WO1994005013A1 - Steuersäule aus einem brennelement und einem absorberelement für einen kernreaktor - Google Patents

Steuersäule aus einem brennelement und einem absorberelement für einen kernreaktor Download PDF

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Peter Rau
Alfons Roppelt
Walter Sauermann
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00—Control of nuclear reaction
    • G21C7/06—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
    • G21C7/08—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
    • G21C7/10—Construction of control elements
    • G21C7/103—Control assemblies containing one or more absorbants as well as other elements, e.g. fuel or moderator elements
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • Control column consisting of a fuel element and an absorber element for a nuclear reactor
  • the invention relates to a control column consisting of a fuel element and an absorber element in accordance with the preamble of claim 1 and to a fuel element and an absorber element of this control column.
  • Control columns of this type in which an absorber element is coupled to the upper end of a fuel element via coupling parts, are used in Soviet-type pressurized water reactors.
  • the fuel element contains a fuel enclosed in metallic structural parts, which extends from a lower fuel edge to an upper fuel edge, while the absorber element arranged below metallic upper parts and held by metallic structural parts is made of absorber material rial contains that extend to a lower edge of the absorber.
  • the structural parts protrude from the top of the fuel element over the top of the fuel and are designed as coupling parts there. They engage in corresponding mating coupling parts, • which are formed below the bottom edge of the absorber by protruding structural parts of the absorber element.
  • the top edge of the fuel and the bottom edge of the fuel do not coincide with the ends of fuel rods which are designed as gas-tightly sealed tubes filled with fuel. Rather, these tubes contain gas collecting spaces above the upper edge of the fuel and below the lower edge of the fuel for gas to occur during operation. fission products.
  • the fuel-containing active zone of the fuel assembly thus begins above the lower ends of the fuel rod and ends below the upper ends.
  • control column At full reactor output, the control column is in a position in which its fuel assembly is approximately at the same level as the fuel assembly, which is arranged in the reactor core next to the control column.
  • the active zone of the fuel element thus coincides with the active zone of the core, which is determined by the active zones of the other fuel elements.
  • the column In order to reduce the power, the column is shifted axially, a part of the control column now being moved into the active zone of the core, which part contains neither fuel nor absorber material, but rather coupling and structural parts. These parts only displace a relatively small volume of water, so that there is increased moderation in this area. This situation almost always arises with partial modulation.
  • the invention is based on the object of specifying a control column which, compared to the conditions in conventional control columns, produces a more uniform distribution of neutron flux and power, or a suitable absorber element and fuel element.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an exemplary embodiment 20. of the fuel element of the invention
  • Figure 2 shows a longitudinal section through a corresponding
  • Figure 3 shows a longitudinal section through the coupling parts of the 25 two elements in the coupled state.
  • the fuel assembly (BE) has a foot part 1, which is followed by a fuel assembly box 2 reaching up to the head part 3.
  • the foot part, box and head part have a hexagonal cross section.
  • a central sleeve 5 connects a base plate 4 to a cover plate 6, between which fuel rods 7 are arranged. 35
  • These fuel rods are tubes parallel to the column axis, which are filled with fuel approximately up to the upper edge HF of the fuel and are sealed gas-tight above this upper edge HF. Accordingly, the filling often only extends to a lower fuel edge HL lying above the base plate 4. The levels HL and HF thus limit the active zone of the fuel assembly. If the fuel element is fully retracted, these levels lie on the edges of the active zone of the reactor core.
  • These tubes are fastened at the bottom to the base plate 4 by means of brackets 9, while the corresponding brackets 10 on the cover plate 6 carry pins 15 which protrude at these positions between the normal fuel rods filled with fuel.
  • These pins contain a material with increased neutron absorption, for example a silver-indium-cadmium filling which is inherently susceptible to corrosion and which. is surrounded by a corrosion-resistant jacket.
  • a preferred fuel element of the control column according to the invention thus contains a bundle of fuel rods which sit in the fictitious meshes of a regular grid, in particular a hexagonal grid, and each have a column of fuel surrounded by a gas-tightly clad cladding tube, with a gas above the fuel rods - Collection room is provided. These fuel rods extend approximately from the base plate 4 to the vicinity of the cover plate 6.
  • the fuel rods are held in some axial positions by spacers (not shown) with a corresponding lattice structure, but some meshes of the lattice are not occupied by fuel-containing fuel rods or at most are occupied by those fuel rods which only burn in a lower part of the element - contain fabric.
  • Arranged in these meshes of the fictitious lattice are pins made of absorber material, which practically extend through the cover plate to the top edge of the fuel element. These pins can form the upper part of the fuel rods mentioned, which only contain fuel in the lower part.
  • the absorber pins compensate for the influences which result from the fact that the gas collection spaces and the fuel-free area around the cover plate of the control column are now in the active zone of the core come to lie.
  • an absorber element box 22 extends between a foot part 21 and a head part 23 and, together with a central rod 24 guided through a central sleeve 25, form supporting metallic parts of the absorber element.
  • a coupling part 30 is fastened to the foot part, which together with a downwardly projecting end of the central rod 24 each form a plug for a bayonet lock, into which corresponding sleeve parts on the head of the associated fuel assembly belong.
  • a hollow cylinder 32 is made of a material, in particular a corrosion-resistant material such as hafnium or a hafnium alloy or hafnium compound. This hollow cylinder is mechanically protected on the side by the coupling parts 24, 25 and 30.
  • Figure 3 shows the fully assembled coupling element CE. That the absorber element AE of FIG. element BE of Figure 1 connects.
  • absorber material extends between the foot part 21 of the absorber element AE, above which the absorber bodies 26 reaching to the lower absorber edge HA are arranged, and the upper fuel edge HF, which lies below the head 3 of the fuel element BE.
  • the fact that an absorber-free belt is formed along a small axial area G is of no further significance, but can be completely avoided by appropriately designing the coupling parts.

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Abstract

Bei einer Steuersäule, bei der ein Absorberelement (AE) über ein Kupplungselement (CE) an den Kopf eines Brennelementes (BE) gekoppelt ist, weist der zwischen der Unterkante (HA) der im Absorberelement gehaltenen Absorberkörper (26) und der Oberkante (HF) des in den Brennstäben (7) des Brennelementes enthaltenen Brennstoffs liegende Bereich ein Absorbermaterial (15, 32) auf, das sich praktisch durch das gesamte Kupplungselement erstreckt. Im Brennelement sind hierzu absorbierende Stifte (15) vorgesehen, die sich durch die Deckplatte (6) des Brennelementes hindurch erstrecken und in Zwischenräume zwischen den Brennstäben (7) eingreifen. Das zugehörige Absorberelement weist einen Hohlzylinder (32) auf, der von Kupplungselementen (30, 31) umgeben ist. Dadurch werden Leistungsverzerrungen in den Brennstäben verhindert, die beim Reaktorbetrieb entstehen können, wenn sich an die Oberkante (HF) des Brennstoffs eine Zone anschließt, die keinen Brennstoff des Brennelementes und noch keinen Absorberkörper des Absorberelementes enthält.

Description

Steuersäule aus einem Brennelement und einem Absorberele¬ ment für einen Kernreaktor
Die Erfindung betrifft eine Steuersäule aus einem Brenn- element und einem Absorberelement entsprechend dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1 sowie jeweils ein Brennelement und ein Absorberelement dieser Steuersäule.
Derartige Steuersäulen, bei denen ein Absorberelement über Kupplungsteile an das obere Ende eines Brennelementes gekoppelt ist, sind bei Druckwasser-Reaktoren sowjetischer Bauart verwendet. Das Brennelement enthält einen- in metal¬ lischen Strukturteilen eingeschlossenen Brennstoff, der sich von einer Brennstoff-Unterkante bis zu einer Brenn- stoff-Oberkante erstreckt, während das Absorberelement unterhalb einer Absorber-Oberkante angeordnete, von metal¬ lischen Strukturteilen gehaltene Körper aus Absorbermate¬ rial enthält, die sich bis zu einer Absorber-Unterkante erstrecken. Die Strukturteile ragen am Kopf des Brennele- mentes über die Brennstoff-Oberkante hinaus und sind dort als Kupplungsteile ausgebildet. Sie greifen in entspre¬ chende Gegenkupplungsteile,• die unterhalb der -Absorberun¬ terkante von hervorstehenden Strukturteilen des Absorber¬ elementes gebildet werden.
Die Brennstoff-Oberkante und Brennstoff-Unterkante fällt dabei nicht mit den Enden von Brennstäben zusammen, die als mit Brennstoff gefüllte, gasdicht verschlossene Rohre ausgebildet sind. Vielmehr enthalten diese Rohre oberhalb der Brennstoff-Oberkante und unterhalb der Brennstoff-Un¬ terkante Gassammeiräume für während des Betriebes entste- hende Spaltprodukte. Die Brennstoff enthaltende aktive Zone des Brennelementes beginnt also oberhalb der unteren Brennstab-Enden und endet unterhalb der oberen Enden. Es gibt auch Steuersäulen, bei denen im vollen Leistungsbe- trieb die Brennstoff-Oberkante des Brennelementes unter¬ halb der Grenze liegt, die die aktive Zone des Kerns be¬ grenzt, da die Brennstäbe verkürzt sind.
Bei voller Reaktorleistung ist die Steuersäule in einer Position, in der ihr Brennelement etwa auf gleicher Höhe wie die Brennelemente sind, die im Reaktorkern neben der Steuersäule angeordnet sind. Die aktive Zone des 'Brenn¬ elementes fällt also zusammen mit der aktiven Zone des Kerns, die von den aktiven Zonen der anderen Brennelemente bestimmt wird. Um die Leistung herunterzusteuern, wird die Säule axial verschoben, wobei nunmehr in die aktive Zone des Kernes ein Teil der Steuersäule eingefahren wird, der weder Brennstoff noch Absorbermaterial, sondern Kupplungs¬ und Strukturteile enthält. Dabei verdrängen diese Teile nur ein verhältnismäßig geringes Wasservolumen, so daß sich in diesem Bereich eine erhöhte Moderation einstellt. Diese Lage stellt sich praktisch immer bei Teilaussteuerung ein.
Es zeigt sich, daß an den oberen Enden der Brennstäbe im Brennelement der Steuersäule Leistungsspitzen auftreten. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, die Brennstoff- Füllung der Brennstäbe dieses Brennelementes zu verkürzen und stattdessen am oberen Ende etwa 100 mm lange Stahl¬ stifte anzuordnen, die der Leistungserhöhung im oberen Bereich der aktiven Zone dieser Brennstäbe entgegenwirken.
Daneben tritt aber auch eine Leistungserhöhung in den oberen Teilen der benachbarten Brennstäbe auf, deren 1 Ursache wohl eine durch die Steuersäule hervorgerufene Verzerrung des Neutronenflusses ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer- 5 Säule, die - verglichen mit den Verhältnissen bei üblichen Steuersäulen - eine gleichmäßigere Verteilung von Neutro¬ nenfluß und Leistung hervorruft, bzw. ein hierfür geeigne¬ tes Absorberelement und Brennelement anzugeben.
10 Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich Absorbermate¬ rial durch das Kupplungselement hindurch praktisch bis zur Brennstoff-Oberkante erstreckt (Anspruch 1). Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
15
Die Erfindung und ihre Vorteile wird anhand von drei Figuren näher erläutert. Es^zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel 20. des erfindungsgemäßen Brennelementes einer derartigen
Steuersäule,
Figur 2 einen Längsschnitt durch ein entsprechendes
Steuerelement, und
Figur 3 einen Längsschnitt durch die Kupplungsteile der 25 beiden Elemente im verkuppelten Zustand.
Das Brennelement (BE) besitzt nach Fig. 1 ein Fußteil 1, an den sich ein bis zum Kopfteil 3 reichender Brennele¬ ment-Kasten 2 anschließt. Bei den erwähnten Reaktoren 30 sowjetischer Bauart besitzen Fußteil, Kasten und Kopfteil einen hexagonalen Querschnitt.
Eine Zentralhülse 5 verbindet eine Bodenplatte 4 mit einer Deckplatte 6, zwischen denen Brennstäbe 7 angeordnet sind. 35 Diese Brennstäbe sind zu der Säulenachse parallele Rohre, die etwa bis zur Brennstoff-Oberkante HF mit Brennstoff gefüllt sind und oberhalb dieser Oberkante HF gasdicht verschlossen sind. Entsprechend reicht die Füllung häufig nur bis zu einer oberhalb der Bodenplatte 4 liegenden Brennstoff-Unterkante HL. Die Ebenen HL und HF begrenzen somit die aktive Zone des Brennelementes. Ist das Brenn¬ element voll eingefahren, so liegen diese Ebenen an den Rändern der aktiven Zone des Reaktorkerns.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sich in den gasdicht verschlossenen Rohren unterhalb der Brennstoff-Oberkante ein Blanket-Volumen anschließt, in dem der übliche, ange¬ reicherte Brennstoff durch Natururan, abgereicherten oder verbrauchten Brennstoff ersetzt ist. Dadurch wird an diesem Axialbereich im Durchschnitt weniger Leistung frei¬ gesetzt. Außerdem wird weitgehend vermieden, daß sich in axialer Richtung nach oben gerichtete Neutronenverluste einstellen. Vielmehr wird der Gradient des Neutronenflus- ses am oberen Brennstabende erhöht. Es ergibt sich eine Verbesserung der Brennstofausnutzung bei gleichzeitiger Einsparung an Brennstoff (niedrigere mittlere Brennstoff¬ anreicherung des Stabes) und eine Senkung der Verluste im Brennstoffkreislauf.
Über die Deckplatte im Kopfteil 3 des Brennelementes BE der Fig. 1 ragen Teile 11 und 12, die als Hülsen für einen Bajonett-Verschluß bilden, in die entsprechende Steckerteile des zugehörigen Absorberelementes eingreifen können. Mit 13 und 14 sind dabei Nasen angedeutet, die teils Haltenasen eines entsprechenden Bajonett-Verschlus¬ ses, teils Angriffsflächen für Greif- und Hebewerkzeuge zum Manipulieren des Brennelementes darstellen. Mit den Rohren 8 in Figur 1 ist dargestellt, daß in einigen, zwischen den normalen Brennstäben gelegenen Positionen oben offene Rohre angeordnet sind, die nicht mit Brennstoff gefüllt sind, sondern Verdrängerstäbe oder auch Wasser (Moderator) enthalten können. Diese Rohre sind unten an der Bodenplatte 4 durch Halterungen 9 befestigt, während die entsprechenden Halterungen 10 an der Deckplat¬ te 6 Stifte 15 tragen, die an diesen Positionen zwischen die mit Brennstoff gefüllten, normalen Brennstäbe ragen. Diese Stifte enthalten ein Material mit erhöhter Neutro- nenabsorbtion, z.B. eine an sich korrosionsanfällige Sil- ber-Indium-Cadmium-Füllung, die von. einem korrosionsbe¬ ständigen Mantel umgeben ist.
Ein bevorzugtes Brennelement der erfindungsgemäßen Steuer¬ säule enthält also ein Bündel aus Brennstäben, die in den fiktiven Maschen eines regulären Gitters, insbesondere eines hexagonalen Gitters, sitzen und jeweils eine von einem gasdicht verschlossenen Hüllrohr umgebene Säule aus Brennstoff aufweisen, wobei über den Brennstäben ein Gas- sammelraum vorgesehen ist. Diese Brennstäbe reichen etwa von der Bodenplatte 4 bis in die Nähe der Deckplatte 6.
Die Brennstäbe sind an einigen axialen Positionen durch (nicht dargestellte) Abstandhalter mit einer entsprechen¬ den Gittersturktur gehalten, wobei aber einige Maschen des Gitters nicht von Brennstoff enthaltenden Brennstäben besetzt oder höchstens von solchen Brennstäben besetzt sind, die nur in einem unteren Teil des Elementes Brenn- stoff enthalten. In diesen Maschen des fiktiven Gitters sind Stifte aus Absorbermaterial angeordnet, die sich durch die Deckplatte hindurch praktisch bis zur Brenn¬ stoff-Oberkante des Brennelementes erstrecken. Diese Stif¬ te können den oberen Teil der erwähnten Brennstäbe bilden, die nur im unteren Teil Brennstoff enthalten.
Wird also beim Heruntersteuern der Reaktorleistung die Steuersäule nach unten bewegt, so gleichen die Absorber- stifte die Einflüsse aus, die dadurch entstehen, daß in der aktiven Zone des Kerns nunmehr die Gassammeiräume und der Brennstoff-freie Bereich um die Deckplatte der Steuer¬ säule zu liegen kommen.
Beim Absorberelement nach Figur 2 erstreckt sich zwischen einem Fußteil 21 und einem Kopfteil 23 ein Absorberele¬ ment-Kasten 22, der zusammen mit einem durch eine Zentral¬ hülse 25 geführten Zentralstab 24 tragende metallische Teile des Absorberelementes bilden. Zwischen Zentralhülse 25 und Kasten 22 befinden sich Absorberkörper 26, die von einer Absorberoberkante HO bis zu einer Absorberunterkante HA im Fußteil -reichen. Am Fußteil ist ein Kupplungsteil 30 befestigt, das zusammen mit einem nach unten hervorstehen¬ den Ende des Zentralstabes 24 jeweils einen Stecker für einen Bajonett-Verschluß bilden, in den entsprechende Hül¬ senteile am Kopf des zugehörigen Brennelementes gehören.
Um zu vermeiden, daß im angekoppelten Zustand die entspre¬ chenden Kupplungsteile 30, 31 des Absorberelementes und die dazugehörigen Kupplungsteile 11, 12, 13, 14 des Brenn¬ elementes einen Absorber-freien Raum bilden, ist ein Hohl- zylinder 32 aus einem Material, insbesondere einem korro¬ sionsbeständigen Material wie Hafnium oder eine Hafnium- Legierung bzw. Hafnium-Verbindung, vorgesehen. Dieser Hohlzylinder ist seitlich von den Kupplungsteilen 24, 25 und 30 mechanisch geschützt.
Figur 3 zeigt das fertig montierte Kupplungselement CE. das das Absorberelement AE der Figur 2 mit dem Brenn- element BE der Figur 1 verbindet.
Dabei ist erkennbar, daß sich zwischen dem Fußteil 21 des Absorberelementes AE, über dem die bis zur Absorber-Unter- kante HA reichenden Absorberkörper 26 angeordnet sind und der Brennstoff-Oberkante HF, die unterhalb des Kopfes 3 des Brennelementes BE liegt, Absorbermaterial erstreckt. Daß hierbei längs eines kleinen axialen Bereiches G ein Absorber-freier Gürtel entsteht, ist ohne weitere Bedeu- tung, kann aber durch entsprechende Gestaltung der Kupp¬ lungsteile vollständig vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Steuersäule für einen Kernreaktor aus a) einem Brennelement (BE) mit einem von metallischen Strukturteilen gehaltenen Brennstoff, der sich von einer Brennstoff-Unterkante bis zu einer Brennstoff-Oberkante (HF) erstreckt, und b) einem über ein Kupplungselement (CE) an das obere Ende des Brennelementes (BE) gekoppeltes Absorberelement' (AE) mit unterhalb einer Absorberoberkante angeordneten Absor¬ berkörpern (26), die von metallischen Strukturteilen (21, 22, 24, 25) gehalten sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich Absorbermaterial (15, 32) durch das Kupplungselement (CE) hindurch praktisch bis zur Brennstoff-Oberkante erstreckt.
2. Säule nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens einen von Teilen (30, 31) des Kupp- lungselementes umgebenen Hohlzylinder aus absorbierendem Material, insbesondere hafniumhaltigem Material oder einem anderen korrosionsbeständigen Material.
3. Säule nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h - n e t, d u r c h zu der Säulenachse parallele Brenn¬ stäbe (7) und Stifte im Brennelement (BE), wobei wenig¬ stens eine Gruppe der Brennstäbe (7) bis etwa zur Brenn¬ stoff-Oberkante (HF) mit Brennstoff gefüllte und oberhalb der Oberkante gasdicht verschlossene Rohre sind und die Stifte (15) von oben zwischen die Brennstäbe der Gruppe greifen und etwa bis zur Brennstoff-Oberkante aus Absor¬ bermaterial bestehen oder mit einem Absorbermaterial, vor¬ zugsweise einem Silber, Indium und Cadmium enthaltenden Material, gefüllt sind.
4. Brennelement für eine Steuersäule eines Kernreaktors, mit a) einem Bündel aus in den Maschen eines fiktiven regulä¬ ren Gitters, insbesondere eines Gitters mit hexagonalen Maschen, sitzenden Brennstäben, wobei jeder Brennstab eine in einem Hüllrohr gasdicht eingeschlossene Säule aus Brennstoff mit einem über dem Brennstoff angeordneten Gassammeiraum enthält und von einer Bodenplatte (4) bis in die Nähe einer Deckplatte (6) reicht, und b) über die Deckplatte hinausragenden Kupplungsteilen (11, 12, 13, 14) zum Eingriff in entsprechende Gegenkupplungs¬ teile eines Absorberelementes der Steuersäule, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einige Maschen des Gitters nicht von Brennstäben oder höchstens von Brennstäben, die nur in einem unteren Teil des Brenn¬ elementes Brennstoff enthalten, besetzt sind und daß in diese einigen Maschen Stifte eingreifen, die sich von oben durch die Deckplatte hindurch etwa bis zur Höhe des Brennstoffs in den Brennstäben erstrecken und ein Absor- bermaterial enthalten. v
5. Brennelement nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Stifte mit Absor¬ bermaterial, insbesondere Silber, Indium und Cadmium ent- haltendem Material, weitgehend gefüllte verschlossene Rohrstücke verwendet werden.
6. Brennelement nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stifte in offene obere Enden von Rohren greifen, die nicht mit Brennstoff gefüllt sind.
7. Brennelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest ein Teil der Brennstäbe im oberen Teil des Hüllrohres einen Brennstoff enthalten, der aus Natururan oder abgereichertem Brennstoff besteht.
8. Absorberelement für eine Steuersäule eines Kernreak¬ tors, mit a) Absorberkörpern, die von metallischen Strukturteilen (22, 24, 25) umgeben sind und sich bis zu einer Absorber- Unterkante (HA) erstrecken, und b) über die Absorber-Unterkante hinausragende Kupplungs¬ teile (30, 31) zum Eingriff in entsprechende Gegenkupp¬ lungsteile eines Brennelementes der Säule, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die unterhalb der Absorber-Unterkante hervorragenden Kupp- lungsteile einen Hohlzylinder aus absorbierendem Material, insbesondere einem hafniumenthaltenden oder anderen korrosionsbeständigen Absorptionsmaterial umgeben.
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FR2237277A1 (de) * 1973-05-14 1975-02-07 Kuzavkov Nikolai

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