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Die Erfindung betrifft Druckwasser-Kernreaktoren, einen
Behälter umfassend, der den Reaktorkern enthält und versehen ist
mit einem Deckel, den man öffnet, um die Brennelemente des Kerns
zu erneuern. Der Behälter und der restliche Primärdruckkreis, wo
das borhaltige Kühlwasser des Kerns zirkuliert, sind enthalten in
einer Sicherheitshülle.
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Um die Temperatur- und Volumensveränderungen dieses
borhaltigen Primärwassers zu kompensieren, über dem Behälter das
Füllen eines Entladungsbeckens zu ermöglichen, das den nötigen
Schutz bei der Erneuerung des Spaltmaterials sicherstellt, und
eine Kühlwasserreserve zu bilden für den Fall einer Störung im
Primärkreis, verfügt man im allgemeinen über einen Speicher mit
borhaltigem Wasser, der sich bei den bestehenden Anlagen
üblicherweise außerhalb der Sicherheitshülle befindet. Diese
Anordnung hat folglich den Nachteil, ein Pumpsystem zu erfordern
für die Verteilung des Rettungskühlwassers.
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Diverse Vorrichtungen wurden in den letzten Jahren
vorgesehen, um entweder die Anordnung oder die Nutzung dieses
Speichers zu verändern.
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Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, ihn im Inneren der
Sicherheitshülle anzuordnen, und ihn für die Lagerung des
verbrauchten Spaltmaterials zu nutzen, wie es das französische
Patent Nº EN 78 21 492 im Namen des Anmelders vorsieht.
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Man hat ebenfalls vorgeschlagen, entsprechend dem
Dokument "The Westinghouse AP 600 passive safety systems - A key
to a safer, simplified PWR" von L.E. CONWAY, ANS-Konferenz,
Seattle, Mai 1988, ihn in der Sicherheitshülle anzuordnen, über
der Ebene des Kernspaltraums, um im Falle eines Unfalls ein
hydrostatisches Fluten (renoyage) von diesem zu ermöglichen, wenn
sein Druck ausreichend abgenommen hat. Es wird nicht angegeben,
daß dieser Speicher der Lagerung von Spaltmaterial dient. Ein
Wassertransfer ist vorgesehen zwischen diesem Speicher und dem
Entladungsbecken, das man füllt für die Operationen der
Spaltmaterialerneuerung über dem Behälter.
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Man weiß außerdem, daß die Entladungsbecken
üblicherweise Abdämmungswände enthalten, die eingesetzt werden können in
vertikale Gleitschienen und ein im allgemeinen längliches Becken
in drei Abteile aufteilen können. Das in der Mitte befindet sich
über dem Behälter und muß leer sein, wenn der Behälterdeckel dort
vorhanden ist. Ein Betreiben des Reaktors ist nicht möglich, wenn
dieses Abteil leer ist und die beiden anderen voll sind, denn die
Dichtheit der Abdämmungen beruht auf biegsamen, aufgeblasenen
Dichtungen und kann nicht über einen längeren Zeitraum
gewährleistet werden, während die obere Fläche des Behälterdeckels
und der darüber befestigte Steuerungs- und Instrumenteaufbau immer
trocken bleiben muß. Nach dem Stand der Technik sind
Spaltmaterialhandhabungsbecken, die sich über dem Reaktor befinden, folglich
vollständig geleert für den Betrieb von diesem und können nicht
als Kühlwasserspeicher dienen, als hydrostatische Last über dem
Kern.
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Die vorliegende Erfindung hat genau ein
Handhabungsbecken für einen Kernreaktor zum Gegenstand, das den
Betrieb des Reaktors mit einem leeren Beckenabteil über dem
Behälter ermöglicht, wobei der Rest des Beckens mit Wasser gefüllt
bleibt und die Wasserreserve sicherstellt, die im Falle eines
Unfalls erforderlich ist, was zu einer Raumersparnis führt und zu
diversen Vorteilen, die weiter unten erläutert werden.
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Dieses Druckwasserkernreaktor-Handhabungsbecken der
Bauart, die sich über dem Niveau des Reaktorkerns befindet, ist
dadurch gekennzeichnet, daß es in der Zone über dem Deckel des
Kerns eine lösbare Abdämmung umfaßt mit einer annähernd
rotationszylindrischen Form, einem Innendurchmesser, der den
freien Durchgang des Behälterdeckels zuläßt, an ihrer Basis mit
Organen versehen, die ihre dichte Auflage auf dem Boden des
Beckens um den Behälter herum ermöglichen, sowie Einfüll- und
Entleerungseinrichtungen für Wasser.
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Diese Abdämmung ermöglicht somit, den Behälterdeckel
und die über ihm befindlichen Einrichtungen trocken zu halten.
Wenn der Deckel entfernt wurde, kann sie mit Wasser gefüllt und
dann selbst entfernt werden, wobei die Operationen beim
Wiederanbringen des Deckel umgekehrt ablaufen.
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Genauer, die Organe, die die dichte Auflage der
Abdämmung auf dem Boden des Beckens ermöglichen, umfassen einen
horizontalen Ringflansch mit einer herkömmlichen Abdichtung, vor
allem einer Doppeldichtung mit Leckage-Absaugung zwischen den
Dichtungen, was jedes Risiko von Wasserlecks aus dem Becken in
Richtung Deckel vermeidet, im Gegensatz zu den Abdichtungen der
vorhergehenden Technik für die aus ebenen bzw. flachen Wänden
gebildeten Abdämmungen. Dieser Flansch wird am Boden des Beckens
festgeklemmt mittels lösbaren Verbindungsmitteln, wie etwa
Schrauben, die von der Oberseite der Abdämmung aus betätigt werden
können.
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Bezüglich der Druckwasserreaktoren werden die
Vorsichtsmaßnahmen für den Behälter und die
Befestigungseinrichtungen für seinen Deckel im allgemeinen als ausreichend
betrachtet, solange man nicht den Folgen eines Behälterbruchs
vorbeugen muß. Wenn man äußerst pessimistischen Annahmen Rechnung
tragen will, kann man einerseits einen Behälterschacht vorsehen
zur Einschließung einer Behälterexplosion, und andererseits
Einrichtungen, die das Deckelwegschleudern verhindern; zahlreiche
Vorschläge wurden gemacht in dieser Richtung. Da der Reaktor mit
Wasserspeicher über dem Kern einem besonderen Sicherheitsbedürfnis
entspricht, hat man sich damit beschäftigt, diese Einrichtungen,
die das Deckelwegschleudern verhindern, anzupassen an das
Vorhandensein der erfindungsgemäßen zylindrischen Abdämmung.
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Nach einer weiteren Charakteristik der Erfindung weist
die Abdämmung gegenüber dem Behälterdeckel eine erste lösbare
Blockiereinrichtung nach unten auf und gegenüber der Gesamtheit
der Tiefbaustrukturen des Kernreaktors und insbesondere der Wände
des Beckens eine zweite lösbare Blockiereinrichtung nach oben, was
die Blockierung gegen das Wegfliegen des Deckel gewährleistet.
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Nach einer weiteren Charakteristik der Erfindung werden
diese lösbaren Blockiereinrichtungen gebildet durch schräge
Stützen, wovon jede eine Druckfeder umfaßt, für den wirksamen
Angriff der Stützflächen, und einen hydraulischen Dämpfer, der nur
eine langsame Verkürzung zuläßt im Falle der Anwendung einer
Druckkraft. Auf diese Weise bleiben die bei Normalbetrieb aufgrund
diverser Wärmedehnungen auftretenden Kräfte gering und lösen vor
allem nicht die Abdämmungsdichtung ab. Andererseits ereignen sich
im Falle eines Bruchs der Befestigungsbolzen des Deckels keine
mechanischen Schläge bei der Aufnahme der Beanspruchung durch die
Wände des Beckens, und die Entladung des Primärkreises erfolgt auf
relativ kontrollierte Weise.
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Die in der Sicherheitshülle des Reaktors verfügbare
Wassermenge, einerseits in dem somit durch die Erfindung nutzbaren
Becken, andererseits in eventuellen Zusatzspeichern, kann so sein,
daß nach einem schweren Bruch des Primärkreises das Fluten von
allen Kasematten (casemates) gewährleistet ist, die den Kreis
enthalten, was die Gewißheit verleiht, daß schließlich auch der
Kernspaltraum selbst geflutet wird. Eine Restmenge Wasser in dem
Becken kann ebenfalls sichergestellt werden, was ermöglicht, zur
Lagerung von verbrauchtem Spaltmaterial eine tiefe Stelle dieses
Beckens zu benutzen. Die erfindungsgemäße Abdämmung ermöglicht
somit schließlich eine besonders wirtschaftliche und sichere
Lagerung des verbrauchten Spaltmaterials im Rahmen der anderweitig
gründlich untersuchten "eigensicheren" Reaktoren.
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Die Erfindung wird besser verständlich durch die
nachfolgende, beispielhafte und keinesfalls einschränkende
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Handhabungs- und
Wasserreservebeckens für Druckwasserkernreaktoren, mit Bezug auf
die Figuren 1 bis 3:
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- die Figur 1a zeigt einen Schnitt entsprechend der
Vertikalebene A-B der Figur 1b eines Kernkraftwerks in seiner
Betonsicherheitshülle mit dem Kern und dem Becken, das Gegenstand
der Erfindungs ist;
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- die Figur 1b ist eine Draufsicht eines
Horizontalschnitts entsprechend C-D der Anlage der Figur 1a;
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- die Figur 2 zeigt in einem vergrößerten Maßstab die
technischen Details der Anbringung einer erfindungsgemäßen
Abdämmung, wobei diese Figur 2 ein Vertikalschnitt ist entsprechend der
Linie E-F der Figur 1b;
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- die Figur 3 ist eine Schnittansicht einer lösbaren
Blockierungsstütze.
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In der Figur 1a findet man im Schnitt die herkömmlichen
bekannten Elemente eines Druckwasserkernkraftwerks wieder. In
einer Sicherheitshülle aus Beton 2 befindet sich der eigentliche
Reaktor 4 mit seinen Primärwassereingängen und -ausgängen 6 und 8,
sowie der Behälter 10 mit seinem Deckel 12. Auch das Becken 20
wurde schematisch dargestellt und Dampfgeneratoren 14 und 16, über
dem Kernreaktor 4 befindlich. Die Figur 1b, die dieselben
Referenzziffern trägt, erlaubt, die allgemein längliche Form des
Beckens 18 zu sehen.
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Über dem Behälter 10 ist der vorhergehenden Technik
entsprechend ein Becken 20 angeordnet, das der Handhabung des
nuklearen Brennstoffs dient, wobei das Wasser den biologischen
Schutz der Operatoren gewährleistet und die Kühlung der aus dem
Kernspaltraum entnommenen Brennelemente, die weiterhin einen
großen Wärmefluß abgeben. Dieses Becken, das dank der Erfindung
mit Wasser gefüllt bleiben kann während des Reaktorbetriebs, wird
hier genutzt als Wasserreserve, die für den Fall eines Bruchs der
Primärkreises und der Gefahr der Austrocknung des Kerns verwendet
werden kann mittels Einrichtungen, die nicht Teil der Erfindung
sind. Sein Bereich 22 mit großer Tiefe wird genutzt für die
mittelfristige Lagerung von gebrauchten Brennelementen, z.B. für
zwei Jahre, wobei der thermische und radioaktive Fluß dieser
Elemente dann ausreichend abgenommen hat, um ihre Entnahme mit
relativ einfachen Mitteln zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße
Abdämmung 24 ermöglicht es, den Deckel 12 des Reaktors trocken zu
halten und und die oberen Einrichtungen, dargestellt durch den
umschlossenen Raum 30. Zum Öffnen des Deckels reduziert man
zunächst den Wasserdruck in dem Primärkreis, um auf Ebene der
Deckeldichtung den atmosphärischen Druck zu erhalten, dann nimmt
man die Befestigungsbolzen heraus. In dem Maße, wie der Deckel
angehoben wird, bis er den Abdämmungsschacht verläßt, wird dieser
mit Wasser versorgt, entweder aus dem Primärkreis, oder durch eine
direkte Wasserzuführung aus dem Becken in die Abdämmung. Wenn der
Deckel herausgenommen und an seinen Lagerplatz gebracht ist und
die Pegel egalisiert sind, kann man die Abdämmung vom Boden des
Beckens lösen und entfernen, hin zu einem anderen Lagerplatz, was
die Entladungsoperationen des Reaktors ermöglicht. Für das
Wiederverschließen des Deckels verlaufen die Operationen
umgekehrt.
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Mit Bezug auf die Figur 2 wird nun auf genauere Weise
die wesentliche Einrichtung der Erfindung beschrieben, nämlich die
Abdämmung 24, die kreisförmig den oberen Teil des Deckels 12
umgibt und versehen ist mit Abdichtungseinrichtungen, um die über
dem Reaktor 4 befindliche Zone trocken zu halten, ohne das Becken
20 zu leeren.
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In dieser Figur 2 hat man teilweise den Schnitt 32 der
Wände des Beckens 18 dargestellt, die den oberen Teil des Reaktors
4 umgeben. Der Behälter 4 des Reaktors umfaßt einen Flansch 10 zur
Befestigung des Deckels 12 mittels Bolzen 26, die verlängert sind
oberhalb der Spannmutter 28, um ihr Spannen zu erleichern. Der
Flansch 10 ist am Umfang mit dem Boden des Beckens verbunden durch
einen metallischen Balg 34, entsprechend der vorhergehenden
Technik, damit das Wasser um den Behälter herum nicht eindringt.
Dieser Balg endet hier an einer bearbeiteten Lagerfläche 36,
verschweißt mit dem Boden des Beckens um den Behälter herum, die
die Auflage der Abdämmung 24 mittels ihres Flansches ermöglicht,
der festgeklemmt ist auf der Lägerfläche mittels Schrauben 40, und
zwei Dichtungen 41 trägt und eine Leckage-Absaugvorrichtung 42.
Dieser Typ von Verbindung gewährleistet eine vorzügliche
Betriebssicherheit, und man kann sicher sein, daß das Wasser des
Beckens nicht durch eine Undichtheit dieser Verbindung zum
Behälterdeckel gelangt. Die Abdämmung 24 kann, wie weiter oben
beschrieben, verwendet werden für die Operationen am
Spaltmaterial. Schematisch wurde eine Pumpeinrichtung 44 dargestellt, die
ermöglicht, die Wasserhöhe im Innern der Abdämmung zu regulieren.
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Nun wird die wahlweise Perfektionierung der Erfindung
beschrieben, die darauf abzielt, das Wegfliegen des Deckels zu
verhindern unter der Annahme, daß die Bolzen 26
kettenreaktionsartig brechen. Die das Wegschleudern bewirkende Kraft kann
veranschlagt werden als das Produkt aus der Öffnungsfläche des
Deckels, also ungefähr 18 m² für einen 1300 MWe-Reaktor, und dem
Sättigungsdampfdruck des Primärwassers, also 12,5 MPa für 328ºC
über dem Kern, d.h. 175 MN (oder ungefähr 17500 Tonnen). Die
Blockierungselemente müssen eingefügt werden zwischen die obere
Fläche des Deckels und die beiden langen Wände des Beckens; bei
Normalbetrieb des Reaktors dürfen sie die freie Wärmeausdehnung
der Abdämmung 24 nicht behindern. Erfindungsgemäß verwendet man:
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- über dem Deckel einen Verteilungsring 50, der auf der
Oberfläche des Deckels selbst aufliegt mittels eines geschweißten
Aufbaus von radialen Rippen (voiles), die sich einfügen zwischen
die Überlängen der Bolzen 26 und ihre Muttern, ohne sie zu
berühren,
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- zwischen dem Ring 50 und den Nischen (mèches) in der
Wand der Abdämmung, die Stützabsätze 56 bilden, einen ersten Satz
schräger Stützen 58, normalerweise leicht vorgespannt unter der
Wirkung einer Feder, aber geeignet, einem sehr großen Druck
standzuhalten, wie weiter unten beschrieben wird,
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- zwischen der Abdämmung 24 und den Vertiefungen 60 in
den Wänden 32 des Beckens einen zweiten Satz Stützen 62, den
vorhergehenden analog, die sich abstützen auf den Stützabsätzen 59
der Abdämmung, oberhalb der Nischen 54, die Vorsprünge bilden auf
der Außenfläche der Abdämmung.
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Die Vertiefungen 60 in den Wänden des Beckens umfassen
metallische Stützbereiche 64 für die Stützen 62, durch geschweißte
Strukturen verbunden mit Verteilplatten 66 für die vorgespannten
Armierungen 68, die tief verankert sind im Fundament des Gebäudes.
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Mit Bezug auf die Figur 3 wird ein Stützentyp
beschrieben, der geeignet ist für den zweiten Satz, der die
Blockierung zwischen der Abdämmung und den Wänden sicherstellt.
Wenn man z.B. 12 Stützen in jedem Satz verwendet, erreicht die
Abstützkraft ungefähr 15 MN, wobei die für die Wärmeausdehnung,
die Toleranzen und die Anbringung vorzusehende Ausfederung
ungefähr 40 mm beträgt. Die Stütze umfaßt einen unteren Kolben 70,
der in einem Zylinder 72 gleitet, fest verbunden mit einer oberen
Stang 74; der Kolben 70 ist durch ein Rohr 76 verbunden mit einem
kleinen Kolben 78, der in einer Kammer 80 der Stange 74 gleitet,
wobei das Rohr 76 in einem Ring 82 gleitet, fest verbunden mit dem
Rohr 76. Eine Feder 84 ist bestrebt, einen Abstand aufrechzuhalten
zwischen dem Kolben 70 und der Stange 74. Das Verbindungsgewinde
zwischen dem Rohr 76 und dem Kolben 70 ist nicht dicht und erlaubt
einer Flüssigkeit, die eingeschlossen ist zwischen dem Kolben 70
und der Stange 74, mit einem kleinen Durchsatz zu entweichen in
Richtung des oberen Teils der Kammer 80, die versehen ist mit
einer normalerweise geschlossenen Entlüftung 86. In den
ringförmigen Raum zwischen dem kleinen Kolben 78 und dem Ring 82
kann über den lösbaren Druckschlauch 88 eine Flüssigkeit
eingeleitet werden, die ermöglicht, die Stütze zusammenzuziehen,
indem die Feder 84 komprimiert wird, um das Anbringen oder
Entfernen der Stütze zu ermöglichen. Die Stütze wird unten lose
gehalten durch ein Gelenk 90, das sie vor ihrer Auflagefläche 92
positioniert, während eine obere Betätigungseinrichtung 94 sie vor
ihrer Stützfläche 64 positioniert. Eine derartige Stütze wird
somit zurückgezogen in die Vertikale, gegen die Abdämmung 24, für
deren Handhabung, und schräg ausgefahren für den Reaktorbetrieb.
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Die Stützen des ersten Satzes können analog sein, für
die Handhabung können sie fest verbunden bleiben entweder mit dem
Ring 50 oder mit der Abdämmung 24, wobei ihr loses Gelenk,
entsprechend 90, dann oben angeordnet ist, wie dargestellt in
Figur 2.
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Wenn eine solche Stütze heftig zusammengedrückt wird,
entweicht die zwischen dem Kolben 70 und der Stange 74 vorhandene
Flüssigkeit nur mit einem geringen Durchsatz in die Kammer 80, wo
sie Luft komprimiert, und der Kompressionsstoß wird somit
schließlich ohne Spiel übertragen auf die mit dem gesamten Gebäude
fest verbundenen Vorspannungsarmierungen.
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Die Gesamtheit der Elemente dieser Widerstandskette,
vom Deckel zum Gebäude, kann dimensioniert werden, um den
erforderlicher Belastungen standzuhalten. Man weiß, daß bei den
"eigensicheren" Reaktoren, um die es ging, der Primärkreis
enthalten ist in Kasematten (casemates) von relativ kleinem
Volumen, die sehr robust sein können und die Auswirkungen einer
Behälterexplosion auf die Wände aushalten; die Vorrichtung gegen
das Deckelwegschleudern entspricht also einer Homogenisierung der
Sicherheit.
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Um den Behälter nach dem Reaktorbetrieb zu öffnen, muß
man schließlich:
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- die Stützen des ersten Satzes einziehen und vertikal
in die Nischen 54 zurückbringen (sie eventuell getrennt
entfernen),
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- den Ring 50 und seine Verteilrippen herausnehmen,
eventuell in mehreren Segmenten,
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- die Bolzen des Behälters losschrauben und den
Behälterdeckel herausnehmen (nachdem die diversen üblichen
Trennungen durchgeführt wurden),
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- gegebenenfalls das Wasser in der Abdämmung ansteigen
lassen in dem Maße, wie der Deckel herausgenommen wird,
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- die Stützen des zweiten Satzes einziehen und sie
vertikal gegen die Wand der Abdämmung bringen,
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- die Schrauben 40 lösen und die Abdämmung
herausnehmen.
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Selbstverständlich ist die Vorgehensweise umgekehrt
beim Verschließen des Behälters.
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Zusammenfassend kann man von folgenden Vorteilen des
erfindungsgemäßen Beckens ausgehen:
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- die Möglichkeit, die Reserve an borhaltigem Wasser im
Inneren der Sicherheitshülle und über dem Behälter unterzubringen,
was den Schutz im Falle eines Primärbruchs erhöht bei einem
Minimum an Kosten und Komplikationen, denn man verwendet das
Entladungsbecken;
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- die Möglichkeit, verbrauchtes Spaltmaterial in dem
Becken im Innern der Sicherheitshülle zu lagern, während ein bis
zwei Jahren z.B., was ermöglicht, es anschließend in relativ
einfachen Containern an einen zentralen Lagerort für mehrere
Reaktoren zu bringen. Die Risiken, die verbunden sind mit der
Lagerung von sehr aktiven verbrauchten Elementen außerhalb der
Sicherheitshülle sind somit beseitigt und die Wirtschaftlichkeit
ist verbessert;
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- die Verwendung der zylindrischen Abdämmung als
Blockierstruktur im Falle eines Wegfliegens des Behälterdeckels
als zusätzlicher Sicherheitbeitrag, obschon der in Betracht
gezogene Unfall von sehr geringer Wahrscheinlichkeit ist.