den Neutronenverbrauch bestimmen, ob sich eine
Spaltungsreaktion selbst aufrechterhält, abnimmt oder
zunimmt. Erhält sich die Spaltungsreaktion selbst aufrecht,
dann ist der Neutronen-Multiplikationsfaktor gleich 1,00, die
Neutronen-Population bleibt konstant und im Mittel bleibt ein
Neutron von jeder Spaltung übrig, das eine folgende Spaltung
eines Atomes induziert.
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Durch die Spaltungsreaktionen erzeugte Wärme ist
kontinuierlich und wird aufrechterhalten, so lange genügend
spaltbares Material im Brennstoffsystem vorhanden ist, um die
Wirkungen der durch die Reaktion gebildeten Spaltprodukte,
von denen einige eine hohe Kapazität zur Absorption von
Neutronen haben, überzukompensieren. Die durch die
Spaltungsreaktionen erzeugte Wärme wird durch ein Kühlmittel, wie
Wasser, abgeführt, das in Kontakt mit den rohrförmigen
Brennstoffbehältern durch den Kern zirkuliert und sie zu einer
Einrichtung für ihre Nutzung, wie zur Erzeugung elektrischer
Energie, überträgt.
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Die Neutronen-Population und die dadurch erzeugte
Wärme oder Energie einer Kernreaktion hängt von dem Ausmaß
ab, zu dem Neutronen durch Einfangen in nicht spaltbarem
Material verbraucht oder vergeudet werden. Der
Neutronenverbrauch dieser Art wird reguliert durch Beherrschen der
relativen Menge von Neutronen absorbierendem Regelmaterial, das
in den Kern aus spaltbarem Brennstoff, der Spaltreaktionen
unterliegt, eingeführt wird.
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Regelvorrichtungen umfassen Elemente, die Neutronen
absorbierendes Material enthalten, die üblicherweise in Form
von Stäben, Platten oder Schaufeln geschaffen sind. Die
Elemente sind mit mechanisch- oder Flüssigkeits-betriebenen
Einrichtungen zur reziproken Bewegung in den und aus dem Kanal
aus spaltbarem Material in irgendeinem geeigneten Ausmaß oder
irgendeiner geeigneten Tiefe versehen, um die erwünschte
Neutronen-Population und in Abhängigkeit davon das erwünschte
Reaktionsniveau zu erzielen.
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Übliche Neutronen absorbierende Materialien
schließen elementare oder Verbindungs-Formen von Bor, Cadmium,
Gadolinium, Europium, Erbium, Samariuin, Hafnium, Dysprosium,
Silber und Indium ein.
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Kommerzielle Kernreaktoren zur Energieerzeugung
sind von einer solchen Größenordnung, daß die
Regeleinrichtung oder die Regelsysteme eine Vielzahl von Regeleinheiten
oder -stäben umfassen. Jede einzelne Regeleinheit oder jeder
einzelne Stab ist selektiv und reziprok zu verschiedenen
Eindringgraden in den Brennstoffkern einführbar, indem man ihn
zwischen die gesonderten Bündel gruppierter rohrförmiger
Brennstoffbehälter durch die Räume oder Spalte einführt, die
in der Baueinheit aus Brennstoffbündeln vorgesehen sind. Ein
übliches Design für Regelstäbe, wie in der US-A-3,020,888 und
der DE-A-37 21 627 gezeigt, besteht aus einem Element mit
vier Platten bzw. Schaufeln, die Neutronen absorbierendes
Material enthaltende Hüllen umfassen, die einen kreuzförmigen
Querschnitt aufweisen, wodurch die vier Platten sich radial
in rechten Winkeln zueinander erstrecken. Bei dieser
Designkonfiguration ist jedes Regelstabelement in die Räume
zwischen vier benachbarten Brennelementen der Kern-Baueinheit
einführbar und regelt den Neutronenfluß oder die
Neutronendichte, die von dem sich spaltenden Brennstoff der vier
Bündel emittiert wird.
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Die Konstruktionsdesigns, -materialien,
-betriebsmechanismen und -funktionen einer typischen Regeleinrichtung
für wassergekühlte und -moderierte Kernspaltungsreaktoren für
die kommerzielle Energieerzeugung ist detailliert im Stand
der Technik veranschaulicht und beschrieben, z. B. in den US-
PSn 3,020,781; 3,020,888; 3,217,307; 3,395,781; 3,397,759;
4,285,769; 4,624,826 und 4,676,948 und an anderer Stelle in
der sich mit Kernreaktoren befassenden Literatur. Die
Offenbarungen
der vorgenannten PSn werden durch Bezugnahme hierin
aufgenommen.
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Die Erfindung umfaßt eine verbesserte
Regelvorrichtung für Kernspaltungsreaktoren, umfassend wie in den
Ansprüchen ausgeführt, eine Kombination einer einzigartigen
Konstruktion und Anwendung von Neutronen absorbierendem
Material, insbesondere geeignet zum Einsatz in wassergekühlten und
-moderierten Kernspaltungsreaktoren.
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In der beigefügten Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische, teilweise
weggeschnittene Ansicht einer Regelvorrichtung, die Hafnium als
das Neutronen absorbierende Material benutzt;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der
Regelvorrichtung nach Fig. 1 längs der Linie A-A;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht der
Regelvorrichtung von Fig. 1 längs der Linie B-B;
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Fig. 4 eine Seitenansicht eines Rohres aus
Hafniummetall der Regelvorrichtung, wobei Teile weggeschnitten sind;
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Rohres aus
Hafniummetall nach Fig. 4 längs der Linie C-C und
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Fig. 6 eine Befestigung für das Rohr aus
Hafniummetall an der oberen Trägerstruktur, wobei ein Teil im
Schnitt gezeigt ist.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnung wird
diese Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf ein übliches
kommerzielles Design für Regelvorrichtungen für
Kernspaltungsreaktoren veranschaulicht, bei denen die Regelelemente
in der bevorzugten Ausführungsform einen kreuzförmigen
Querschnitt haben. Die Regelvorrichtungen mit kreuzförmigen
Regelelementen und ihr Einsatz bei Brennstoffkern-Baueinheiten
sind im Stand der Technik, der die oben ganannten US-PSn
umfaßt, gezeigt und beschrieben.
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Die Regelvorrichtung 10 umfaßt eine Basis 12, die
an einen (nicht gezeigten) Antriebsmechanismus für die
Regelvorrichtung gekoppelt ist, und die einen Rahmen 14 des
Neutronen absorbierenden Elementes trägt, der ein oberes
Trägerteil
16 und ein unteres Trägerteil 18 sowie einen
langgestreckten zentralen Stabträger oder Haltestab 20 einschließt,
der das obere und untere Trägerteil verbindet. Das obere
Trägerteil 16 kann auch als ein Handgriff zur Erleichterung des
Transportes und der Betätigung der Vorrichtung dienen.
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In der bervorzugten kreuzförmigen Ausführungsform
für das Element dieser Erfindung umfassen das obere
Trägerteil 16 und das untere Trägerteil 18 jeweils vier sich radial
erstreckende Arme, die in etwa 900 mit Bezug auf benachbarte
Arme unter Bildung des Kreuzes vorstehen. Der zentrale
Stabträger 20, der das obere Trägerteil 16 und das untere
Trägerteil 18 verbindet, hat ebenfalls vorzugsweise eine
kreuzförmige Konfiguration mit vier kurzen Armen relativ geringer
radialer Erstreckung mit Bezug auf die Arme, die vom oberen
Trägerteil 16 und vom unteren Trägerteil 18 aus vorstehen.
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Die vier sich radial vom oberen Trägerteil 16 und
vom unteren Trägerteil 18 erstreckenden Arme und die vier
kurzen radialen Arme des zentralen Stabträgers 20 sind
jeweils in einer Ebene mit ihrem Gegenüber ausgerichtet, um
eine Kreuzkonfiguration zu schaffen. Die vier Arme des oberen
Trägerteiles 16 und des unteren Trägerteiles 18 enden auch im
wesentlichen gleich mit Bezug aufeinander.
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Eine Metallhülle 22 erstreckt sich von jedem Arm
des oberen Trägers 16 zu dem jeweils gegenüberliegenden Arm
des unteren Trägers 18 und verläuft benachbart dem zentralen
langgestreckten Stabträger 20 entlang seiner Länge. Die Hülle
22 umfaßt typischerweise ein U-förmiges Metallblech, das die
schaufelartige Konfiguration enthält und eine innere Weite
vergleichbar der Dicke der Arme des oberen und unteren
Trägers hat. Vorzugsweise ist jede Hülle an den jeweils
benachbarten Armen des oberen Trägerteiles 16 bzw. unteren
Trägerteiles 18 und auch am zentralen Stabträger 20 durch geeignete
Mittel, wie Schweißen, befestigt. Die Hülle 22 ist auch mit
einer Vielzahl von Öffnungen 24 für den Durchgang von
Kühlmittel versehen. Es wird klar sein, daß die Struktur des
vorgenannten Rahmens 14 und seiner Komponenten normalerweise aus
korrosionsbeständigem Stahl oder ähnlichen
korrosionsbeständigen Metallen konstruiert ist.
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In dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt die
Neutronen absorbierende Komponete des
Regelvorrichtungselementes die Kombination von Hafniummetall, das in der
spezifischen Form einer Vielzahl abgeflachter hohler Rohre, die
mit Öffnungen in den Rohrwandungen, im wesentlichen wie
veranschaulicht, versehen sind. Die abgeflachten hohlen Rohre
umfassen eine Struktur von zwei im wesentlichen parallelen
Seiten verschiedener vorbestimmter Dicken in enger
Nachbarschaft, die entlang ihrer Länge mit Bögen geringen Radius
miteinander verbunden sind.
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Wie insbesondere die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, ist
eine Vielzahl abgeflachter hohler Rohre 26 aus Hafniummetall
parallel zueinander angeordnet und vertikal innerhalb jeder
Hülle 22 der Regelvorrichtung mit dem zentralen Stabträger 20
ausgerichtet, wie die Rohre 26, 26' und 26". Die
abgeflachten hohlen Rohre 26 aus Hafnium sind vorzugsweise durch eine
geeignete Befestigung an dem jeweiligen Arm des oberen
Trägerteiles 16 abgestützt. Maßnahmen zum Befestigen der
Hafniumrohre an dem oberen Trägerteil 16 sind in der US-A-
4,676,948 offenbart, und eine vorteilhafte Einrichtung ist in
Fig. 6 veranschaulicht. Wie gezeigt wird eine komplementäre
Hakeneinheit 28-28' geschaffen durch Befestigen, wie durch
Schweißen, einer Hakenkomponente 28 am Oberteil des
Hafniumrohres 26 und der anderen Hakenkomponente 28' am oberen
Trägerteil 16. Eine solche Anordnung gestattet den leichten
Ersatz sowie den leichten anfänglichen Zusammenbau.
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Die Vielzahl von Neutronenabsorber-Rohren 26 aus
Hafnium, die innerhalb der Hülle 22 an dem oberen Trägerteil
16 befestigt ist, erstreckt sich nach unten bis vorzugsweise
kurz vor dem Kontakt mit dem unteren Trägerteil 18. Durch das
freie Hängen können sich die Hafniumrohre aufgrund der
thermischen Expansion und/oder des Strahlungswachstums ohne
Ausüben von Spannungen oder anderen Verformungskräften auf die
Rahmenteile ausdehnen.
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Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, können bei dieser
Ausführungsform der Erfindung die Wandstärke und damit die
Masse jeder abgeflachten Seite des Rohres aus Hafniummetall-
Neutronenabsorber 26, die innerhalb jeder Hülle
zusammengebaut sind, variiert und eingestellt werden, um selektiv die
Neutronenabsorptions-Fähigkeit des Elementes, das sich
entlang der äußeren Reichweite des sich radial erstreckenden
absorbierenden Bleches bis zu den ungleichmäßigen
Neutronenfluß-Bedingungen entlang seiner Oberfläche im Betrieb
anzupassen. Im allgemeinen ist die Neutronenflußdichte an der
äußersten Peripherie der Schaufeln am größten, und am
geringsten ist sie in einem Zwischenbereich ihrer äußeren
Reichweite. Die Neutronen absorbierende Masse wird daher so
bemessen, daß sie den Anforderungen des variierenden
Neutronenflußfeldes entspricht. Dies sorgt dafür, daß die
Neutronen absorbierende Masse des Regelelementes genügend
Neutronenabsorptionskapazität aufweist, um ihre vorgesehene
Funktion zu erfüllen, ohne daß zuviel von dem teuren und schweren
Hafnium eingesetzt wird.
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In ähnlicher Weise kann, wie in Fig. 4 gezeigt, die
Dicke der Seitenwand und damit die Masse jedes Rohres aus
Hafniummetall-Neutronenabsorber 26, das in der Hülle 22
zusammengesetzt ist, variiert und eingestellt werden, um
selektiv die Neutronen-Absorptionsfähigkeit des absorbierenden
Bleches entlang seiner Länge vom Oberteil bis zum Boden des
Elementes für den gleichen Zweck anzupassen. Das
aufeinanderfolgende Variieren der Wandstärke des Absorberrohres in
irgendeiner wirksamen Anordnung zur Anpassung an die variablen
Neutronenfluß-Bedingungen entlang der Länge des Elementes
kann erfolgen durch Vereinen verschiedener Abschnitte
abgeflachter hohler Rohre aus Hafnium mit unterschiedlicher
Wandstärke. Eine geeignete Einrichtung zur Erzielung dieses
Aspektes der Erfindung umfaßt das Verschweißen einer Reihe von
zwei oder mehr Rohrsegmenten, die Ende an Ende aneinander
liegen, um die Segmente in einer kontinuierlichen Einheit zu
verbinden. Diese vertikale Maßarbeit zur Anpassung der
Neutronen-Absorptionskapazität an das Neutronenfluß- oder
-dichtemuster, das über die Hülle oder Schaufeloberfläche
vorhanden ist, vermeidet ebenfalls die unnötige Anwendung
eines Überschusses des teuren und schweren Hafniummetalls
über die Notwendigkeit für das variable Neutronenflußfeld
hinaus.
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Die Hülle 22 der Regelvorrichtung und die Rohre 26
aus Hafniummetall sind beide mit einer Vielzahl von Öffnungen
24 und 30 durch ihre Wandungen versehen, die für den
Durchgang oder die Strömung von Umgebungsflüssigkeit in den und
aus dem Innenbereich sorgen. Die Ermöglichung des Eintrittes
und die Anwesenheit von Kühlmittel innerhalb der abgeflachten
hohlen Rohre 26 aus Hafniummetall sorgt für eine angeordnete
Kombination von Substanzmedien, die eine sogenannte
Neutronen-"Flußfalle" bilden, eine wirksamere Einrichtung zum
Verringern der Energie und zum Einfangen von Neutronen.
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Die Regelstabvorrichtungen mit langer
Gebrauchsdauer in wassergekühlten und -moderierten Spaltungsreaktoren
nutzen ein Betriebsprinzip, bei dem das Neutronenmaterial in
einem geringen Bereich konzentriert ist, um ein Neutronen-
Selbstabschirmen zu schaffen. Die Selbstabschirmungs-Wirkung
verzögert die Absorption von Neutronen innerhalb des
Absorbers, bis merkliche Absorptionen an den äußeren Regionen
stattgefunden haben. Diese Verzögerung verlängert die
Brauchbarkeit der Regelvorrichtung.
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Das Prinzip, das der sogenannten "Flußfalle"
zugrunde liegt, ist die Entfernung von etwas von dem
Absorbermaterial und dessen Ersatz mit Moderator, wobei das
Absorbermaterial vom Inneren der Absorbereinheit entfernt werden muß.
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Die Struktur beinhaltet und fördert das Neutronen-
"Flußfallen"-System durch Schaffung der Strömung von Wasser-
Kühlmittel/Moderator in und durch das hohle Innere der
Hafniummetall-Rohre. In der "Flußfalle" der Konstruktion dieser
Erfindung werden die eine höhere Energie aufweisenden
Neutronen, die anfänglich ohne eine Wechselwirkung durch die
Metallabsorber-Wandung dringen, nachfolgend durch den inneren
Wassermoderator moderiert, d. h. im Energieniveau abgesenkt,
und dann werden sie in der inneren Oberfläche der hohlen
Absorberrohre absorbiert. Diese "Flußfallen"-Wirkung
kompensiert die Verminderung des Absorbermaterials aufgrund des
hohlen Inneren des Hafniumrohres, und sie sorgt dafür, daß
die Einheit den gleichen Reaktivitätswert aufrechterhält wie
eine Regelvorrichtung mit massivem Metalldesign. Es gibt
daher einen deutlichen Nutzen im verminderten Gewicht und in
geringeren Kosten, insbesondere bei Hafniummetall, das
außerordentlich schwer und teuer ist.
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Durch die beschriebene Ausführungsform wurde somit
eine verbesserte Regelvorrichtungsstruktur für
Kernspaltungsreaktoren geschaffen, die für die effektive Nutzung des
Neutronen absorbierenden Materials durch verringertes Gewicht
und geringere Kosten sorgt (besonders wenn es Hafniummetall
ist). Seine Komponenten gestatten eine einfache Konstruktion
von Einheiten mit variablen Neutronen absorbierenden
Kapazitäten über ihre Länge und Breite, die ausgewählt werden
können, um die Absorptionskapazität der Vorrichtung an die
ungleichmäßigen Neutronendichten im Betriebsbereich anzupassen
und dadurch eine Ersparnis zu erzielen, indem nicht
erforderliches Absorptionsmaterial weggelassen werden kann. Darüber
hinaus sorgt die verbesserte Regelvorrichtung für eine
Kühlmittelströmung, insbesondere Wasser, im Inneren derselben,
wobei die Anwesenheit von Wasser in flüssiger Form die
Neutronenmoderation und das Einfangen in einer sogenannten
Neutronen-"Flußfalle" maximiert.
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Die beschriebene Regelvorrichtung vermindert die
nachteiligen Wirkungen der strukturellen Verformung oder
eingeführter Spannungen, die durch Unterschiede in der
thermischen Expansion und/oder im Strahlungswachstum verursacht
werden, die aus verschiedenen Materialien und/oder regionalen
Variationen im Strahlungsniveau resultieren, sie sorgt auch
für die Aufrechterhaltung von Toleranzen in der Struktur des
Neutronen absorbierenden Materials für eine dauerhafte
Leistungsfähigkeit.
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Wird Hafnium als das Neutronen absorbierende
Material benutzt, dann ist die Struktur besonders vorteilhaft
hinsichtlich der Maximierung der Vorteile von Hafnium,
während seine Nachteile minimiert werden, wobei die Struktur
weitere Vorteile schafft.