DE1589867A1 - Brennstoffbuendel fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

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Central Elecric Coapany, 1 River Road, Soheneetady, H.T.,USA BrennstoffbundeX für Kernreaktoren

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet dar Kernreatoren und betrifft «in BrennetoffbOndel für iolche Kernreaktoren.

Ba 1st bekannt« daÄ bei der Kernspaltung groi· Energienengen freigeeetct werden. Hierbei wird «in Neutron von einen spaltbarem Isotop wie ü-233, U-235» Fu-241 abiorbiert, und daraufhin eerflllt da· Isotop unter Spaltung. Bei der Kernspaltung entstehen i» Mittel swei Spaltprodukt· von niedrigerem Atongewiobt, die «in« h«he kinetieohe Energie besitsen.

Außerdem werden nooh mehrere hoonenergetisohe Neutronen freigeaetst. Bai dar Spaltung von ü-235 antatahan beispielsweise •In leichteres Spaltprodukt» daasan Maiienialil swisehen 80 und 110 liegt, weiterhin «in schwereres Spaltprodukt nit ainar MaeaeniaJtl swischen 125 und 155 und im Mittal 2,5 Neutronen . Dia pro Spaltung freigesetste Inargla reieht an 200 MeV haran«

Dia kinatiaoha Bnargia dar Spaltprodukt· vird sehr raaeh ala Wtaaa i» Xarnbrannatoff varniehtat. Kann nach dar Wiraaar* laugung nooh mindaatana aln Neutron übrig bleibt, da· eine weitere Spaltung induiiert, unterhält iloh die Spaltungakette lelbatt to dal die Wineaereiugung kontinuierlich wird· Die Wlraa wird durch ein Kühlmittel abgeführt, das am Kernbrennstoff Torbeiflieat· Die Reaktion kann ao weiterverlaufen» wie ausreichend viel spaltbares Material vorhanden ist» das die Einflüsse der Spaltprodukte und anderer neutronenabsorber wie beispielsweise dar Steuerstäbe überwiegen kann·

Um die Spaltreaktionen mit einer solchen Geschwindigkeit ablaufen lassen su können, die die Erseugung verwertbarer wlrmemengen gestattet, werden heute Kernreaktoren konstruiert und betrieben» in denen das spaltbare Material in Brennstoffelementen untergebracht ist, die als Platten» Röhren oder ala Stäbe ausgebildet sind. Vm? SweokmäAlgkeit halber aollen

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daher dl« Brennstoffelemente TmcWtSlgBSSfWimtitiNFF werden. Solch· Brennstoffsttbe weis«n üblicherweise «int korrosionsbeständige Brennstoffhüll· auf, die weder spaltbar·· noeh brütbar·· Material enthalt. Die Brennstoffstäbe werden in vorgegebenen Abttlnden voneinander in Gruppen angeordnet und als Brennstoffbfindel in einen Kflhlidttelkanal elngesetst. Zu» Aufbau de» Reaktorkerne, in de» die Kettenspaltung von selbst welter!luft» wird eine auarelehende Antahl eoloher Brennstoffbündel «uaaaaengefaSt. Der Reaktorkern wird flblioherwelee in ein Reaktordruckgefäß eingesetst.

Kernkraftwerke werden la allgemeinen für periodieohe Absohaltung ausgelegt, wlhrefSPder Kernbrennstoff ausgetausoht werden kann· Dieser Vorgang soll als "Hachladen" des Reaktorkern· bezeichnet werden und besteht darin, da* der bestrahlte Brennstoff garn oder teilweise duroh neuen Brennstoff ersetst wird. tJtolicherweise sieht der Maohladeplan eine Absohaltung des Reaktors für Seiten des geringsten Ketsstrosfeedarfes vor. Oblleherweise werden 20-251 des bestrahlten Brennstoff· aus des Kern entfernt» und tutbestrahlter Brennstoff wird nachgeladen. Bei eine« Austausch von 23t des Brennstoffs pro Jahr ist der Kern naoh vierJIhrige« Moraalbetrieb vollständig erneuert.

Die kernphysikalisohe Auslegung des nachsuladenden Brennstoffe

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wird viele Monate (12 Monate sind keine Ausnahme) vor dem eigentlichen Austausch im Reaktorkern festgelegt. Diese Vorbereitungsseit wird überwiegend für die kernphysikalisohe Auslegung, die Herstellung, Prüfung und Lieferung des nachr suladenden Brennstoffs benötigt. Es sollte bemerkt werden, daA die kernphysikalisohe Auslegung des naohsul&denden Brennstoffs von dem fur den Tag des geplanten Austausches erwarteten Zustand des Reaktors abhängig ist. Bei der Auslegung des naohsuladenden Brennstoffs sind die folgenden Gesichtspunkte in Betracht su siebenι

1) Reaktivität des Kerns und des verbleibenden Brennstoffs,

2) geplante Lebensdauer und Reaktivität des naohsulassenden Brennstoffs,

3) Wirksamkeit der Steuerstäbe (Neutronenabsorption der Steueretäbe),

*) gewünschte Abschaltsioherhelt (Wirksamkeit der Steuerstäbe, die über die sur Abschaltung des Reaktors erforderliche Wirksamkeit hinausgeht).

Da die Auslegung des neuen Brennstoffs lange im voraus erfolgt, wird sie , wenn unerwartete Abweichungen von vorausgesagten Bedingungen eintreten, sur ZeI* ies tatsächlichen Austauschte auf die Betriebsbedingungen im Reaktor wahrscheinlich nicht mehr vollständig abgestimmt sein. Abweichungen kennen sieh beispielsweise daraus ergeben, daA die tatsächliche Reaktor-

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leistung über oder unter der für den betreffenden Zeitraun geplanten Leistung liegt.Unter wirtschaftliehen Gesichtspunkten wätfe es sehr erwünscht, daß die Eigenschaften de» neuen Brennstoffs geändert werden können, so daß sie den Erfordernissen des Reaktors sur Zeit des tatsächlichen Austausches soweit wie möglich entsprechen.

Nachdem der neue Brennstoff für die angenommenen Reaktorbedingungen ausgelegt und hergestellt worden ist» gibt es naoh den Stand der Teohnik jedoch nur beschränkte und komplizierte Verfahren, die eine solche Änderung ermöglichen. Der ffir die Änderung neuer Brennstoffbündel erforderliche Zeit- und Kostenaufwand kann so hoch sein, daft es sinnvoller erscheint, nicht abgeänderte Brennstoffbündel einsusetsen und «inen geringeren Wirkungsgrad in Kauf su nennen, da* es ferner sinnvoller ist, Steuerstäbe außerplanmäßig auszutauschen» um ihren Reaktivitätswert su senken oder su erhöhen, oder Brennstoffbündel im Kern umsuordnen, oder beides.. Derartige Situationen verursachen häufig sehr hohe Kosten und eine länger dauernde Abschaltung des Kernkraftwerks oder andere Schwierigkeiten, die des wirtschaftlichen Betrieb mit hohes Wirkungsgrad entgegenstehen*

Außerdem hat die bisherig· Erfahrung geseigt, daft bestrahlt· Brennstoffbündel vor Ablauf ihrer geplanten Binsattdauer aus

Kern herausgenoBu&tn werden mußten. Di···· unplanaäftig·

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Entfernen der Brennstoffbündel aus des Reaktor kann auf aeohanlsehe Beschädigung «inta oder Mehrerer Brennstoffstäbe in dan Brennstoffbündel oder auf unerwartete Änderungen dar karnphyiikaliaohan Bigeneohaftan oder Erfordernisse das Brennstoffbündel» oder das Reaktorkerns surücksuführen sein. In solchen Pillen war ea biahar üblich, das Brennstoffbündel völlig neu aufarbeiten au lassen, da aa radioaktiv iat und nicht ohne weiteres abgeändert oder ausgebessert werden kann.

Das Siel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dieae Schwierigkeiten su beseitigen, und swar durch ein Brennstoffbündel, daa ohne weiteres ausgebessert oder abgeindert werden kann» während es sich i» Reaktorkern oder in eines getrennten Behälter, beispielsweise eine« Vaaserbeaken neben de* Reaktordruokgefä* befindet.

Die vorliegende Erfindung waist ein Brennstoffbündel aundt einer leicht ajbnehebaren oberen Gitterplatte und einer Ansahl von Brennstoff stäben, die nach AbnehMen der oberen Gitterplatte leicht heramge—an oder eingesetst werden kennen· Dasu sind spesiell konstruierte obere und untere Endetopfen für die Breimstoffetäbe und ein abneheAarer Verriegelungeieehaniemis für die obere Oitterpl*tte vorgesehen. Die unteren Bndstopfen sind so ausgebildet, daft der Brennstoff-

stab herausgenommen oder eingesetst werden kann» ohne daft sie sich in den Abstandshaltern des BrermstoffbQndele verfangen. Dies ist auf das Zusammenwirken einer selbst-sentrierenden Zyiinderfläohe und besonders ausgebildeter konischer Flächen eurüokeuf Ohren. Die oberen Endetopfen sind so ausgebildet, daft werkseug sua Beben oder Senken der Brennstoffstftbe abnehabar daran befestigt werden kann. Der Verriegelungemeohanlsaus verriegelt die Sicherungsmuttern für die obere Qitterplatte durch Verrlegelungssungen, die ait Verkseug leicht von den Sioherungsauttern getrennt werden können.

Xa folgenden soll die Erfindung In Verbindung alt den Zeichnungen la einseinen beschrieben werdenι

Figur i seigt seheaatiseh den Aufbau einer lernkraftwerkeanlage. Das Reaktordruckgefäß, in dea das arflndungsgsaHe Brennetoffbündel verwendet werden kann» 1st teilweise ia Schnitt geseigt.

Figur 2 ist eine perepektivisohe Ansieht eines erfindungsgeatften Brennatoffbflndels, das teilweise Ia Schnitt geseigt ist·

Figur 3 1st ein vergreer Sohnitt dureh tin erfindungsgeaaßes Brenastoffbttedel.

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Figur H ist eint Draufsicht auf das erfindungsgei&ä&e Brenn-•toffbOndel . Der Schnitt ist entlang der Linie 4-4 aus Figur 3 gelegt.

Figur 5 ist eine vergrößerte, teilweise i» Schnitt gezeigte Ansicht eines herausnehmbaren Brennstoffstabes des erfindungsgeaißen BrennstoffbOndels.

Figur 6 ist eine vergrößerte, teilweise in Schnitt geseigte Aneloht eines anderen, herausnehmbaren Brennstoffstabes des erfindungsgeaäßen BrennetofTtoOndele.

Figur 7 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den Verriegelung·- ■eohmniBBUs für die abnehmbare obere Gitterplatte, die as besten aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich .ist.

Figur 8 ist eine Seitenansicht des Verriegelungsnechaniswus naoh der Figur 7.

In Figur 1 ist aoheaatisoh eine Kernreaktoranlage dargestellt, in der die Brennstoffbflndel naeh der Erfindung verwendet werden können.Ee sei beaerkt, daß die Lehren der Erfindung bei verschiedenen Kernreaktoren angewendet werden können, also beispielsweise bei wasseraoderierten Reaktoren, bei ■ehwerwasserModerierten und graphitaoderierten Reaktoren,

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bei organisch- oder natrium-moderierten Reaktoren. Die Erfindung ist ebenfalle auf solche Reaktoren anwendbar, die als Moderator und Kühlmittel andere Medien verwenden. Die Erfindung wird jedoch in Verbindung mit einem Siedewasserreaktor beschrieben, da sich die erfindungsgea&Aen Brennstoffbündel für Siedewasserreaktoren als besonders sveckmU&ig erwiesen haben.

Die Kernreaktoranlage aus Figur 1 weist ein Reaktordruokgofäfi 10 mit einem abnehmbaren Deekel 12 auf, der durch Flansche 14 und 16 befestigt ist. Innerhalb des DruokgeflAes 10 ist ein Reaktorkern 18 angeordnet, der mehrere senkrecht angeordnete Brennstoffbfindel 20 aufweist. Jedes Brennstoffbündel besteht aus einer Ansahl von langen Brennetoffstfiben, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet und mit Hilfe der oberen und der unteren Gitterplatten gehaltert sind. Die beiden Qitterplatten sind mit öffnungen versehen, duroh die das Kühlmittel hindurchströmen kann. Jedes Brennstoff bündel ist mit einem offenen Strömungskanal versehen, der die BrennstoffstAbe umgibt.

Dureh den Boden 23 des Reaktordruokgefiftes sind eine Ansahl von Durchführungen 22 hindurchgeführt und dort verschweißt, dureh die die Antriebestangen für die Steueretäbe hindurchführen. Auf die oberen Enden der Durchführungen 22 sind

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•ine Ansahl von Steuerabführungerohren 24 aufgesetst, die mit ihren unteren Enden an den Durchführungen 22 verschweigt sind und von ihnen getragen «erden. Die oberen Enden der Steuerstababführungsrohre 24 sind durch die untere Gitterplatte 26 des Reaktordruckgefäß» festgelegt. Das obere Ende eines jeden Steuerstabfflhrungsrohres ist mit vier Sockeln ausgerüstet (nicht geseigt)! Außerdem ist jedes obere Ende eines Steuerstababführungsrohres mit; einer kreuzförmigen Öffnung versehen. Jedes Führungsrohr 24 trägt vier Brennstoffbündel 20. In jedem der vier Sockel dist die untere Gitterplatte 25 eines Brennstoffbündels eingesetzt. Jedes Führungsrohr 24 ist mit Öffnungen 28 versehen _t die in der Nähe des oberen Rohrendes liegen und die einmal mit dem Vorratsraum 30 und sum anderen durch die Sockel und die unteren Oitterplatten hindurch mit dne sugehSrigen Brennstoffbündeln in Verbindung stehen. Die Steuerstibe 32 sind gestriohelt dargestellt. Mit diesen Steuerstiben 32 werden der gesamte Leistungepegel und die Ortliehe Leistungsverteilung in dem Reaktor eingestellt. Zn jedem Führungsrohr ist ein kreusfOrmiger Steuerstab angeordnet, der duroh die kreusfOrmige Öffnung im Führungsrohr hindurehgeht und »wischen den vier Brennstoffbündeln 20 auf- und abbewegt «erden kann» die auf das Führungsrohr aufgesetst sind. Die Steuerstäbe «erden sit Hilfe von Antriebsstangen in den Reaktorkern hineingesohe&en und aus ihm herausgesogen, die duroh di$ IHirofefÜhitiflgeP 22 hinduroh lauf err. Di β Antriebs-

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stangen 33 sind ebenfalls gestrichelt dargestellt Korden. Die Antriebsetangen «erden selektiv von einselnen Antriebsmechanismen betätigt (nicht geselgt), die die Stellungen der SteuerstSbe in den Reaktorkern bestimmen.

Innerhalb dea Reaktordruokgeflftes 1st ein Kernmantel 31 angeordnet, der den Reaktorkern umgibt, derart« daft sioh swisohen dem Kernmantel 31 und der Druokgeftftvand ein Ringrauai 36 befindet. Ve« Boden de· RingrauMt 36 wird Omwilswasser al· Moderator und Kühlmittel von einer Pumpe 38 kontinuierlich abgepumpt und in den Vorratsrau* 30 gedrüokt.

Wlhrend des Betrieb· eine· typischen Siedewasserreaktors wird ie Kern 18 ein Dampf-Vassergesdseh erseugt, das in den Do« 27 gelangt. You dort etrtet das Dampf-Waesergemisoh in

Vasserabsebeider 10 ein.Dort wird der grölte Veil de· Wasser· von de« Dampf getrennt. Der abgetrennte Dampf strömt in den Dampftrockner MZ hinein, der avf einen Ring 11 montiert ist· Dort wird das restliohe wasser aus dem Dampf entfernt. Der trockene Dampf au· dem Dampftrockner wircjan eine Turbine 16 weitergeleitet, die einen elektrischen Generator antreibt. Das wasser aus den Vasserabsoheldern 10 und de« Dampftrockner 12 flieAt nach unten und Ober den oberen Boden de· Domes 27 radial nach amften, dann durch die Abscheider hindurch und in den Xlngra«« 36 hinein. Der Wasserstand im

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-12-Reaktordruokgefäß ist duroh die gebrochene Linie 50 angedeutet.

Abdampf aus der Turbine 46 wird im Kondensatorsumpf 52 kondensiert und gesammelt. Das Dampfkondensat wird duroh eine Pumpe 54 abgepumpt und als Speisewasser einem Sprühkrans 56 zugeführt, so daß dieses Speisewasser mit dem Wasser gemischt wird, das aus den Wasserabseheidern 40 und dem Dampftrockner 42 stammt. Das Umwälswasser otrörat also aus dem Vorratsraum 30 naeh oben» dann naeheinander duroh die Brennetoffbttndel 20, den Dom 27 > die Wasserabscheider 40, die obere Kammer 58 und den Ringraum 36 entlang und kommt dann «um Einlaß der Umwälzpumpe 38 surüek. Es sei bemerkt, daß das Wasser auoh durch Strahlpumpen umgewälet werden kann, die im Ringraum 36 angeordnet sind. Das Wasser aus dem Vorratsraum 30 wird in ewei parallele Teilströae unterteilt.

Der erste Teilstroa, der aus etwa 90 % des gesamten Wassers aus dem Vorrateraua 30 besteht, geht nacheinander duroh die Öffnung 28 oben in den 8teuerstabführungsrohren 24 und duroh die untere Gitterplatte 25 der Brennetoffbündel hinduroh, tritt dann in die BrennstoffbOndel ein und strömt die Kanäle der Brennstoffbündel entlang. Dann strömt das Wasser duroh die oberen Qitterplatten der BrennstoffbUndel hindurch und gelangt in den Don 27· Innerhalb der Strömungekanäle dient dieses Wasser als Moderator und als Kühlmittel für die Brennstoffstäbe. Es wird dabei ium Teil rerdampft, so daß ein Dampf-Wassergeaisch entsteht.

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Dor Bweit@ T©ilgtrora, der gewöhnlieh als Nebenatrom baselohnet wird und aus d©n restlichen 10 % des Wassers besteht, das aus d@m Vorratsraum 30 herausgepumpt wird, geht durch die ringförmigen öffnungen 59 hindurch, die zwischen den Außenflächen an den oberen Enden der Steuerstab - führungsrohrβ 24 und d@n antsprechenden Offnungen in der unteren Gitterplatte 26 des Druckgefäßes gebildet werden. Dieser Teiletrom strömt durch diejenigen Zwischenräume nach oben, die sich zwischen den Auß©ns®iten der Strdmungskanäle der Brennstoffbündel und den St#u@rstäb@n 32 befinden. Dann gelangt dieser Teiletrom durch Zwischenräume in den Dom 27 hinein, die zwischen den oberen Enden der Brennstoffbündel gebildet sind. Dieser Teilstrom di@nt dazu, die Steueratäbe und die Strömungskanäle der Brennstoffbündel eu kühlen, so daß sich in diesen Qebieten kein Dampf bilden kann. Außerdem trägt dieser Teilstrom sur Moderatorwirkung des Wassers innerhalb der Brennstoffbündel bei« Die Qualität des Dampf-Wassergemisohes, das duroh die Vereinigung der beiden Teilströme im Do» 27 entsteht, beträgt etwa 10 %,

In der Figur 2 1st da· erfindungsgemäße Brennstoffbündel mit herausnehmbaren Brennstoffstäben dargestellt. Das BrennstöffbOfidel 20 b«st«^t gan* allgemein aus ein·« offenen rahrfuralt·*! Brennt tcffkasttn 62, aus Brennstoff stäben 6H_t Gittn^piatt· 25, der oberen Gitterplatte 68 und

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Abstandestücken 70 für die Brennstoffstäbe. Die Brennstoffstäbe 64 gehen durch die Abstandsstücke 70 hindurch, die sich an die Innenwand des rohrförmigen Brennstoffkastans 62 anlehnen und die Brennstoffstäbe in einem gewissen Abstand haltern. Diese Abstandsstücke der Brennstoffstäba sind entlang dem Brennstoffbündel in vorgegebenen Abständen angeordnet, die beispielsweise 35-40 cm betragen können. Außerdem sind sie mit einem oder mehreren Brennstoffstäben verbunden, so daß sich die Abstandsstücke in Längsrichtung nicht mehr bewegen können. Zum Verbinden der Brennstoffstäbe mit den Abstandsstücken gibt es verschiedene Möglichkeiten. Mann kann beispielsweise den Brennstoffstab mit Verriegelungsvorriohtungen versehen, die den gleichen Abstand voneinander haben.

Jeder Brennstoffstab 64 weist eine lange Hülse auf, die spaltbares Material, wie beispielsweise angereichtertes Urandioxyd (UO₂) enthält. Das spaltbare Material ist üblicherweise in Fons von Pillen hoher Dichte in die Brennstoffhülse gepackt, so daß die Pillen mit ihren Stirnflächen aufelnanderliegen. Man kann das spaltbare Material aber auch als Pulver oder Partikel von hoher Diohte in die Hülse einbringen und es in der Hülse nooh einmal verdichten. Di· beiden Enden der Brennstoffdüse sind verschlossen» so daß d*s Kühlmittel mit dem spaltbaren Material nicht in Berührung ltowm*n kann.

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Außerdem können dann Spaltprodukte nicht mehr aus der Hülse außtreten. Die unteren Enden der Brennstoffstäbe sind auf die untere Gitterplatte 25 aufgesetzt und passen in AufnahmeOffnungen 72 hinein, die in der Gitterplatte vorgesehen sind. Weiterhin ist die untere Gitterplatte mit Öffnungen 7*> versehen, die neben den AufnahmeOffnungen 72 liegen und direkt mit der unteren Einlaßöffnung 76 in Verbindung stehen. Das untere Ende des rohrförmigen Brennstoffτ kastens 62 geht nach unten um das obere Ende der Gitterplatte horum. Das untere Ende der Gitterplatte ist abgeschrägt und weist eine Nane 78 mit kreisförmigem Querschnitt auf.

Wenn das Brennstoffbündel in den Reaktor eingesetzt ist,

der

ruht aiese Nase auf einem(Sockel» die oben auf dem Steuerstab« führungsrohr 24 aus Figur 1 angeordnet sind.-Wenn das BrennstoffbündeX in den Reaktor eingesetst ist, steht die untere Öffnung 76 mit dem Vorrateraum 30 aus Figur 1 in Verbindung.

In den Figuren 3-8 sind die verschiedenen Einzelheiten der abnehmbaren oberen Gitterplatte und der Brennetoffetfi.be dargestellt, die aus den erfindungsgemlßen Brennstoffbündel herausgenommen werden können. Die Figuren 3 und H seigen, daß die abnehmbare obere Gitterplatte 68 des erfindungsgemäßen Brennstoffbündels vier Verriegelungen 79 hat (die im Detail in Fig. 7 und 8 geeeigt sind). Jede dieser Verriegelungen ist mit swei Verbindungsetiben 6Ί verbunden. Außerdem

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weist das orfindungagemäße Brennstoffbündel zwei Grundtypen von herausnehmbaren Brennstoff stäben auf, nämlich die Verbindungen stäbe 64' (siehe Fig. 6) und die Brennstoffstäbe 64 (siehe Fig. 5). Die oberen und unteren Gitterplatton werden '/on den Verbindungestäben 64* zusammengehalten. Zwischen den oberen und unteren Oitterplatten sind die Brennetoffstäbe 64 angeordnet. Beide Arten von Brennstoffstäben haben untere Endstopfen« die später im Einseinen beschrieben werden sollen. Die unteren Endstopfen sind so ausgebildet, daß die Brennstoff stäbe auf- und abbewegt werden können, ohne daß sich die Endstopfen in den Abstandsstdoken 70 verfangen. Die unteren Endstopfen 80 der Verbindungsstäbe 64' sind mit Gewinde versehen, wogegen die unteren Endetopfen 82 dar Brennstoffstäbe 64 kein Gewinde haben. Außerdem aind die oberen Endstopfen 84 der Verbindungsstäbe 64*oben so ausgebildet, daß sie die abnehmbare Verriegelung 79« Muttern 86 und Werkzeug sum Herausnehmen der Brennstoffstäbe (nicht gezeigt) aufnehmen können. Die oberen Endstopfen 88 der Brennstoffstäbe 64 dagegen passen in öffnungen 90 in der oberen Gitterplatte hinein und sind an Werkzeug zum Herausnehmen dieser Brennstoffstäbe angepaßt.

Die unteren Endstopfen 82 der Brennstoffstäbe 64 passen in Aufnahmeöffnungen 72. Dat obere Ende einer jeden Aufnahme-Öffnung 72 ist an der Innenseite der unteren Gitterplatte

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abgeschrägt (94), so daß der konische Teil 96 des unteren Endstopfemts 82 in die Aufnahmeöffnung hineinpaßt. Die unteren Endstopfen 80 der Verbindungsstäbe 64» haben Gewinde (98), die in die Aufnahmeöffnungen 72' mit Innengewinde hineingesehraubt werden können. Die Aufnahmeöffnungen 72'sind auch an der Innenseite abgeschrägt, so daß der konische Teil 100 d®s unteren Endstopf ens 80 in die AufnahmeäTnung hineinpaßt.

DIs Figuren § und 6 sseigen den Brennstoffstab 64 und den V©rbindungsstab 64*, die bereits in Verbindung mit dem Brennstoffbündel nach des Figuren 2 bis 4 kurz beschrieben worden sind. Diese beiden Brenntfe>ff stäbe, sowie das Verfahren zur Verriegelung der Verbindungsstäbe in dem Brennstoffbündel sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Nun soll auf dia Figur 5 Bezug genommen werden. Der Brennstoffstab 64 weist eine langgestreckte zylindrische Hülse 102 auf, die aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sein kann; Zirkon wird jedoch wegen seines niedrigen Neutroneneinfangquersohnittes bevorzugt. Das obere und das untere Ende des Brennstoffstabs sind duroh den oberen Endstopfen 88 und den unteren Endstopfen 82 verschlossen, die vorzugsweise ebenfalls aus Zirkon bestehen. Diese Endstopfen sind jeweils mit den gegenüberliegenden Enden der Hülse 102 versohweißt verschmolzen, so daß das Kühlmittel keine Berührung mit

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dem Brennstoff hat und die Spaltprodukte nicht aus dem Brennstoff stab austreten können. Die Hülse 102 enthält spaltbareβ Material, wie beispielsweise Urandioxyd in Form von Pillen 106. Die Pillen liegen mit den Stirnflächen aufeinander. Die Pillen können tellerartig ausgebildete Stirnflächen oder freie Volumina 108 aufweisen, so daß die Pillen sich während des Betriebs im Kernreaktor ausdehnen können» Der Brennstoff stab 64 weist ferner ein freies Volumen Ho für die gasförmigen Spaltprodukte auf, die während des Reaktorbetriebes von dem Kernbrennstoff freigesetzt werden.Das freie Volumen llOJtst so bemessen, daß es die gasförmigen Spaltprodukte unter angemessenem Druck aufnehmen kann, die erwartungsgemäß von dem Kernbrennstoff während seiner geplanten Einsatzdauer im Kernreaktor freigesetzt werden. In dem freien Volumen 110 ist eine Feder 112 angeordnet, die die Pillen 106 mit den Stirnflächen aufeinanderdrflckt und eine Kraft von oa. 2,268 kg (5 Pounds) ausübt. Die Feder 112 besteht vorzugsweise aus Inconel-X-Stahl oder anderem Material mit geeigneten Federeigensehaften. Di« Feder 112 wird vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildet, deren Außendurelnesser geringer als der Innendurchmesser der Hülse Io2 1st. Zwischen dem unteren Ende der Feder 112 und dem oberen End· der obersten Brennatoffpille 106 ist eine flach·» kreisförmig· Platte 114 vorgesehen,di· verhindern soll, daß Brennetoffteilohen oder -span· in das freie Volumen gelangen, und di· sicherstellen soll, daß der Federdruek gleiohaäMg SEf dl·

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- 19 oberste Brennetoffpille ausgeübt wird.

Pie Figur 5 seigt, daß der untere Endstopfen 82 einen sylindrieohen Bund 116 aufweist, dessen Durohmesser annähernd gleich den Au£endurohmesser der Hülse 102 lot, sowie einen Endabsohnitt 118, der sieh in die Hülse 102 hineineratreckt. Der Endabsohnitt 118 ist massiv; er weist eine konische Außenfläche 120 auf, sowie eine flache Innenfläche 122, auf die sich die unterste Brennetoffpille abstützt. Ein abgeschrägt

tee RingvoXuiaen 124 wird «wischen der konischen Außenfläche 120 und der Innenwand der Hülse 102 gebildet. Zwischen der Außenfläche 128 des zylindrischen Bundes 116 und dem konischen Abschnitt 130 wird eine umlaufende Einkerbung 126 gebildet. Der vorzugsweise zylindrische Bund 116 umfaßt einen Teil des Schweißwerkstoffes. Zum Verschweißen werden der Bund 116 und das Ende der Hülse 102 auf eine Temperatur erhitzt, die über den Sohmelspunkten dieser beiden Teile liegt. Dadurch

* entsteht eine umlaufende Sehweißnaht 132, die dann abgerundet wird. Ihre Aufgaben werden naohfolgend beschrieben. Ein besonders wichtiges Merkmal des Endstopfens 82 ist die eylindrieche Oberfläche 131, die sich in Längsrichtung erstreckt* Die Aufgaben dieser Oberfläche 134 sollen nachfolgend besohrieben werden. Unterhalb der zylindrischen Oberfläche 134 erstreckt sich ein konischer Teil 96 nach unten, der in einen zylindrischen Abschnitt 136 übergeht, an den sich wiederum eine

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geschcssförraig ausgebildete Nase 1?8 ansehließfc_c

Die Arbeitsweise und die Aufgaben des unteren Endstopfens 82 sollen nun in Verbindung mit den verschiedenen Figuren der Zeichnungen besehrieben werden. Die geschoapförmig ausgebildete Nase 138 stellt eine kleine glatte Form dar, die leicht in die Abstandsstücke 70 (Fig. 2 und 3) und in die Aufnahmeöffnungen 72 der unteren Oitterplatte 25 eingesetzt werden kann. Die Figur 3 zeigt am besten« daß der Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 136 etwas geringer als der Durchmesser der Aufnahmeöffnung 72 ist, to daß der zylindrische Abschnitt 136 in die Aufnahmeöffnung eingeführt werden kann. Der konische Abschnitt 96 paftt in den konischen Teil 94 der Aufnaheeöffnung 72, so daft der Brennstoffstab in der radialen Richtung und in der Llngtriohtung festgelegt ist. Die Neigung des konischen Abschnittes erleichtert die Führung des Brennstoff Stabes, wahrend er in das Brennstoffbündel eingesetzt wird.

Bine Hauptschwierigkeit bei der Konstruktion eines tatsächlich herausnehmbaren BrennstoffStabes liegt darin, daft sich der Brennstoffstab während des Einsetzens in das Brennstoffbündel oder des Herausnehaens aus dem Brennstoffbündel nicht in den Abstandshaltern 70 mechanisch verfangen darf* Dieses Verfangen tritt insbesondere auf, wenn der Abstandshalter

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Klainteile aufweist,wie beispielsweise Gitterdrähte oder mefcaXlisehe Vorsprünge, die sich in der umlaufenden Einkerbung 126 des unt©3?©n Endstopfens verfangen können_s wie es am besten in Figur 5 gezeigt ist. Die umlaufende Einkerbung 126 ist j@d©@h erwünscht, da sie verhindert, daß während des Versehweinens übermäßige Wärme von dem Bund 116 abgeleitet . Man hat festgestellt, daß die zylindrische Oberfläche die sich longitudinal erstreckt, die seitliche Bewegung des herausnehmbaren BrennstoffStabes ausrichtet und dämpft, wenn er duireh die Abstandshalter geführt wird» so daß Kleinteile des Abstandshalters sich nicht in der umlaufenden Einkerbung 126 verfangen. Die Länge (L) der zylindrischen Oberfläche 15t beträgt vorzugsweise annähernd 2,54 mra(O,l inch). Durch eine größere Länge CL) werden die Ausrichtungs- und Däsnpfungsei^genschaften der zylindrischen Oberfläche 134 nicht verringert; sie können, im Gegenteil, sogar geringfügig verbessert werden. Eine Verbesserung wäre darauf zurüokzufuhren, daß für die Ausrichtung und Dämpfung des herausnehmbaren Brennstoffetabes mehr Zelt und eine längere Strecke zur Verfügung stehen, während er in das Abstandsstück eingeführt wird. Wenn die Länge (L) jedoch wesentlich verringert wird, ist es weniger wahrscheinlich, d&ß die seitliche Bewegung des üTOnnetoffstabes bei Einführung in den Abstandshalter begrenzt oder gedämpft wir·!, da er dann keine Berührung mit der «;yllsi$rieeh#n Ob«?,fläch© 134 hat. Daher können die seitlichen

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Bewegungen oder Erschütterungen des Endetopfens des Brennstoff Stabes dasu führen, daß sich Kleinteile des Abstandshalter in der umlaufenden Kerbe 126 verfangen, während der Brennstoffstab in den Abstandshalter eingeführt wird. Es sei bemerkt, daß die abgerundete Kante der umlaufenden Schweißnaht 132 geringfügige Ungenauigkeiten in der Ausrichtung des BrennstoffStabes während des Einsetsens suläftt, da der Brennstoffstab mit Hilfe der abgerundeten Kante ausgerichtet wird, während er in den Abstandshalter eingeführt wird. In gleicher Weise werden, wenn der Brennstoffstab aus dem Brennstoffbündel herausgesogen wird, Ungeanuigkeiten der Ausrichtung mit Hilfe der konisch zulaufenden Oberfläche 130 berichtigt, so daft sich der untere Endstopfen 82 nicht in dem Abstandshalter verfängt.

Aus dem Vorstehenden ist also ersichtlich, dad ein unterer Endstopfen 82 von besonderer Eigenart vorgeschlagen worden ist, der nicht nur gut an die Brennstoffhülse 102 angesohwelftt werden kann, sondern auch das Einsetzen und Herausnehmen eines BrennstoffStabes in das bzw. aus dem Brennetoffbündel erleichtert.

Der obere Endstopfen 88 weist einen aylindriachen Bund 140 und einen Endabsohnitt 1*2 auf, die grundsätzlich In der gleichen Weise wie der Bund 116 und der EndabschrMf. 118 des unteren Endetopfens 82 ausgebildet sind und die gli

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Aufgaben erfüllen. Auf dem Bund 1*0 erstreckt sich ein tsylindrisoher Teil 144 nach oben,der von einer Druckfeder 346 umgeben wird, deren Arbeitsweise nachstehend beschrieben werden soll. Es sei bemerkt, daß neben dem Bund 140 eine Rille 148 zur Aufnahme der untersten Windung der Druckfeder 146 vorgesehen ist. Bs ist wichtig, daß die Druckfeder 146 gehaltert wird, denn sie könnte sich sonst während der Handhabung der Brennstoffstäbe lösen und in das Brennstoffbündel oder den Reaktorkern fallen. Nahe dea oberen Ende des oberen Endstopfens 88 ist ein Einschnitt 150 «wischen der konischen Oberfläche 152 an unteren Ende und der oben rechtwinklig angeordneten ringförmigen Oberfläche 154 vorgesehen.Der Endstopfen 88 weist ferner eine sioh in Längsrichtung erstreckende »ylindrisehe Oberfläche 156 auf, die annähernd den gleichen Durchmesser wie der «ylindrisohe Abschnitt 144 hat, sowie eine gesohossföraig ausgebildete Nase 158.

Das Verseug 160 sub Herausnehmen des Brennatoffstabes ist in unterbrochenen Linien geieigt. Das Werkzeug weist Pinger auf, die durch das untere Ende einer BOlse 164 nach innen vorgespannt sind. Die Hülse 164 1st in Längsrichtung su den Fingern 162 verschiebbar. Bei« Betrieb wird die Hülse 164 von den Fingern 162 abgesogen, so daß sie sieh radial auseinander bewegen können. Die Finger werden dann sum Fluohten gebracht alt der geschossförmig ausgebildeten Nase 158 und

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über »ie und die sylindr&sehe Oberfläche 156 geschoben und an den Einschnitt 150 angelegt. Nun liegt der Ansehlag 165 an der Nase 158 an; er wird so eingestellt, daß er die nach innen gerichtete Bewegung der Finger 162 begrenzt, sobald sie an dem Einschnitt 150 anliegen. Sobald die Finge? 162 radial an dem Einschnitt l$0 anliegen» wird die Hüls«} 164 über die Finger 162 gezogen» so daß die Pinger radial einwärts bewegt werden und in den Einschnitt 150 eingreifen«. Dfidurnh, deß man die Hülse i6'i in der voll eingefahrenen Stellung läfct, losem eieh die Finger nicht > während der Brennstoff stab heratiögenomsitm oder eingesetzt wird. Um die Finger 162 aus dem Einschnitt 150 au lösen, zieht man die Hülse 164 ab und setzt Finger 166 ein, die die Finger 162 radial auseinanderdrücken. Vorzugsweise weisen die Finger 162 und 168 konisohe Abschnitte 169 und 170 auf, um eine leichtere Einführung zu ermöglichen.

Die Figur 6 zeigt einen herausnehmbaren Brennstoffstab, der als Verbindungsstab 64^f ausgebildet 1st· In vielen Punkten stinmt dieser herausnehmbare Verbindungsstab mit dem herausnehabaren Brennstoffstab 64 überein; die gemeinsamen Merkmale sollen nicht noch einmal beschrieben werden, unterschiede iwisohen den beiden Stäben bestehen in der Ausbildung des unteren Endstopfens 80 und des oberen Endstopfens 84. Der Hauptunterschied bei dem unteren Endstopfen 80 besteht darin,

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®r mit Gewinde 98 vergehen ist, das auf dem zylindrischen Abschnitt ausgebildet ist» AuSerdem ist der zylindrische Abschnitt 172 länger ausgebildet als der entsprechende zylindrische Abschnitt 136 des Endstopfens 82 des herausnehmbaren BrennstoffStabes 64. Der zylindrische Abschnitt 172 ist verlängert worden» um zu gewährleisten, daß das Gewinde 98 vollkommen in das entsprechende Gewinde in der Aufnahmeöffnung 72 eingreift, wie es am besten in der Figur g@s@igt ist.

D@r öb©pJ5 Endat@pf©n 84 des herausnehmbaren Verbindungsstabes nach d@s? Figur 6 unterscheidet sieh von dem herausnehmbaren Brennstoff st ab siaeh der Figur 5 darin, daß sich der zylindrische Abschnitt 174 über die gesamte Länge des oberen Teils des obigen Endstopfens erstreckt. Außerdem sind Gewinde zur Aufnahme der Sicherungsmuttern 86 vorgesehen, wie es in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt ist. Die Gewinde 176 dienen ferner zur Verbindung mit Gewinden der Werkzeuge 178 zum Halten der herausnehmbaren Brennstoffstäbe. Diese Werkzeuge sind in unterbrochenen Linien dargestellt. Ein Schlitz 180 nimmt Verlängerungen 182 des Varrlegelungsmeehanlsmus 79 auf, d®r in der Figur 7 am besten dargestellt ist und nachstehend teeehrieben werden soll.

Pie Figuren 7 und 8 zeigen dan VeÄ»iegelungsmeohanienu8 79 fPfitsdungsgeffiäSen Brennstoffbündele mit herausnehmbar·!

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Brennstoff Stäben. Der Verriegelungsmeehanismus 79 weist Verriegelungsglieder 186 auf, die von den Ringen 188 und I89 aus radial nach außen verlaufen; Die Verriegelungegliede? sind im Winkel yon 120° zueinander angeordnet. Jedtm Verriegelungsglied 186 weist einen geraden Abschnitt 190 und einsn gebogenen Abschnitt 192 auf, die sieh von dar ebenen Fläche der Ringe 188 und I89 aus nach oben und nach außen erstrecken. Die Ringe 188 und I89 sind durch einen Teil 194 miteinander verbunden, der eine Drehung der Sicherungsmuttern 86 und der herausnehmbaren Verbindungsstfibe 64* verhindert.

Bei» Betrieb werden die Verbindungsetäbe 64* durch die Abstandshalter 70 hindurch eingeführt, die in den Figuren 2 und 3 gezeigt sind und in die Qewindeöffnung 72* der unteren Gitterplatte 25 eingedreht, bis der konische Abschnitt 100 des unteren Endstopfens 80 in den konischen Sitz der Aufnahmeöffnung 72* der unteren Qitterplatte eingepaßt ist, wie es an besten in der Figur 3 gezeigt ist. Die Varbindungsstäbe werden dann solange gedreht, bis sich die Schlitze l30 der oberen Endstopfen 84 der nebeneinanderliegenden Verbindungsstfibe gegenüberliegen. Dann werden die verbleibenden Brennstoff stfibe 64 durch die Abstandshalter 70 hindurch eingeführt, bis sie in die untere Gitterplatte 25 eingreifen. Als nlchetrr Schritt wird di· obere Gitterplatte über di· Breranftoffstäb© gelegt, und ein· verhältnismäßig geringe Vorspannung vws* un-

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gefähr 2,268 kg (5 pounds) wird gegen die Druckfedern de? eingebauten Brennstoffo'uöbe ausgeübt, wie es am beaten in der Figur 3 gezeigt ist. Nun wez'den die Verriegelungsmeohanismen 79 über die Enden von jeweils zwei nebeneinanderliegenden VerbindungBBtäben 64' gelegt» oo daß die Verlängerungen 182 der Ringe 188 und I89 in dio gegenüberliegenden Schlitse I8o der Verbindungsefcäbe eingreifen. Als nächster Schritt werden die Sicherungsmutfcern 86 auf die Gewinde 176 gedreht, bis si« auf den Ringen I88 und 189 der Verriegelungs· mechanismen aufliegen. Nun werden di<? Teile 186 nach innen gedrückt, bis die geraden Teile 590 auf den flachen Flächen der Sicherungsmuttern 86 aufliegen. Der Teil 194 kann sich also nicht drehen, da er mit den benachbarten VerbindungST stäben durch die Ringe I88 und I89 verbunden ist} und jeder benachbarte Verbindungestab kann sich nicht um den anderen drehen, da eino seitliche Bewegung der Verbindungsstäbe durch die Gitterplatten verhindert wird. Da der Teil 19* feststehend ausgebildet ist, verhindert er ein Drehen der Ringe 188 und I89; und die Vorsprünge 182, die in die Sohlitee I80 der benachbarten Verbindung*stäbe eingreifen, verhindern, da£ sich die benachbarten Verbindungsstäbe aus der Aufnahme-Öffnung 72 der unteren Gitterplatte herausdrehen. Ein Verdrehen der Sicherungsmuttern 86 wird durch die Teile I86 verhindert, da ale nit den Verriegelungsneohanismus 79 ein Games bilden. Auf diese Weise werden alle Teile des Brennetoffbündels in ihrer Stellung gesiohert und können sich während der Hand-

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habung der Brennstoffstäbe und während des Betriebes im Reaktor nicht lösen.

Um das Brennetoffbündel zu zerlegen oder herausnehmbare Brennstoff stäbe herauszunehmen und auszuwechseln, gehi; man folgendermaßen vor: zunächst wird ein (nicht gezeigten) Werkzeug zwischen den gebogenen Teilen 192 angesetzt, um sie auseinanderzubiegen. Dann werden die Muttern 86 mit dem gleichen oder einem anderen Werkzeug entfernt. Nun werden di© Verriegelungemeohaniemen 79 abgehoben und von den benachbarten Verbindungsstäben abgenommen. Anschließend wird die obere Gitterplatte 68 abgehoben, und nun liegen die herausnehmbaren Brennstoffstäbe 64 und die herausnehmbaren Verbindungs· stäbe SH ^f frei. Die einseinen entfernbaren Stäbe und die entfernb&ren Verbindungsstäbe können nun mit dem oben beschriebenen Werkzeug herausgenommen und ausgewechselt werden. Beim Zusammenbau des Brennstoffbundela geht man in umgekehrter Reihenfolge vor.

Es sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung in vielerlei Hinsicht von einem Fachmann abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann die spezielle Form der unteren und oberen Bndstopfen und des Verritgelungsmechanlsmus abgewandelt werden, um besonderen Anforderungen su entsprechen. Die Form der Schlitze kann beipielsweise abgewandelt werden, um sie an anderes Werkzeug anzupassen. Außerdem kann die Anzahl der Bauteile. 186 des VerriegelungsmeehanlBsus 79 vergrößert oder verringert

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werden, oder die Winkel, in denen sie angeordnet sind, oder ihr® jeweiligen Langen können verändert werden, um besonderen Anforderungen gerechtsuwerden. Außerdem könnten einseine Verriagelungsvorriohtungen für jeden einzelnen Verbindungsstab verwendet werden; um das Drehen des Verriegelungsmeehanis* mus EU verhindern, müßte der Ring 188 dann beispielsweise einen oder mehrere Voreprünge aufweisen, die nach unten ragen und in die untere Qitterplatte eingreifen würden.

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Claims (1)

1. Patentanaprflcht:

   1. Brennstoffbündel für Kernreaktoren aus einer Vielzahl von in einer vorbestimmten geometrischen Ordnung angeordneten Brennstoffstäben, die sich aus einer ersten Gruppe von Stäben und einer «reiten Gruppe von Stäben zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gitterplatte (25), die an dem einen Ende dieses BrennstoffbOndels angeordnet ist und mit den Enden dieser Vielzahl von Stäben (64, 64') wirksam verbunden ist, eine zweite Gitterplatte (68) an dem

   anderen Ende dieses Brennstoffbündele angeordnet und mit den anderen Enden dieser Vielzahl von Stäben (64, 64*) wirksam verbunden ist, wobei diese erste und zweite Gitterplatte (25, 68) diese Vielzahl von Stäben (64, 64*) in der vorbestimmten geometrischen Anordnung wirksam verbindet und Kittel (79) alt der ersten Gruppe von Stäben (64*) verbunden sind, um dies· erst· Qruppe von Stäben (64*) in ihrer Stellung zu verriegeln und dab·! die «weite Qruppe (64) von Stäben in ihrer Stellung festzuhalten.

   2. BrennstoffbOnde 1 nach Anspruoh 1, dadurch gikennteiohnet , daft dl· erst· Oruppe von Stäben an der unteren Gitterplatt· (25) befestigt 1st und dl· oberen Enden derselben dureh dl· ober« Gitterplatte (68) hinduroh und darüber hinausragen, und Mittel (79) vorgesehen sind, dl· mit den tnden der ersten Oruppe von Stäben, 41·

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   die obere Gitterplatte (68) hinausragen, so verbunden sind,

   ernte
   daß sie dieeoiGruppe von Stäben in der Stellung verriegeln.

   '$, Brennstoff bündel nach Anspruch !,dadurch g e kcnnnei. ehnet, daß die Anordnung aus vier Seiten besteht, dio erste Gruppe der Stöbe (64') sieh aus vier Stabpaaren suoamroonsetst, wobei ein Paar der ersten Stabgruppe entlang einer jeden Seite dieser Anordnung angeordnet iafc, und die Verriegelungsmittol (79) aus vier Verriegelungsmechanismen (79) bestehen, wobei jeweils jeder Verriegelungemechanieraue (79) mit Je einem Stabpaar verbunden ist, um jeden der in jeden Stabpaar enthaltenen Brennstoffstäbe (64*) von einer Rotation abzuhalten.

   4. Brennstoffbündel nach Anspruch 3, dadurch g β kennseichnet, da£ jeder Stab der ersten Stabgruppe einen Schute aufweist» jeder Verriegelungsuechaniemue (79) erste und sweite duroh einen langgestreckten Teil (194) verbundene Hinge (188, 189) aufweist, von jedem dieser Ringe sieh wenigstens ein Olied erstreokt, das in die Sicherungsmuttern eingreift, die mit den oberen Enden eines jeden Stabpaares verbunden sind, und jeder dieser Ringe einen radial nach innen gerichteten Vorsprung (182) besitst, der in einen der Sehlitsa (l8O) eines jeden Stabes der Stabpaare eingreift.

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   5. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet , daß jeder Stab eine Hülse, einen ersten Endstopfen (82), der mit dem einen Ende der Hülse (102) verbunden ist, und einen zweiten Endstopfen (88), der mit dem anderen Ende der Hülse (102) verbunden ist, aufweist, wobei der erste Endstopfen (82) einen zylindrischen Teil, der sich über das Ende der Hülse hinaus erstreckt, und eine umlaufende Einkerbung (126) besitzt, die am einen Ende des zylindrischen Teiles für die Aufnahme von Werkzeugen zur Halterung dieses Brennstoffstabes und zum Heben und Senken dieses BrennstoffStabes in einem Brennstoffbündel angeordnet ist.

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