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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf Brennstoffbündeleinrichtungen
für Siedewasser-Kernreaktoren
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Befestigen
einer Hebestange an einem lasttragenden Wasserstab in einer Kernbrennstoffeinrichtung.
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Eine Kernbrennstoffeinrichtung besteht
aus einer Matrix von parallelen Stäben, die spaltbaren Brennstoff
und/oder eine Wasser-Kühlmittelströmung enthalten.
Die Brennstoffstäbe
sind an den oberen und unteren Enden durch Endstopfen abgedichtet, die
an den Brennstoffstäben
angeschweißt
sind. Diese parallelen Stäbe
sind in einem festen seitlichen Abstand durch Abstandshaltergitter
gehalten, die in Abständen
entlang der Länge
der Brennstoffeinrichtung angeordnet sind. Die Matrix von Brennstoffstäben wird
an dem Boden durch eine untere Ankerplatte gehalten, die für eine seitliche
Führung
für die
unteren Endstopfen eines Brennstoffstabes sorgt und die Strömungslöcher enthält, die
einen Einlass für eine
Kühlmittelströmung in
die Brennstoffeinrichtung bilden. In ähnlicher Weise ist das obere
Ende von der Stabmatrix üblicherweise
von einer oberen Ankerplatte überdeckt,
die die oberen Endstopfen von Brennstoffstäben in seitlicher Richtung
festhält
und die Strömungslöcher enthält, die
einen Ausgang für die
Kühlmittelströmung aus
der Brennstoffeinrichtung heraus bilden. Jedes Brennstoffbündel ist
in einem am Ende offenen Kanalstück
eingeschlossen, das sich auch zwischen den oberen und unteren Ankerplatten
erstreckt.
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Einer oder mehrere der Wasser- und/oder Brennstoffstäbe kann
als tragende Teile verwendet werden, die durch irgendwelche Mittel
an sowohl den oberen als auch unteren Ankerplatten fest gehaltert sind
zum Zwecke des Anhebens der Einrichtung und zum Einhalten eines
festen Abstandes zwischen den oberen und unteren Ankerplatten. Andere
Brennstoff- und/oder Wasserstäbe
in der Einrichtung, die nicht als tragende Teile verwendet sind, werden
durch eine Gewinde- oder eine andere lösbare Verbindung auf der unteren
Ankerplatte gehalten oder werden gegen ein Abheben von der unteren
Ankerplatte durch die obere Ankerplatte oder durch Expansionsfedern
gehindert. Da die einen verminderten Durchmesser aufweisenden Abschnitte
der oberen Endstopfen üblicherweise
durch die Löcher
der oberen Ankerplatte hindurchführen,
sind die Brennstoffstäbe
frei für
eine Expansion in der Länge,
bis die Schulter auf dem oberen Endstopfen mit der oberen Ankerplatte
in Kontakt kommt oder bis die Expansionsringe voll zusammengedrückt sind.
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Bei der Konstruktion von einer Kernbrennstoffeinrichtung
ist eine der begrenzenden Einschränkungen für eine sehr hohe Bestrahlung
der Druckaufbau in den Brennstoffstäben aufgrund von Spaltgasfreisetzung.
Weiterhin wird das unterschiedliche Strahlungswachstum der Brennstoffstäbe und Wasserstäbe signifikanter
bei hohen Bestrahlungen, was sehr lange Endstopfenverlängerungen
erfordert, die in seitlicher Richtung durch Ansätze in gegenwärtigen Konstruktionen
von oberen Ankerplatten geführt
werden. Diese langen Endstopfenverlängerungen verkürzen die
verfügbare
Länge für die Brennstoffstabkammer,
die zur Aufnahme der Spaltgasfreisetzung verwendet wird. Die gegenwärtig verwendeten
Konstruktionen der oberen Ankerplatte und des oberen Endstopfens
erfordern eine komplexe Bearbeitung, und diese Komponenten und auch
die Expansionsfedern sind teuer.
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In der US-Patentanmeldung mit der
Anmeldenummer 08/542,254, eingereicht am 12. Oktober 1995, (=US-A-5,646,973)
der gleichen Anmelderin ist offenbart, eine Brennstoffeinrichtung
bereitzustellen, bei der die Gitterstruktur der oberen Ankerplatte
vollständig
eliminiert ist zugunsten von nur einer relativ kleinen Handstangeeinrichtung
mit einer Hebestange. Die Handstangeeinrichtung ist direkt an den Brennstoff-
und/oder Wasserstäben
befestigt, die als tragende Teile verwendet werden, und optional
an dem Kanalstück.
Durch Eliminieren des Gitters der oberen Ankerplatte können die
Brennstoffstäbe
in ihrer Län ge
bis zu einem Punkt verlängert
werden, dass ein angemessener Spielraum mit dem oberen Handgriff
der Brennstoffeinrichtung und dem Brennstoffhandhabungsgerät beibehalten
wird. Die oberen Endstopfen können
auch verkürzt
sein, um dadurch eine weitere Verlängerung der Länge der
Brennstoffstabkammer zu gestatten. Die Eliminierung der oberen Ankerplatte
mit ihrer komplexen Gitterstruktur verkleinert auch die Strömungsverengung
und den Druckabfall am Oberteil von dem Bündel und sorgt für eine Möglichkeit,
die gesamten Fertigungskosten der Brennstoffeinrichtung zu senken.
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EP-A-549,844 offenbart eine ähnliche
bekannte Brennstoffeinrichtung, bei der die Struktur der oberen
Ankerplatte durch eine Hubeinrichtung ersetzt ist, die einen Handgriff
aufweist, der direkt mit einer zentralen lastführenden Matte durch eine Bajonett-Verbindung
verbunden ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
vereinfachte Hubeinrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen,
um die Verbindung zwischen einem lastführenden Wasserstab und der
Hebestange von einer Brennstoffeinrichtung ohne eine obere Ankerplatte
zu erleichtern.
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Gemäß der Erfindung wird dies durch
eine Hebeeinrichtung, wie sie in Anspruch 1 oder in Anspruch 5 definiert
ist, und durch ein Verfahren gemäß Anspruch
9 erreicht.
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Die Erfindung wird nun mit weiteren
Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine
vereinfachte, teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht ist, die
eine Brennstoffbündeleinrichtung
darstellt, bei der die übliche
obere Ankerplatte entfernt ist;
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2 eine
Draufsicht auf die Hebeeinrichtung gemäß der Erfindung ist;
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3 eine
Querschnittsansicht entlang den Linien 3–3 in 2 ist;
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4 eine
Draufsicht von einer alternativen Hebeeinrichtung gemäß der Erfindung
ist;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang den Linien 5–5 in 4 ist;
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6 eine
Ansicht von einem Übergangsstück ist,
das an den Wasserstäben
in einer Brennstoffeinrichtung befestigt ist;
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7 eine
Draufsicht auf das Übergangsstück ist,
das in 6 dargestellt
ist, und
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8 eine
Verbindungsstange gemäß der Erfindung
darstellt.
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1 stellt
die Brennstoffbündeleinrichtung gemäß der US-Patentanmeldung
mit der Anmeldenummer 08/542,254, eingereicht am 12. Oktober 1995
(=US-A-5,646,973) dar, wobei die übliche obere Ankerplatte entfernt
worden ist. Die Brennstoffbündeleinrichtung 60 enthält mehrere
Brennstoffstäbe 62 (üblicherweise
in einer 8 × 8,
9 × 9
oder 10 × 10
Matrix), die auf einer unteren Ankerplatte 64 gehaltert sind,
die in diesem Fall einstöckig
mit einem Übergangsstück oder
einer unteren Düse 66 ausgebildet ist
und die eine Einlassöffnung 68 für flüssiges Kühlmittel
bildet. Ein Kanalstück 70 schließt die Bündeleinrichtung
ein. Die Brennstoffstäbe 62 sind
seitlich im Abstand in einer im Wesentlichen parallelen Anordnung
durch eine Anzahl von Abstandshaltern (zwei sind gestrichelt bei
72 gezeigt) gehalten, die vertikal entlang dem Bündel in üblicher Weise geordnet sind.
Die Abstandshalter sind auf einem mittig angeordneten Wasserstab 74 angebracht,
der sich durch die Mitte des Bündels
nach oben erstreckt. Ansatzstücke 76 sind
auf dem Wasserstab 74 angeschweißt, um die Abstandshalter an
den gewünschten
axialen Orten entlang der Länge
des Wasserstabes anzuordnen. Der oberste Abstandshalter ist näher an den
oberen Enden der Brennstoffstäbe 62 angeordnet
als in üblichen
Konstruktionen, um für
eine zusätzliche
seitliche Abstützung
zu sorgen.
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Die Brennstoffstäbe 62 sind an ihren
unteren Enden in Endstopfen 78 eingepasst, die in Ansatzstücken sitzen,
die in der unteren Ankerplatte 64 in üblicher Weise ausgebildet sind.
Der Wasserstab 74 ist auch mit einem unteren Endstopfen 80 versehen,
der vorzugsweise in die untere Ankerplatte 64 eingeschraubt
ist.
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An dem oberen Ende von der Brennstoffbündeleinrichtung 60 ist
die übliche
obere Ankerplatte, die normalerweise die oberen Enden von den Brennstoffstäben 62 aufnehmen
und mit speziellen Brennstoffstäben
fest verbunden sein würden,
die als Ankerstäbe
dienen (ebenfalls mit der unteren Ankerplatte fest verbunden), eliminiert
worden ist. An ihrer Stelle ist eine Griff- oder Hebestangeeinrichtung 82 vorgesehen,
die mit dem oberen Ende von dem Wasserstab 74 durch einen
mit Gewinde versehenen Endstopfen 84 und eine zugeordnete
Mutter 84' fest verbunden
ist. Die Griffstangeeinrichtung 82 ist über den oberen freien Enden
von den Brennstoffstäben 62 angeordnet,
wie es in 1 gezeigt
ist. Die Griffstangeeinrichtung 82 ist mit einer Hebestange 86 und
einem Griffabschnitt 88 versehen, der senkrecht zu der
Stange 86 verläuft.
Die Hebestange 86 erstreckt sich in gegenüberliegende
Ecken von dem Kanalstück 70 und
bildet eine seitliche Halterung der Griffstangeeinrichtung durch
das Kanalstück.
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Es wird deutlich, dass die Griffstangeeinrichtung 82 verwendet
werden kann, um die gesamte Brennstoffbündeleinrichtung einschließlich der Brennstoffstäbe, des
Wasserstabes und der unteren Ankerplatte/Übergangsstück anzuheben, und dass die
Hebelast im Wesentlichen allein durch den Wasserstab 74 geführt wird.
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2 und 3 stellen die Hebeeinrichtung 100 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Elemente, die eine ähnliche Konstruktion haben
wie diejenigen der oben genannten gleichzeitig anhängigen Anmeldung,
die in 1 dargestellt ist,
sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Gemäß den 2 und 3 enthält die Hebeeinrichtung 100 gemäß der Erfindung
eine Verbindungsstange 110, die an dem Wasserstab 74 starr befestigt
ist, eine Hebestange 120 und wenigstens eine Druckfeder 125,
die zwischen dem Wasserstab 74 und der Hebestange 120 angeordnet
ist. Die Verbindungsstange 110 ist vorzugsweise eine rohrförmige, zylindrische
Stange, die im Wesentlichen parallel zu den Brennstoffstäben und
dem Wasserstab angeordnet ist und einen Verbindungsstangenkopf 112 an einem
proximalen Ende 110a aufweist. Die Verbindungsstange 110 ist
an dem oberen Endstopfen von dem Wasserstab 74 an einem
distalen Ende 110b vorzugsweise durch eine Gewindeverbindung
befestigt. Selbstverständlich
können
alternative Verbindungen, wie beispielsweise Reibpassung oder Schweißen oder ähnliches,
verwendet werden, und die Erfindung soll nicht auf eine Gewindeverbindung beschränkt sein.
Die Verbindungsstange 110 ist vorzugsweise an dem Endstopfen „gesichert" durch einen Stift,
eine Verriegelungsmutter, eine Punktschweißung oder ähnliches, um eine Drehung zu
verhindern.
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Zwischen dem proximalen Ende 110a und dem
distalen Ende 110b der Verbindungsstange befindet sich
eine Schulter 110c. Die Schulter 110c dient dazu
zu verhindern, dass die Hebestange 120 zu weit in einen
Kontakt mit den Brennstoffstäben 62 gedrückt wird.
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Der Verbindungsstangenkopf 112 bildet
einen vorstehenden Eingriffsabschnitt, der in einem entsprechenden
Aufnahmeabschnitt in der Hebestange 120 (nachfolgend beschrieben)
aufgenommen werden soll.
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Die Hebestange 120 ist mit
nach oben führenden
Verlängerungen 90, 90' versehen. Die
Verlängerungen 90, 90' greifen an
einem Eckansatzstück (nicht
gezeigt – 92
in 1) in gegenüberliegenden Ecken
von dem Kanalstück 70 an.
Es können
Bolzen 96,96' verwendet
werden, um die Einrichtung 100 fest mit dem Kanalstück 70 zu
verbinden.
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Wie oben ausgeführt ist, enthält die Hebestange 120 einen
zurückspringenden
Aufnahmeabschnitt 122, der entsprechend dem Verbindungsstangenkopf 112 geformt
ist.
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Zwischen der Hebestange 120 und
dem Wasserstab 74 ist wenigstens eine Druckfeder 125 angeordnet.
Die Feder 125 hält
eine Vorbelastung zwischen dem Wasserstab 74 und der Hebestange 120 aufrecht,
um Schwingungen zu verhindern und übertragene Stoßbelastungen,
beispielsweise durch den Eingriff mit der Hebestange, zu dämpfen. In
einem Ausführungsbeispiel
ist die Druckfeder 125 eine nicht-lineare Feder, so dass
ihr Feder-Koeffizient zunimmt, wenn die Feder 125 zusammengedrückt wird. Eine
derartige nicht-lineare Feder erleichtert eine anfängliche
Federauslenkung, um eine Trennung zu ermöglichen, während eine weitere Auslenkung
eine signifikant größere Kraft
erfordert, wodurch sie dazu dient zu verhindern, dass die Hebestange 120 zu
weit in das Brennstoffbündel
hinein gedrückt
wird und mit den Brennstoffstäben 62 in
Kontakt kommt. In einer alternativen Anordnung ist eine zweite Feder 125a koaxial
mit der ersten Feder 125 angeordnet und weist einen Feder-Koeffizienten
auf, der größer als der
Koeffizient der ersten Druckfeder ist. Wenn also die Hebestange 120 in
das Brennstoffbündel
hinein ausgelenkt wird, dient die zweite Feder 125a mit
dem höheren
Feder-Koeffizienten dazu zu verhindern, dass die Hebestange 120 mit
den Brennstoffstäben 62 in
Kontakt kommt.
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Um die in den 2 und 3 dargestellte
Hebeeinrichtung 100 zusammenzubauen, wird die Verbindungsstange 110,
vor dem Einschluss der Einrichtung in dem Kanalstück 70,
in das obere Ende von dem Wasserstab 74 eingeschraubt.
Die Feder 125 oder die Federn 125, 125a sind
in ihrer Lage über
der Verbindungsstange 110, um dadurch die Verbindungsstange
zu umgeben, bevor die Verbindungsstange 110 an dem Wasserstab 74 befestigt
wird. Dann wird die Hebestange 120 mit dem daran befestigten
Griff 88 so positioniert, dass der vertiefte Aufnahmeabschnitt 122 mit
dem vorstehenden Eingriffsabschnitt ausgerichtet ist, der durch
den Verbindungsstangenkopf 112 gebildet ist.
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In dem in den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind der Verbindungsstangenkopf 112 und der vertiefte Aufnahmeabschnitt 122 in
einer Kreuzform ausgebildet. Nachdem die Kreuzform von dem vertieften
Aufnahmeabschnitt 122 und dem Verbindungsstangenkopf 112 ausgerichtet
sind, wird die Verbindungsstange 120 nach unten entgegen
der Kraft der Feder 125 (125a) verschoben, so
dass der Verbindungsstangenkopf 112 durch die Hebestange 120 hindurch
führt.
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Nachdem die Verbindungsstange 120 über den
Verbindungsstangenkopf 112 geführt ist (d. h. der Verbindungsstangenkopf 112 führt vollständig durch
die Hebestange 120 hindurch), wird die Hebestange 120 um
eine vorbestimmte Größe gedreht (45° in dem in
den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel),
und die Hebestange 120 und der Griff 88 werden
freigegeben. Zu dieser Zeit drückt
die Feder 125 (125a) die Hebestange 120 nach
oben gegen den Verbindungsstangenkopf 112, und die Hebeeinrichtung
befindet sich in ihrer Lage.
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Wie in 3 dargestellt
ist, ist die Hebestange 120 mit einem vertieftem Bereich 124 versehen, wobei
diese Vertiefung entsprechend dem Verbindungsstangenkopf 112 geformt
ist. Nachdem also die Hebestange 120 richtig positioniert
ist, kommt der Verbindungsstangenkopf 112 in einen Sitz
in dem vertieften Bereich 124. Anschließend wird das Kanalstück 70 über der
Einrichtung angeordnet und durch Bolzen 96, 96' befestigt.
Die Hebestangeneinrichtung ist somit gegen eine Drehung durch das
Kanalstück 70 gesichert.
Da darüber
hinaus der Verbindungsstangenkopf 112 in dem vertieften
Bereich 124 sitzt, kann die Verbindungsstange nicht gedreht
werden, wenn sie nicht zunächst nach
unten entgegen der Kraft der Feder 125 (125a) ausgelenkt
wird.
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Die vorbestimmte Größe der Drehung,
die für die
Hebestange 120 erforderlich ist, kann auf der Basis der
Anzahl von Vorsprüngen
in der Form des Verbindungsstangenkopfes 112 und des vertieften
Aufnahmeabschnittes 112 ermittelt werden. Das heißt, die
vorbestimmte Größe der Drehung
für einen
Verbindungsstangenkopf mit N Vorsprüngen beträgt 180°/N. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die vorbestimmte
Größe 45°, weil die
Kreuzform des Verbindungsstangenkopfes 112 vier Vorsprünge aufweist.
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Selbstverständlich sind andere Konfigurationen
des Verbindungsstangenkopfes 112 und des vertieften Aufnahmeabschnittes 122 für den Fachmann denkbar,
und die Erfindung soll nicht auf die Kreuzform beschränkt sein.
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4–8 stellen eine alternative
Hebeeinrichtung 200 gemäß der Erfindung
dar. Wie in 4 gezeigt
ist, hat in der Hebeeinrichtung 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
die Hebestange 220 Verlängerungen 290,
die sich zu jeder der vier Ecken des Kanalstückes 70 erstrecken.
Die Hebeeinrichtung enthält
ein Übergangsstück 230,
das an dem Wasserstab 74 befestigt und in der Lage ist,
eine Verbindungsstange 210 aufzunehmen, die an der Hebestange 220 starr
befestigt ist. Eine Druckfeder 225 ist so angeordnet, dass
sie die Verbindungsstange 210 zwischen der Hebestange 220 und
dem Übergangsstück 230 umgibt.
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Gemäß den 6–8 enthält das Übergangsstück 230 Gewindebolzenteile 232a, 232b,
die so konfiguriert sind, dass sie fest an dem oberen Ende von zwei
Wasserstäben 74 in
der Brennstoffeinrichtung angreifen (üblicherweise sind ein oder
zwei Wasserstäbe
in der Brennstoffeinrichtung vorgesehen). Das Übergangsstück 230 enthält auch
Anti-Rotationsanschläge 234,
um eine Rotation der Verbindungsstange 210 zu verhindern,
wenn die Verbindungsstange mit dem Übergangsstück 230 in Eingriff ist.
Eine oberste Oberfläche 230a von
dem Verbindungsstück 230 ist mit
einem vertieften Aufnahmeabschnitt 236 versehen, der entsprechend
einem vorstehenden Eingriffsabschnitt 212 von der Verbindungsstange 210 (wird
nachfolgend beschrieben) geformt ist.
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Die Verbindungsstange 210 ist
mit der Hebestange 220 an einem proximalen Ende 210a durch
irgendwelche geeigneten Mittel, wie beispielsweise durch Schweißen, starr
befestigt. Der Verbindungsstangenkopf 212 ist an dem distalen
Ende 210b von der Verbindungsstange 210 vorgesehen
und entsprechend dem vertieften Aufnahmeabschnitt 236 von
dem Übergangsstück 230 geformt.
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Um die Hebeeinrichtung 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zusammenzubauen, wird das Übergangsstück 230 zunächst an den
Wasserstäben 74 durch
Gewindebolzen 232a, 232b befestigt. Das Hebeteil
einschließlich
der Verbindungsstange 210, die an der Hebestange 220 starr
befestigt ist, wird mit dem Übergangsstück 230 so
ausgerichtet, dass der Verbindungsstangenkopf 212 mit dem
vertieften Aufnahmeabschnitt 236 von dem Übergangsstück 230 ausgerichtet
ist. Die Druckfeder 225 wird so angeordnet, dass sie die
Verbindungsstange 210 umgibt, bevor die Verbindungsstange 212 in
den vertieften Aufnahmeabschnitt 236 eingesetzt wird. Die
Hebestange 220 und die Verbindungsstange 210 werden
dann entgegen der Kraft der Feder 225 nach unten gedrückt, bis
der Verbindungsstangenkopf 212 durch den vertieften Aufnahmeabschnitt 236 und
in das Übergangsstück 230 hinein
führt.
Die Hebestange 220 und die Verbindungsstange 210 werden
dann um die vorbestimmte Größe gedreht
und freigegeben. In dem in den 4-8 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind der Verbindungsstangenkopf 212 und der vertiefte Aufnahmeabschnitt 236 so
geformt, dass sie zwei Vorsprünge haben,
so dass die vorbestimmte Größe der Drehung 90° beträgt.
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Wenn die Hebestange 220 und
die Verbindungsstange 210 freigegeben sind, nachdem sie
in das Übergangsstück 230 eingesetzt
worden sind, sitzen die Vorsprünge
des Verbindungsstangenkopfes
212 zwischen den Anti-Rotationsanschlägen 234,
die eine Drehung der Verbindungsstange verhindern. Somit müssen die
Hebestange 220 und die Verbindungsstange 210 entgegen
der Kraft der Druckfeder 225 nach unten gedrückt werden,
bevor die Einrichtung auseinander genommen werden kann.
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Nachdem die Hebestange 220 und
die Verbindungsstange 210 in dem Übergangsstück 230 befestigt sind,
wird das Kanalstück 70 über der
Einrichtung angeordnet. Die vier Verlängerungen 290 der Hebestange 220 (4) dienen auch dazu, eine
Drehung der Hebestange 220 zu verhindern, wenn das Kanalstück 70 in
seiner Lage ist.
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In jedem Ausführungsbeispiel kann die starre
Verbindung zwischen der Hebestange und der Verbindungsstange und
dem Wasserstab bzw. der Verbindungsstange durch einen Stift, eine
Verriegelungsscheibe, eine Punktschweißung, einen Keil, absichtlich
verformte Gewindegänge
oder ähnliches ausgebildet
werden.
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Die Hebeeinrichtungen gemäß der Erfindung bilden
deshalb eine einfache Struktur zum Befestigungen der Hebestange
an dem Wasserstab. Diese einfachere Konstruktion hat verringerte
Fertigungskosten zur Folge, während
eine sichere Hebeeinrichtung zum Anheben des Brennstoffbündels beibehalten
wird.