DE2633352A1 - Fuel or absorber rod with emergency gas release - through bursting disc to prevent damage to adjacent rods - Google Patents

Fuel or absorber rod with emergency gas release - through bursting disc to prevent damage to adjacent rods

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DE2633352A1 DE19762633352 DE2633352A DE2633352A1 DE 2633352 A1 DE2633352 A1 DE 2633352A1 DE 19762633352 DE19762633352 DE 19762633352 DE 2633352 A DE2633352 A DE 2633352A DE 2633352 A1 DE2633352 A1 DE 2633352A1
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Abstract

A fuel, breeder or absorber rod for a nuclear reactor contains fissile or neutron-absorbing material which can give off fission gas under the effect of radiation. The rod has a blowdown opening, closed by a bursting disc; the response pressure of this bursting disc is higher than the normal internal working pressure of the fuel can, but is less than the maximum permissible internal pressure of the can. The blowdown opening is pref. in form of a closure plug to the can comprising an opening of such cross-section that, when the disc bursts the outward flow of gas is retarded to below acoustic speed. More specifically, a throttle is incorporated into the opening. For any rod containing fissile material or neutron-absorbing material, such as boron carbide which gives off helium when irradiated. The normal gas production is adequately contained to a pressure of, for instance, 300 bars inside the can; it is to maintain this pressure to counteract external pressure from the coolant. At the same time, if due to a reactor fault the pressure suddenly rises consequent upon a rise of temperature, the throttling discharge of the gas enables the can to be depressurised without a sudden explosion which could damage adjacent rods.

Description

Brenn-, Brut- oder Absorberstab mit überdrucksicherungBurning, breeding or absorber rod with overpressure protection

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenn-, Brut-oder Absorberstab für Kernreaktoren mit einer in einer dichten Hülle eingeschlossenen Füllung von Spaltstoff oder neutronenabsorbierendem Material, z.B. Borkarbid, das unter Einwirkung von Strahlung Spaltgas, z.B. Helium freisetzt. Dieses Spaltgas wird in einem dazu vorgesehenen Raum des Stabes gesammelt und baut im Verlaufe der Betriebszeit im Reaktor einen erheblichen Innendruck in der Größenordnung von 300 Bar auf. Dieser Druckaufbau ist mit den derzeitig bekannten Stabkonstruktionen sicher beherrschbar. Gefahren treten jedoch dann auf, wenn die Temperatur im Reaktor infolge eines Störfalles über die Betriebshöhe ansteigt. Der sich dann infolge der Temperaturerhöhung weiter aufbauende Innendruck im Stab kann diesen aufreißen, wobei durch die Schockwirkung der dann austretenden Spaltgasblase auch benachbarte Brenn-, Brut-oder Absorberstäbe in Mitleidenschaft gezogen werden können. Darüberhinaus muß damit gerechnet werden, daß durch die Kühlmittelströmung aus dem aufgerissenen Hüllrohr Spaltstoff oder neutronenabsorbierendes Material ausgeschwemmt wird, wodurch die Abschaltwirkung eines Absorberstabes verringert und die Sicherheit des Reaktors gefährdet wird. Ausgeschwemmtes Borkarbid kann ferner durch die Kühlmittelströmung z.B. in die Lager der Kühlmittelpumpen gelangen und diese infolge seiner schmirgelähnlichen Ligenschaften zerstören.The present invention relates to a fuel, brood or absorber rod for nuclear reactors with a filling of Fissile or neutron-absorbing material, e.g. boron carbide, which under the influence of releases fission gas, e.g. helium, from radiation. This cracked gas is used in one provided space of the staff collected and built in the course of the operating time in Reactor has a considerable internal pressure of the order of 300 bar. This Pressure build-up can be safely controlled with the currently known rod constructions. However, dangers arise when the temperature in the reactor as a result of an accident rises above the operating altitude. Which then continues as a result of the increase in temperature The internal pressure that builds up in the rod can tear it open, due to the shock effect the then emerging cracked gas bubble also adjacent burning, brood or absorber rods can be affected. In addition, it must be expected that that by the coolant flow from the torn cladding tube or fission material neutron-absorbing material is washed out, creating the shutdown effect an absorber rod is reduced and the safety of the reactor is endangered. Boron carbide washed out by the coolant flow can also enter the bearings, for example the coolant pumps arrive and this as a result of its emery-like properties destroy.

Aus der DT-AS 12 07 022 ist ein Kernreaktorbrennstab bekannt, bei dem durch eine besondere Konstruktion des Hüllrohres sichergestellt wird, daß bei einem plötzlichen Anstieg des Innendruckes, z.B. infolge eines Störfalles und damit einhergehender höherer Temperatur, die zur Abfuhr des Spaltgases in den Spaltgassammelraum dienenden Kanäle selbsttätig vergrößert werden. An dem insgesamt für die Aufnahme von Spaltgas zur Verfügung stehenden Volumen ändert sich jedoch hierdurch kaum etwas. Aus der DT-OS 19 38 646 ist ein Kernreaktorbrennstab bekannt, bei dem der Spaltgassammelraum innerhalb des liüllrohres zusätzlich von einer dicht geschlossenen, balgartigen, metallischen Hülle umgeben ist, die bei Druckanstieg zumindestens teilweise zusammengedrückt und durch im Inneren derselben angeordnete mechanische Mittel durchstoßen wird. Hiermit wird einem Problem begegnet, das besonders bei solchen Kernreaktoren auftritt, deren Kühlmittel unter hohem Druck steht. Einerseits muß hier im Hüllrohr von Anfang an ein gewisser Innendruck herrschen, um ein Zusammendrücken der Hülle durch den Kühlmittel druck zu verhindern, andererseits übersteigt im Verlaufe der Zeit der Spaltgasinnendruck den Kühlmittelaußendruck erheblich. Durch die unter Druck erfolgende Freigabe eines zusätzlichen Spaltgassammelraumes wird der Zeitpunkt hinausgezögert, zu dem der Spaltgasinnendruck eine für die Festigkeit des Hüllrohres gefährliche Höhe erreicht. Auch hier bleibt jedoch der Stab als ganzes geschlossem und für das oben beschriebene Problem der plötzlichen Druckerhöhung bei Störfällen ist keine Vorsorge getroffen.From DT-AS 12 07 022 a nuclear reactor fuel rod is known at which is ensured by a special construction of the cladding tube that at a sudden increase in the internal pressure, e.g. as a result of an accident and thus associated higher temperature, which is necessary for the removal of the cracked gas into the cracked gas collecting space serving channels are automatically enlarged. On the total for inclusion of the available volume of cracked gas, however, hardly changes as a result. From DT-OS 19 38 646 a nuclear reactor fuel rod is known in which the fission gas collection space a tightly closed, bellows-like, metallic shell is surrounded, which is at least partially compressed when the pressure increases and pierced by mechanical means located inside the same. This addresses a problem that occurs particularly in such nuclear reactors, whose coolant is under high pressure. On the one hand, it has to be done here in the duct from the beginning to a certain internal pressure prevail in order to compress the shell by the To prevent coolant pressure, on the other hand, over time exceeds the Fission gas internal pressure the coolant external pressure considerably. By taking place under pressure When an additional fission gas collection chamber is released, the time is delayed to which the internal pressure of the fission gas is dangerous for the strength of the cladding tube Height reached. Here, too, however, the stick as a whole remains closed and for that The problem of the sudden pressure increase in the event of a malfunction described above is not a problem Provision made.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Brenn-, Brut-oder Absorberstab für Kernreaktoren, der den im normalen Betrieb zu erwartenden Spaitgasinnendrücken standhält, und bei außergewöhnlichen Betriebsbedingungen, die einen zusätzlichen Druckanstieg im Stab verursachen diesen Überdruck in kontrollierter Weise abgeben kann, ohne daß dadurch Nachbarstäbe oder der Reaktor als ganzes gefährdet würden.The object of the present invention is a burning, brood or absorber rod for nuclear reactors, the internal gas pressures to be expected in normal operation withstands, and in exceptional operating conditions that a additional Pressure increases in the rod cause this overpressure to be released in a controlled manner can without endangering neighboring rods or the reactor as a whole.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, der der Brenn-, Brut- oder Absorberstab mit einer Abblasöffnung versehen ist, die mit einer Berstscheibe oder Platzmembran verschlossen ist, wobei der Ansprechdruck der Berstscheibe oberhalb des beim ordnungsgemäßen Betrieb des Stabes zu erwartenden Innendruckes in demselben, jedoch unterhalb des für die Hülle zulässigen Inndendr,uckes liegt. Beim Überschreiten des Auslegungsdruckes des Hüllrohres reißt die Berstscheibe auf und das Spaltgas entweicht kontrolliert in das Reaktorplenum, Die Berstscheibe wird dabei zweckmäßigerweise so am Absorberstab angeordnet, z.B. im oberen Endverschluß des Stabes, daß die entweichende Gasblase die benachbarten Stäbe weder durch ihre Schockwelle noch etwa durch örtliche Temperaturerhöhung infolge Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr gefährdet, Das Aufreißen der Berstscheibe tritt in jedem Falle erst nach Überschreiten der bei Normalbetrieb zu erwartenden Betriebsbedingungen ein, d,h. nur bei einem erheblichen Störfall im Reaktor, der ohnehin zu dessen Abschaltung und Außerbetriebsetzung für einen gewissen Zeitraum führen würde innerhalb dessen im Verlaufe der dann sowieso notwendig werdenden rveraratur-und Kontrollierarbeiten auch der nunmehr zumindest teilweise mit dem Kühlmittel geflutete Stab ersetzt werden könnte.The object is achieved according to the invention in that the fuel, The brood or absorber rod is provided with a blow-off opening with a rupture disc or space membrane is closed, with the response pressure of the bursting disc above the internal pressure to be expected in the normal operation of the rod, however, it is below the pressure permissible for the casing. When crossing the design pressure of the cladding tube tears open the rupture disc and the cracked gas escapes in a controlled manner into the reactor plenum. The rupture disc is expediently so arranged on the absorber rod, e.g. in the upper end closure of the rod, that the escaping Gas bubble the neighboring rods neither by their shock wave nor by local ones Increase in temperature due to interruption of the coolant supply endangered, tearing open In any case, the rupture disc only occurs after the limit during normal operation has been exceeded expected operating conditions, i. e. only in the event of a major incident in the reactor, which is responsible for its shutdown and shutdown for one anyway certain period would lead within which in the course of then anyway necessary repair and control work that is now being carried out, at least in part rod flooded with the coolant could be replaced.

Die definierte Öffnungsstelle im Bereiche der Berstscheibe läßt sich auch unschwer so konstruieren, daß ein Ausschwemmen von Spaltstoff oder von neutronenabsorbierendem Material mit Sicherheit vermieden wird, so daß auch ein vorläufiges Weiterbetreiben des beschädigten Stabes möglich erscheint.The defined opening point in the area of the rupture disc can be It is also easy to construct in such a way that fissile material or neutron-absorbing material is flushed out Material is avoided with certainty, so that a preliminary continued operation of the damaged rod appears possible.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Abblasöffnung im Stab die Form einer in einem Verschlußstopfen des Absorberstabes angeordneten Öffnung, deren Querschnitt so bemessen ist, daß die beim Aufreißen der Berstscheibe auftretende Spaltgasströmung aus dem Innenraum heraus unter die Schallgeschwindigkeit gebremst wird.In a particular embodiment of the invention, the blow-off opening has in the rod the form of a arranged in a stopper of the absorber rod Opening, the cross-section of which is dimensioned so that when the rupture disc is torn open occurring cracked gas flow from the interior out under the The speed of sound is slowed down.

Die Erzeugung von sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzenden, bekanntermaßen unter Umständen zerstörend wirkenden Druckwellen wird so vermieden.The generation of propagating at the speed of sound, As is known, pressure waves which may have a destructive effect are avoided in this way.

Eine diesen Anforderungen genügende Abblasöffnung kann so geringe Abmessungen aufweisen (z.B. einen Durchmesser von o,1 mm), daß fertigungstechnische Schwierigkeiten auftreten.A blow-off opening that meets these requirements can be so small Have dimensions (e.g. a diameter of 0.1 mm) that are manufacturing technology Difficulties arise.

Für diesen Fall wird in weiterer Aufgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen Spaltgassammelraum und Abblasöffnung eine Drossel angeordnet ist, die es erlaubt, die Ausströmgeschwindigkeit auch bei größeren Abb lasö ffnungen den Erfordernissen anzupassen.For this case, it is proposed in a further embodiment of the invention, that a throttle is arranged between the fission gas collection space and the blow-off opening, which It allows the outflow speed to be adjusted even with larger Abb lasööffnungen Adapt to requirements.

In besonderer Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, daß die Drossel aus einer in den Stopfen zwischen Spaltgassammelraum und Abblasöffnung eingedrehten Schranke besteht, deren Außengewinde so beschaffen ist, daß zwischen ihm und dem Innengewinde des Stopfens ein wendelförmiger1 Spaltgassammelraum und Abblasöffnung miteinander verbindender Kanal gebildet wird.In a particular embodiment of this inventive concept, it is proposed that that the throttle from one in the plug between the fission gas collecting space and the blow-off opening screwed barrier exists, the external thread is such that between it and the internal thread of the plug have a helical1 fission gas collection chamber and Blow-off opening interconnecting channel is formed.

Soweit die üblichen Gewindetoleranzen noch keinen ausreichenden Querschnitt dieses Kanals ergeben, kann dieser beispielsweise durch Abdrehen des Außengewindes erzielt werden. Verschieden tiefes Eindrehen der Schranke in den Stopfen verändert die Länge des Kanals und damit die auf das ausströmende Spaltgas einwirkende Drosselstrecke und gestattet es, auf einfache Weise die Ausströmgeschwindigkeit und damit die Zeit bis zum Druckausgleich zu variieren.As far as the usual thread tolerances are still insufficient cross-section result this channel, this can be done, for example, by turning off the external thread be achieved. Different depths of screwing the barrier into the stopper changed the length of the channel and thus the throttle section acting on the outflowing cracked gas and allows the outflow speed and thus the time to be measured in a simple manner to vary until the pressure is equalized.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß Berstscheibe und Hüllrohr aus dem gleichen Material gefertigt sind. Dies ist insbesondere im Falle von Stäben von Vorteil, die einer hohen Flußdichte ausgesetzt sind, um ein paralleles und gleichmäßiges Ermüden der beiden Stabteile und damit das richtige Verhältnis zwischen Ansprechdruck der Berstscheibe und dem für das Hüllrohr zulässigen Innendruck zu erhalten.In a further embodiment of the invention it is proposed that the rupture disc and cladding tube are made of the same material. This is especially true in the In the case of rods that are exposed to a high flux density to a parallel and even fatigue of the two rod parts and thus the right one Relationship between the response pressure of the rupture disc and that permissible for the cladding tube Preserve internal pressure.

In einem durchgerechneten Beispiel eines Absorberstabes (Regeltrimmstab mit Absorbermaterial Borkarbid), der auf einen Spaltgasinnendruck von 140 bar zu Ende der Standzeit bei bestimmungsmäßigem Betrieb ausgelegt ist, beträgt der Ansprechdruck PB der Berstscheibe 7 bei einer Membrandicke von SO = 0,5 mm und einem freien Durchmesser von D = 12,5 mm für eine Notkühl-Störfalltemperatur von 820 CO , PB = 255 bar.In a calculated example of an absorber rod (control trim rod with absorber material boron carbide), which leads to an internal cracking gas pressure of 140 bar The end of the service life is designed for normal operation, the response pressure is PB of the bursting disc 7 with a membrane thickness of SO = 0.5 mm and a free diameter of D = 12.5 mm for an emergency cooling accident temperature of 820 CO, PB = 255 bar.

Bei einer Spaltgasinnendruckbelastung unter Störfallbedingungen von 230 bar beträgvfür die Membran die Zeit bis zum Erreichen einer Kriechschädigung von ç = o,2 t 47 Minuten. Das Absorberstabhüllrohr 1 ist auf eine Wandstärke von 1,5 mm ausgelegt. Wird für Berstscheibe 7 und Hüllrohr 1 gleiches Material mit gleichem metallurgischen Zustand zugrunde gelegt, so erreicht das Hiillrohr unter gleichen Bedingungen die zulässige Kriechschädigung von ç = o,2 % erst nach 4 Stunden.With a cracked gas internal pressure load under accident conditions of 230 bar is the time for the membrane to reach creep damage from ç = 0.2 t 47 minutes. The absorber rod cladding tube 1 has a wall thickness of 1.5 mm. Is the same material with the same for rupture disc 7 and cladding tube 1 based on the metallurgical state, the shell tube reaches under the same Conditions the permissible creep damage of ç = 0.2% only after 4 hours.

Die Kriechschädigung von Membran und Hüllrohr bei bestimmungsgemäßem Betrieb ist vernachlässigbar.The creep damage of the membrane and cladding tube when used as intended Operation is negligible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in einem gegenüber der natürlichen Größe stark vergrößerten Maßstab einen Axiallängsschnitt durch den oberen Teil eines Absorberstabes. Dieser besteht aus einem Hüllrohr 1, beispielsweise aus rostfreiem Stahl mit eine Füllung 2 aus neutronenabsorbierendem Material, vorzugsweise B4C. Ein Teil des Innenraumes des Stabes wird durch einen Spaltgassammelraum 3 eingenommen, in dem die beim Zerfall des neutronenabsorbierenden Materials unter Neutronenbeschuß gebildeten Spaltgase gespeichert werden. Der Stab ist mit einem angeschweißten Stopfen 4 verschlossen, der eine mit dem Spaltgassammelraum 3 in Verbindung stehende Bohrung 5 aufweist, die in einer kleinen Abblasöffnung 6 endet. Diese ist durch eine ebenfalls angeschweißte Berstscheibe oder Platzmembran 7 aus dem gleichen Material wie das Hüllrohr 1 verschlossen, die beim Oberschreiten des für das Hüllrohr 1 zulässigen Inndendruckes aufreißt und den im Spaltgassammelraum 3 angesammelten Gasen den Weg nach außen freigibt. Um die Berstscheibe 7 einerseits während der Handhabung des Absorberstabes-gegen Beschädigungen zu schützen, und andererseits um zu verhindern, daß bei einem Ab- statt einem Aufreißen die Scheibe oder Teile von ihr weggeblasen werden, ist eine Schutzhaube 8 mit Entlastungsbohrungen 9 vorgesehen, die zugleich bewirken, daß das Kühlmittel in dem Zwischenraum zwischen Berstscheibe 7 und Schutzhaube 8 zirkuliert und so erstere vor z.B. strahleninduzierter Überhitzung schützt.An embodiment of the invention is shown in the drawing. This shows on a scale that is greatly enlarged compared to the natural size an axial longitudinal section through the upper part of an absorber rod. This exists from a cladding tube 1, for example made of stainless steel with a filling 2 neutron absorbing material, preferably B4C. Part of the interior of the Rod is occupied by a fission gas collection chamber 3, in which the decay of the neutron-absorbing material formed under neutron bombardment get saved. The rod is closed with a welded stopper 4, which has a bore 5 communicating with the fission gas collecting space 3, which ends in a small blow-off opening 6. This is also welded on by a Rupture disc or space membrane 7 made of the same material as the cladding tube 1 closed, which tears open when the internal pressure permissible for the cladding tube 1 is exceeded and the gases accumulated in the fission gas collecting space 3 free the way to the outside. To the rupture disk 7 on the one hand during the handling of the absorber rod against Damage to protect, and on the other hand to prevent a tear instead of a tear the disc or parts are blown away from it, is a protective hood 8 with relief bores 9 provided, which also cause the coolant in the space between Rupture disc 7 and protective hood 8 circulate and so the former against e.g. radiation-induced Overheating protects.

In die Bohrung 5 ist eine Madenschraube 10 eingedreht, deren Außengewinde 12, wie in der vergrößert herausgezeichneten Einzelheit gezeigt, so abgeflacht ist, daß zwischen ihm und dem Innengewinde 11 der Bohrung 5 ein wendelförmiger Kanal entsteht. Dieser Kanal, dessen Länge durch Ein- oder Ausdrehen der Schraube 10 fast beliebig verändert werden kanne wirkt durch Reibung, Verwirbelung usw. stark verzögernd auf die nach einem Aufreißen der Berstscheibe 7 auftretende Spaltgasströmung.A grub screw 10 is screwed into the bore 5, the external thread of which 12, as shown in the enlarged detail, is flattened so that between it and the internal thread 11 of the bore 5 is a helical channel arises. This channel, the length of which by screwing in or unscrewing the screw 10 almost Can be changed at will due to friction, turbulence, etc., has a strong retardation effect to the fission gas flow occurring after the rupture disk 7 has ruptured.

Claims (5)

Schutzansprüche 0 Brenn-, Brut- oder Absorberstab für Kernreaktoren mit einer in einer dichten hülle eingeschlossenen Füllung von Spaltstoff oder neutronenabsorbierendem Material, das unter Einwirkung von Strahlung Spaltgas freisetzt, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Abblasöffnung (6) versehen ist, die mit einer Berstscheibe (7) verschlossen ist, wobei der Ansprechdruck der Berstscheibe oberhalb des beim ordnungsgemäßen Betrieb des Absorberstabes zu erwartenden Innendruckes in demselben, jedoch unterhalb des für die Hülle (1) zulässigen Innendruckes liegt. Protection claims 0 Burning, breeding or absorber rod for nuclear reactors with a filling of fissile material or neutron-absorbing material enclosed in a tight envelope Material that releases fission gas under the action of radiation, characterized in that, that it is provided with a blow-off opening (6) with a bursting disc (7) is closed, the response pressure of the rupture disc above that when the proper Operation of the absorber rod expected internal pressure in the same, but below of the internal pressure permissible for the shell (1) is. 2. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblasöffnung (6) die Form einer in einem Verschlußstopfen (4) des Absorberstabes angeordneten Öffnung hat, deren Querschnitt so bemessen ist, daß die beim Aufreißen der Berstscheibe (7) auftretende Spaltgasströmung aus dem Spaltgassammelraum (3) heraus unter die Schallgeschwindigkeit gebremst wird. 2. Rod according to claim 1, characterized in that the blow-off opening (6) the shape of one arranged in a stopper (4) of the absorber rod Has an opening whose cross-section is dimensioned so that when the rupture disc is torn open (7) occurring cracked gas flow from the cracked gas collecting space (3) out under the The speed of sound is slowed down. 3. Stab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spaltgassammelraum (3) und Abblasöffnung (6) eine Drossel (10) angeordnet ist. 3. Rod according to claim 2, characterized in that between the fission gas collecting space (3) and blow-off opening (6) a throttle (10) is arranged. 4. Stab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel aus einer in den Stopfen (4) zwischen Spaltgassammelraum (3) und Abblasöffnung (6) eingedrehten Schraube (lo) besteht, deren Außengewinde (12) so beschaffen ist, daß zwischen ihm und dem Innengewinde (11) des Stopfens ein wendelförmiger, Spaltgassammelraum und Abblasöffnung miteinander verbindender Kanal gebildet wird. 4. Rod according to claim 3, characterized in that the throttle from one in the plug (4) between the fission gas collecting space (3) and the blow-off opening (6) screwed-in screw (lo), the external thread (12) is such that between it and the internal thread (11) of the plug a helical, fission gas collecting space and a duct connecting the blow-off opening to one another is formed. 5. Stab nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Berstscheibe (7) und Hülle (1) aus dem gleichen Material gefertigt sind.5. Rod according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the bursting disc (7) and shell (1) are made of the same material are.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4687621A (en) * 1984-08-06 1987-08-18 Westinghouse Electric Corp. Nuclear fuel assembly with improved spectral shift-producing rods
FR2771211A1 (en) * 1997-11-19 1999-05-21 Framatome Sa Nuclear fuel rod used in pressurized water reactor

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