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Verfahren zum Auflösen von lokalen Gaskonzentra-
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tionen in übereinander geschichteten Atmosphären Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Auflösen von lokalen Gaskonzentrationen in übereinander geschichteten
Atmosphären gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Sowohl in freier Atmosphäre, als auch insbesondere bei in abgeschlossenen
Räumen vorhandenen Atmosphären können weitgehend stabile thermische und/oder Gemisch-Schichtungen
entstehen. Das Auftreten von Atmosphärenschichten beruht auf Dichteunterschieden
einzelner Komponenten oder unterschiedlich temperierter Gemische und kann in Abhängigkeit
von der Gebäudekonstruktion zusätzlich begünstigt werden Diese Unterschiede gleichen
sich durch Diffussionsvorgänge nur langsam aus, wobei die Geschwindigkeit des Ausgleichsvorganges
mit der Verringerung der Konzentrationsunterschiede abnimmt. Im Falle von unterteilten
Gebäuden
kann dieser Ausgleichsvorgang zudem durch örtlich verringerte Querschnitte zusätzlich
erschwert sein.
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Es ist bekannt, daß das Auftreten von übereinander geschichteten Atmosphären
verhindert oder der Abbau einer Atmosphärenschichtung dadurch erzielt werden kann,
daß zumindest in bestimmten Bereichen eine fortwährende Durchmischung der Atmosphäre
vorgenommen wird. Auf diese Weise wird das Auftreten von lokalen Gaskonzentrationen
verhindert. Zur Durchmischung werden beispielsweise Lüfter, Gebläse, Umluftanlagen
oder ähnliche Geräte eingesetzt, die jedoch stets ein Antriebsaggregat benötigen
und zumeist großvolumig ausgeführt sein müssen.
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Von besonderer Bedeutung ist das Vermeiden von lokalen Gaskonzentrationen
bzw. das Auflösen von lokalen Gaskonzentrationen bei Kühlmittelverluststörfällen
im Sicherheitsbehälter eines Reaktors. Beim Auftreten eines solchen Störfalles können
z.B. molekularer Wasserstoff und Sauerstoff durch Radiolyse im Kühlmittel entstehen.
Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es notwendig, lokale Konzentrationen des
freigesetzten TVasserstoffes abzubauen.
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Nach einem Kühlmittelverluststörfall stellt sich in einem z.B. Druckwasserreaktor
eine thermisch geschichtete Atmosphäre ein, bei welcher einer relativ kühlen unteren
Atmosphärenschicht eine deutlich wärmere Atmosphärenschicht überlagert ist.
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Um eine lokale Wasserstoffkonzentration aufzulösen, sehen die bisher
bekannten Maßnahmen den Einsatz von UTmwälzgebläsen oder/und Rekombinatoren vor.
Mit Hilfe der Umwälzgebläse soll eine Durchmischung der verschiedenen Atmosphären~
schichten bewirkt werden, wodurch lokale Wasserstoffkonzentrationen aufgelöst werden.
Die Rekombinatoren oxydieren
den freien Wasserstoff z.B. durch katalytische
Verbrennung mit dem Sauerstoff und reduzieren somit den Wasserstoffgehalt der ihnen
zugeführten Atmosphäre.
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Beide Maßnahmen sind technisch aufwendig, da die Geräte Störfall-geschützt
sein müssen, von einer entsprechenden Energieversorgung abhängen und nicht beliebig
eingesetzt werden können. Zudem ist noch nicht vollkommen geklärt, an welcher Stelle
sie innerhalb des Sicherheitsbehälters am günstigsten angeordnet werden. Dies betrifft
insbesondere die räumliche Lage von Ansaug- und Rückspeiseöffnung. Sind diese wie
bei einigen ausgeführten Anlagen im oberen Bereich des Sicherheitsbehälters angeordnet,
so muß gewährleistet sein, daß der z.B. aus der tiefliegenden Bruchöffnung freigesetzte
Wasserstoff auch zur Ansaugöffnung gelangt.
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Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß es nicht ausgeschlossen werden
kann, daß diese Geräte bei einem technischen Defekt ihre Wirksamkeit verlieren oder
unter Umständen selbst als unerwünschte Zündquelle für die wasserstoffhaltige Atmosphäre
in dem Sicherheitsbehälter wirken.
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Werden diese Geräte außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet,
so ist dies in Einblick auf sicherheitstechnische Überlegungen von Bedeutung, da
jede Durchdringung des Sicherheitsbehälters eine Erhöhung des Risikos des Sicherheitsbehälterversagens
darstellt,insbesondere wenn die Durchdringungen und Isolierventile im Falle außerhalb
angeordneter Gebläse oder Rekombinatoren wegen der erforderlichen Gasdurchsätze
entsprechend groß ausgelegt sein müssen.
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Im Falle einer Anordnung der Geräte innerhalb des Sicherheitsbehälters,
die nicht in allen Fällen möglich ist, muß berücksichtigt werden, daß der Sicherheitsbehälter
nach einem Eühlmittelverluststörfall wegen der freigesetzten Spaltprodukte
nicht
oder nur unter besonderen Schutzmaßnahmen und nur für kurze Zeit begangen werden
kann, so daß Reparaturen nicht oder nur schwer durchgeführt werden können.
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Von Nachteil bei den bekannten Maßnahmen ist auch, daß bereSs bestehende
Reaktoren nicht oder nur schwer mit diesen Geräten nachgerüstet werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, welches sicher und einfach durchzuführen, störunanfällig
und mit geringen Kosten verbunden ist, wobei dieses Verfahren auch bei bereits bestehenden
Reaktoren durchgeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß 1wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1
gelöst.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache und sichere
Weise möglich, lokale Gaskonzentrationen dadurch aufzulösen, daß eine Störung in
der geschichteten Atmosphäre erzeugt wird, durch die die Gleichgewichtslage der
geschichteten Atmosphäre zumindest lokal beeinträchtigt wird, so daß ein Gasvolumen
eine nach oben bzw. unten gerichtete Beschleunigung erfährt, so daß eine Eonvektionsströmung
entsteht.
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überlagert eine erste Atmosphärenschicht mit einer ersten spezifischen
Dichte eine zweite Atmosphärenschicht mit einer zweiten spezifischen Dichte, wobei
die erste spezifische Dichte kleiner als die zweite spezifische Dichte ist, so kann
die Störung des Gleichgewichts entweder in der ersten Atmosphärenschicht oder der
zweiten AtmospEärensohicht oder aber auch in beiden Atmosphärenschichten zugleich
erfolgen.
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Im folgenden wird die Atmosphärenschicht mit der kleineren spezifischen
Dichte als die leichte Atmosphärenschicht und diejenige mit der größeren spezifischen
Dichte als die schwere Atmosphärenschicht bezeichnet.
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Wird nun in einen Bereich der leichten Atmosphäre ein schweres Gas
eingebracht, so daß eine solche Dichteänderung der leichten Atmosphäre erfolgt,
daß sie zumindest lokal schwerer wird als die schwere Atmosphäre, so tritt in diesem
lokalen Bereich eine nach unten gerichtete Beschleunigung auf, so daß eine abwärts
gerichtete Strömung entsteht. Diese abwärts gerichtete Strömung hat zur Folge, daß
in einem anderen Bereich der Atmosphäre eine nach oben gerichtete Strömung auftritt,
so daß sich dadurch eine Konvektion in der Gesamtatmosphäre ergibt. Infolgedessen
tritt eine Vermischung des Gases der ersten Atmosphärenschicht mit dem Gas der zweiten
Atmosphärenschicht ein.
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Das Entstehen einer Konvektionsströmung kann in diesem Fall dadurch
gefördert werden, daß im wesentlichen gleichzeitig mit dem Einspeisen des schweren
-Gases in die leichte Atmosphäre ein leichtes Gas in die schwere Atmosphäre an einer
Stelle erfolgt, die von der Einspeisestelle der leichten Atmosphäre' einen horizontalen
Abstand hat. Die spezifische Dichte der schweren Atmosphäre wird durch das Einspeiseniit
einem leichten Gas soweit verringert, daß die entstehende neue spezifische Dichte
kleiner als diejenige der leichten Atmosphäre ist, so daß in diesem Bereich eine
nach oben gerichtete Beschleunigung auftritt, die eine nach oben gerichtete Gasströmung
zur Folge hat.
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Ist einer leichten Atmosphäre eine schwere Atmosphäre überlagert,
so kann eine Eonvektionsströmung dadurch hervorgerufen werden, daß nun der schweren
Atmosphäre ein Gas mit
einer solchen spezifischen Dichte zugeführt
wird, daß zumindest lokal im Bereich der schweren Atmosphäre eine solche spezifische
Dichte entsteht, daß entweder die Grenzschicht zwischen den-beiden Atmosphärenschichten
durchbrochen wird und schweres Gas in die leichte Atmosphärenschicht strömt, oder
daß zunächst unter Beibehaltung der Atmosphärenschihtung die gesamte Atmosphäre
in Drehung versetzt wird, wobei sich der Bereich, dem das schwere Gas zugeführt
wird, nach unten absenkt.
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Auch in diesem Fall kann das Entstehen einer Eonvektionsströmung dadurch
gefördert werden, daß in einem anderen Bereich der leichten Atmosphäre ein leichtes
Gas zugeführt wird, so daß dort aufgrund des Auftriebes dieses leichten Gases die
schwere Atmosphärenschicht nach oben bewegt wird.
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Gemäß der Erfindung können die Dichteänderungen in den jeweiligen
Atmosphärenschichten, die zur Herstellung eines Ungleichgewichtes erforderlich sind,
statt durch Zuführen eines Gases auch durch Zuführen bzw. Entnehmen einer Wärmemenge
hervorgerufen werden. Eine geringere Dichte in einem Bereich wird dann durch Erwärmen
und eine größere Dichte durch Abkühlen erhalten.
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In Abhängigkeit von dem jeweiligen Gas, aus dem die Atmosphärenschichten
bestehen, können zeitlich aufeinanderfolgend verschiedene Gase zugeführt werden.
So kann beispielsweise, wenn bereits eine Konvektionsströmung entstanden ist, diese
dadurch aufrechterhalten werden, daß fortwährend oder in zeitlichen Abständen ein
Gas zugeführt wird. Das Gas muß
dann eine solche Dichte haben,
daß es in der Gesamtatmosphäre eine solche Beschleunigung erfährt, die der Richtung
der Konvektionsströmung nicht entgegengesetzt ist, da sonst die Konvektionsströmung
abgebremst oder gar aufgehoben wird.
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Besonders geeignet sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Inertgase. Ein Vorteil liegt hierbei darin, daß zwischen einem solchen Gas und den
anderen Gasen der Atmosphäre keine chemische Reaktion eintritt. Ferner werden Geräte
oder Apparate, die sich in dem Raum befinden, in dem die Atmosphäre eingeschlossen
ist, von einem Inertgas nicht durch chemische Reaktion angegriffen bzw. beeinträchtigt.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise für den Sicherheitsbehälter
eines Reaktors vorgesehen, in dessen Kühlmittelsystem molekularer Wasserstoff entstehen
kann, der beim Eintreten eines Bruches in einer Kühlmittelleitung in den Sicherheitsbehälter
austritt, so kann in vorteilhafter Weise das zuzuführende Gas direkt in die Eühlmittelleitung
eingespeist werden. Von Vorteil ist hierbei, daß das Gas unmittelbar derjenigen
Stelle zugeführt wird, an der der Wasserstoff in den Betriebsbehälter entweicht.
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Es wird nun angenommen, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei einem
Reaktor angewandt werden soll. Das Zuführen eines Gases in den Bereich einer Atmosphärenschicht
kann ohne Schwierigkeiten von außerhalb des Sicherheitsbehälters erfolgen, wobei
in der Sicherheitsbehälterwand lediglich Öffnungen bzw. Rohrleitungen mit einem
kleinen Querschnitt vorgesehen werden müssen. Da keine maschinellen Apparaturen
erforderlich sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren äußerst
zuverlässig.
Insbesondere werden keine Elemente benötigt, die unter Umständen als Zündquelle
für den Wasserstoff wirken können, wie es bei z.B. Antriebsaggregaten für Umwälzgebläse
der Fall sein kann. Als weiterer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt
hinzu, daß dieses auch bei bereits bestehenden Reaktoren eingesetzt werden kann.
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Aber auch dann, wenn die erforderliche Dichteänderung in den Atmosphärenschichten
durch Zuführen bzw. Abführen von Wärme erfolgt, ist das erfindungsgemäße Verfahren
zuverlässig und sicher. In einem solchen Fall ist es ausreichend, Wärmeaustauscher
vorzusehen. Diese Wärmeaustauscher können von außerhalb des Sicherheitsbehälters
mit einen Medium gespeist werden, welches die erwünschte Temperatur aufweist.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren können auch, wenn dieses erwünscht
ist, zusammen mit innerhalb oder außerhalb des Reaktors angeordneten Rekombinatoren
verwandt werden. In diesem Fall erfolgt aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahren
ein Transport von wasserstoffhaltige Atmosphäre vom Freisetzungsort, d.h. z.B. der
Bruchstelle der Primärkühlmittelleitung, zum Rekombinator.
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Die beiden erfindungsgemäßen Verfahren können auch-gleichzeitig oder
aufeinanderfolgend angewandt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bei dem zur linderung der spezifischen
Dichte einer Atmosphärenschicht ein Gas zugeführt wird, wird im folgenden in beispielshafter
Weise im Zusammenhang mit einem Kühlmittelverluststörfall in dem Sicherheitsbehälter
eines Reaktors unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben, in der schematisch ein
Druckwasserreaktor im Schnitt dargestellt ist.
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In der Figur ist mit 13 ein Sicherheitsbehälter eines Reaktors bezeichnet.
Der Innenraum des Sicherheitsbehälters ist durch Trennwände räumlich unterteilt,
wodurch die Räume 2 bis 10 gebildet werden. Jeder der Räume steht mit mindestens
einem benachbarten Raum durch Überströmöffnungen in Verbindung.
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In den Räumen 3, 5, 8 und 4, 7, 10 sind Dampferzeuger DE angeordnet,
die über Primärkühlmittelleitungen 14 mit einem Reaktor-Druckbehälter RDB verbunden
snd,.wel cher im Raum 9 angeordnet ist. Mit 1 ist diejenige Stelle bezeichnet, an
der ein Bruch in der Primärkühlmittelleitung aufgetreten sein soll.
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Es sind sich ins Innere des Sicnerheitsbehälters 13 öffnende Gaszuführleitungen
11 und 12 vorgesehen. Jeweils eine Gaszuführleitung 11 endet in den Räumen 8 und
10. Die Zuführleitungen 12 sind im oberen Bereich des Sicherheitsbehälters 13 angeordnet
und dienen zum Einleiten von Gas in den Raum 2.
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Aufgrund von Sicherheitsbehälterexperimenten ist es bekannt, daß im
Langzeitbereich, d.h. nach Stunden bis Tagen, nach dem Eintreten eines Kühlmittelverluststörfalles
eine thermische Atmosphärenschichtung im Sicherheitsbehälter zu erwarten ist. Dabei
weist die Atmosphäre im oberen Bereich des Sicherheitsbehälters eine deutlich höhere
Temperatur als die Atmosphäre im tiefer gelegenen Bereich des Sicherheitsbehälters
auf. Es liegt also der Fall einer thermischen Inversion vor. Es ist auch denkbar,
daß sich in Extrenfällen zwischen der unteren und der oderen Atmosphärenschicht
eine wärmere Schicht ergibt. Diese wärmere Schicht hätte die Wirkung einer thermischen
Sperrschicht.
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Nachdem sich eine Atmosphärenschichtung ausgebildet hat, weisen die
Atmosphären der einzelnen, miteinander durch Überströmöffnungen verbundenen Räume
keine nennenswerten Druckunterschiede auf. Wegen der niedrigeren Temperatur der
im tiefer gelegenen Bereich des Sicherheitsbehälters vorhandenen Atmosphärenschicht
hat diese eine größere spezifische Dichte als die Atmosphäre der darüberliegenden
wärmeren Schicht. Dies bedeutet, daß nach den Gesetzen der Physik die Atmosphäre
mit der tieferen Temperatur eine entgegengesetzte "Sperrbeschleunigung" erfahren
würde, wenn diese versuchte, entgegen der inversen Temperaturschichtung aufzusteigen.
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Diese thermische Sperrwirkung kann überwunden werden, wenn die spezifische
Dichte der tieferen Atmosphärenschicht kleiner als diejenige der höheren Atmosphärenschicht
ist.
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Ein solcher Zustand könnte durch eine ausreichende Anreicherung mit
dem beim Kühlmittelverluststörfall auftretenden Wasserstoff erreicht werden. Unter
den zu erwartenden Bedingungen in Bezug auf die unterschiedliche Temperaturen der
Atmosphärenschichten müßte dann in der unteren Schicht eine Wasserstoffkonzentration
vorliegen, die aus sicherheitstechnischen Gründen vermieden werden sollte. Die bei
Sicherheitsbetrachtungen maßgebenleGrenze liegt bei 4 Vol.-% Wasserstoff, d.h.
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bei der unteren Brennbarkeits- bzw. Explosionsgrenze.
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Erfindungsgemäß wird im vorliegenden Beispiel die Dichte der unteren
Atmosphärenschicht zumindest lokal soweit verringert, daß die thermische Sperrwirkung
überwunden werden kann, so daß sich der Wasserstoff auf ein größeres Volumen verteilt,
bevor die Wasserstoffkonzentration im unteren Bereich des Sicherheitsbehälters bzw.
der unteren Atmosphärenschicht einen unerwünscht hohen Wert erreicht hat.
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Dies geschieht im vorliegenden, beispielhaften Pall erfindungsgemäß
dadurch, daß ein leichtes, vorzugsweise ein Inertgas, wie z.B. Helium in die unteren
Sicherheitsbehälterräume 8 und/oder 10 eingespeist wird. Dadurch wird die Dichte
dieser tieferliegenden Atmosphärenschichten verringert, d.h. diese Atmosphäre erhält
im Vergleich zum Gesamtsystem einen mit dem erfolgenden Konzentrationsanstieg zunehmenden
Auftrieb, der schließlich die thermische Sperrbeschleunigung überwinden und damit
eine entsprechende Konvektion einleiten kann. Die dann auftretende Konvektiön würde
sich in Form einer Walze bilden, welche vorzugsweise die Räume 5,5,8,9,10,7,4 und
2 durchströmt.
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Solange eine geschichtete Atmosphäre vorliegt, wobei beispielsweise
die untere Atmosphärenschicht die Räume 5 bis 10 und die obere die Räume 2 bis 4
des Sicherheitsbehälters ausfüllt, ist eine Konvektion durch die- Räume 4,3 und
2 ohne zusätzliche. Maßnahmen für lange Zeit ausgeschlossen, da; )die thermische
Schichtung stabil ist. In der unteren Atmosphärenschicht selbst kann jedoch eine
Konvektionsströmung durch die Räume 7,6,5,8,9,10 auftreten. Durch diese Konvektionsströmung
würde aber nur eine Durchmischung innerhalb der unteren Atmosphärenschicht erfolgen,
in der gerade der Wasserstoff in dem Raum 10 freigesetzt wird. In der unteren Atmosphärenschicht
können infolgedessen lokale Wasserstoffkonzentrationen auftreten, deren Größe den
sicherheitstechnisch zulässigen Wert von 4 Vol.-% überschreitet.
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Statt der Einspeisung eines leichten Inertgases wie z.B. Helium kann
auch die Einspeisung von Wasserdampf in Betracht gezogen werden. Bei der Verwendung
von Wasserdampf als leichtem Gas wäre es möglich, ähnlich, wie bei einer zusätzlich
erwärmten Inertgaseinspeisung, die Temperaturinversion gezielt an einer Stelle zu
beseitigen oder zumindest zu verringern, so daß der örtlich aufgrund des Wasserstoffes,
des Wasserdampfes und/oder des Inertgases vorhandene Dichteunterschied zur Ausbildung
einer entsprechenden Eonvektionsströmung führen würde, wodurch eine Eonvekffonswalze
durch die Räume 3,5,8,9,10,7,4 und 2 aufgebaut würde.
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Die technische Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit
keinen ..nennenswerten Schwjerigkeiten verbunden. Wesentlich ist lediglich, daß
Mittel vorgesehen sind, durch die der Atmosphäre innerhalb des Sicherheitsbehälters
an vorgegebenen Stellen das erwünschte Gas zugeführt werden kann.
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Solche Mittel können die Rohrleitungen 11 und 12 sein, welche mit
einer sich außerhalb des Sicherheitsbehälters befindenden Gasquelle verbunden sind.
Eine solche Gasquelle können Gasflaschen sein, in denen normalerweise das sich unter
großem Druck stehende Gas im flüssigen Zustand befindet. Die Lagerung von solchen
Gasflaschen stellt kein Problem dar, da insbesondere, wenn es sich um ein Inertgas
wie z.B. Helium handelt kein Sicherheitsrisiko geschaffen wird. Die notwendigen
Steuerungseinrichtungen wie Ventile, Schieber usw. können außerhalb des Sicherheitsbehälters
vorgesehen werden, so daß keine besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen zu treffen
sind.
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Es kann auch in Betracht gezogen werden, ein Inertgas wie z.B.
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Helium dem Kühlmittel selbst zuzusetzen, z.B. im Kühler zur Nachwärmeabfuhr
oder in der Nähe der Nachkühlpumpen usw., da bei einem Kühlmittelstörfall das Gas
von dem Kühlmittel an diejenige Stelle transportiert wird, an der ein Bruch in der
Eühlmittelleitung aufgetreten ist.
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Der Zeitpunkt und die Dauer einer einmaligen oder wiederholt erfolgenden
Einspeisung eines Gases können anhand der ohnehin vorgesehenen Instrumentierung
zur Temperatur- und Wasserstoffkonzentrations-tiberwachung festgelegt werden.
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Es kann auch in Betracht gezogen werden, die Gasquelle selbst, d.h.
z.B.- die Heliumflaschen innerhalb des 3icherEebehäMers zu.
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lagern, wobei jedoch Maßnahmen getroffen werden sollten, um beim Auftreten
eines EuhlmittelverluststörfalIes-eine Beschädigung der Gasflaschen und der ihnen
zugeordneten Ventile und Leitungen zu vermeiden. Der Vorteil besteht in diesem Falle
darin, daß keine Durchbrüche in der Wand des Sicherheitsbehälters notwendig sind.
In vielen Fällen sind jedoch bereits zu Probenahmezwecken (z.B. H2-Messung) Leitungen
vorhanden, welche den Sicherheitsbehälter durchdringen und für eine Gaseinspeisung
genutzt werden könnten.