DE20113093U1 - Abstandhalter in einem Brennelement eines Kernreaktors - Google Patents
Abstandhalter in einem Brennelement eines KernreaktorsInfo
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Description
2 Beschreibung
3 Abstandhalter in einem Brennelement eines Kernreaktors
5 Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter für ein Bündel von mit Kernbrennstoff
6 gefüllten Brennstäben in einem Brennelement eines Kernreaktors, mit durch sich
7 kreuzende Stege gebildeten Zellen.
9 Der Kernbrennstoff im Kernreaktor eines Kernkraftwerkes ist üblicherweise in her-
10 metisch verschlossenen Brennstäben angeordnet, die jeweils einige Meter lang
11 sind und ein Hüllrohr mit etwa 11 mm Durchmesser und einer Wanddicke von et-
12 wa 1 mm aufweisen. Jedes Hüllrohr ist nahezu auf dessen gesamter Länge mit in
13 Tabletten gepresstem Kernbrennstoff gefüllt. Üblicherweise sind je nach Reaktor-
14 typ ca. 80 bis 300 Brennstäbe in einem Brennelement zusammengefasst. Das
is Brennelement ist, insbesondere bei einem Siedewasserreaktor, in einem Brenn-
16 elementkasten oder, insbesondere bei einem Druckwasserreaktor, ohne Umhül-
17 lung direkt im Reaktordruckbehälter angeordnet. Innerhalb des Brennelements ia dienen Abstandhalter zur Führung der Brennstäbe. Gleichzeitig bildet der Ab-
19 standhalter mit den darin geführten Brennstäben einen Strömungsquerschnitt für
20 ein das Brennelement durchströmendes Kühlfluid oder -mittel, insbesondere
21 Wasser.
23 Ein derartiger Abstandhalter für Brennelemente ist mechanisch insbesondere da-
24 durch belastet, dass die Brennstäbe durch das strömende Kühlfluid zu Vibrationen
25 angeregt werden. Hierdurch kann es zu sogenannten Frettingschäden kommen.
26 Die Brennstäbe sind daher innerhalb des Brennelements üblicherweise elastisch
27 gelagert. Mit der elastischen Lagerung werden ferner geometrische Änderungen
28 ausgeglichen, denen der Brennstab und der Abstandhalter durch Neutronenbe-
29 Strahlung und andere Einwirkungen im Laufe ihrer Betriebsdauer unterliegen.
31 Ein Abstandhalter mit mehrwandigen Zellenwänden, die in ausreichendem Maß
32 elastische Eigenschaften aufweisen, ist geeignet für eine Brennstabhalterung mit
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&igr; geringer Verschleißanfälligkeit. Ein derartiger Abstandhalter, bei dem die mehr-
2 wandigen Zellenwände gleichzeitig als Strömungsleitkanäle ausgebildet sind, ist
3 z. B. aus der US 4,726,926 bekannt. Mit der mehrwandigen Ausführung ist jedoch
4 ein hoher fertigungstechnischer Aufwand verbunden.
6 Fertigungstechnische Vorteile bietet ein Abstandhalter mit einwandigen Zellen. In
7 der DE 199 16 893 C1 ist ein Abstandhalter beschrieben, der eine elastische
&bgr; Brennstablagerung ermöglicht, indem aus den einteiligen Zellenwänden heraus
9 durch Umformung des Wandmaterials Erhebungen als Anlageelemente für den
10 Brennstab gebildet sind. Eine Erhebung auf einer Zellenwand stellt auf deren
11 Rückseite gleichzeitig eine Vertiefung dar, so dass der auf der Rückseite der ZeI-
12 lenwand angeordnete benachbarte Brennstab an der entsprechenden Stelle der
13 Zellenwand nicht gehalten werden kann. Die Oberfläche der Zellenwände kann &eegr; damit nur eingeschränkt für die Brennstabhalterung genutzt werden.
16 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abstandhalter anzugeben, der
&igr;? bei einfachem Aufbau günstige mechanische Eigenschaften, insbesondere eine
18 Brennstablagerung mit ausgedehnten Kontaktbereichen, aufweist.
20 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
21 1. Hierbei ist auf mindestens einer einwandigen Zellenwand der oder jeder Zelle
22 des Abstandhalters ein separates U-förmiges Anlageelement für den dieser Zelle
23 zugeordneten Brennstab angeordnet. Das U-förmige Anlageelement bildet zu-
24 sammen mit der einteiligen Zellenwand einen Strömungsleitkanal für das den Ab-
25 standhalter durchströmende Kühlfluid.
27 Die einwandige Grundstruktur ermöglicht eine einfache Fertigung des Abstand-
28 halters. Nimmt das U-förmige Anlageelement eine Fläche ein, die die jeweilige
29 Zellenwand nahezu vollständig abdeckt, werden vorteilhafterweise die guten me- I *
30 chanischen Eigenschaften von Abstandhaltern mit mehrwandigen Zellen weitge- I
31 hend nachgebildet. Der durch das als separates Teil auf die jeweilige Zellenwand
32 aufgesetzte und dort befestigte U-förmige Anlageelement gleichzeitig gebildete
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&igr; Strömungsleitkanal weist im Vergleich zu einer flächigen Erhebung, die aus einer
2 einteiligen Zellenwand aus dem diese bildenden Stegmaterial heraus geprägt ist,
3 einen geringen Strömungswiderstand auf.
5 Bevorzugt wird das U-förmige Anlageelement derart gestaltet, dass es durch eine
&bgr; Kraft, die senkrecht vom Inneren der Zelle in Richtung Zellenwand wirkt, zumin-
7 dest geringfügig elastisch verformbar ist. Dies wird auf einfache Weise erreicht,
a indem der zwischen den beiden die mit der Zellenwand verbundenen U-Schen-
9 kein liegende Anlagesteg des U-förmigen Anlageelementes ausreichend breit ist.
10 Ein gesondertes Federelement in der Zelle, wie es bei gebräuchlichen Abstand-
11 haltern z. B. in einer Ecke der Zelle (DE 298 08 966 U1) angeordnet ist, ist damit
12 nicht mehr erforderlich.
14 Vorzugsweise deckt das U-förmige Anlageelement mindestens 50 % der Breite
is der Zellenwand ab. Ist der Anlagesteg in geeigneter Weise zumindest in dem Be-
16 reich, der als Kontaktbereich zum Brennelement vorgesehen ist, in Anpassung an
&igr;? den Radius des Brennstabs gekrümmt, so kann ein im Vergleich zum ebenen
is Anlagesteg vergrößerter Kontaktbereich gebildet werden. In jedem Fall kann ein
19 ausgedehnter Kontaktbereich durch eine entsprechend langgestreckte Form des
20 U-förmigen Anlageelements gebildet werden. Vorteilhafterweise erstreckt sich das
21 U-förmige Anlageelement über zumindest annähernd die gesamte Höhe der Zelle.
23 In vorteilhafter Ausgestaltung sind auf zwei benachbarten Seiten der Zelle U-
24 förmige Anlageelemente zur Brennstablagerung vorgesehen. Werden diese U-
25 förmigen Anlageelemente elastisch ausgeführt, so sind sie geeignet, den entspre-
26 chenden Brennstab zwischen sich und den jeweils gegenüberliegenden, festste-
27 henden Zellenwänden einzuspannen. Bei dieser Ausführung ist es vorteilhaft, die
28 U-förmigen Anlageelemente asymmetrisch auf den Zellenwänden anzuordnen.
so Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist auf dem die beiden U-
31 Schenkel verbindenden Anlagesteg des U-förmigen Anlageelementes mindestens
32 eine Blattfeder angeordnet, die die Kontaktfläche zum Brennstab bildet. Auf diese
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&igr; Weise können besonders günstige elastische Eigenschaften der Brennstabhalte-
2 rung erreicht werden. Die Blattfeder kann hierbei aus dem Material des U-
3 förmigen Anlageelementes heraus gebildet oder als gesondertes Teil mit diesem
4 verbunden sein.
5
5
6 Eine ablenkende Wirkung auf den Kühlmittelstrom, wodurch die Kühlmittelvertei-
7 lung über den Brennelementquerschnitt vergleichmäßigt wird, wird auf einfache &bgr; Weise durch Schrägstellung des U-förmigen Anlageelementes und damit des
9 durch diesen begrenzten Strömungsleitkanals gegenüber der Zellenachse er-
10 reicht.
11
11
12 Fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, die U-förmigen Anlageelemente in benach-
13 barten Zellen axial in Richtung der Zellenachse zueinander versetzt anzuordnen.
14 Auf der Vorder- und Rückseite der Zellenwand befinden sich damit die U-förmigen
Anlageelemente auf unterschiedlicher Höhe.
17 An die tragende Struktur des Abstandhalters aus einwandigen Bauteilen und an
ie Federelemente innerhalb der zur Brennstabführung vorgesehenen Zellen werden
19 werkstofftechnisch unterschiedliche Anforderungen gestellt. Während nämlich bei
20 der tragenden Struktur die Neutronenabsorptionseigenschaften von besonderer
21 Bedeutung sind und daher häufig Zirkoniumlegierungen, insbesondere Zirkaloy,
22 verwendet werden, stehen bei den Federelementen die mechanischen Eigen-
23 schäften im Vordergrund, weshalb hierfür häufig Nickel-Basislegierungen, insbe-
24 sondere Inconel, verwendet werden. Nickel-Basislegierungen werden z. B. bei den
25 oben genannten in jeweils einer Ecke der Zellen angeordneten Federelementen
26 verwendet (DE 298 08 966 U1).
28 Im Gegensatz zu Abstandhaltern mit starren Zellen, in denen ein gesondertes Fe-
29 derelement angeordnet ist, weist der Abstandhalter mit an der Zellenwand gehal-
30 tenem U-förmigem Anlageelement bevorzugt Zellen mit einer zumindest teilweise
31 elastischen Zellenwand auf, so dass die zur Brennstabführung notwendigen ela-
32 stischen Eigenschaften integraler Bestandteil des Aufbaus der Zelle sind. Dadurch
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1 ist vermieden, dass für diese elastischen Eigenschaften ein gesondertes Bauteil
2 vorzusehen ist. Von Vorteil ist dabei insbesondere, dass im Unterschied zu Ab-
3 standhaltern mit gesonderten Federelementen größere elastische Kontaktberei-
4 ehe zum Brennstab gebildet werden. Die Zellen weisen praktisch die Eigenschaf-
5 ten doppelwandiger Zellen auf. Aufgrund der Großflächigkeit der Brennstablage-
6 rung müssen die U-förmigen Anlageelemente hinsichtlich der elastischen Eigen-
7 schäften nicht die gleichen hohen Anforderungen erfüllen wie ein übliches geson-
8 dertes Federelement. Der Doppelwandcharakter des Abstandhalters mit U-
9 förmigen Anlageelementen ermöglicht es somit, für diese den gleichen Werkstoff
10 wie für die Stege zu wählen. Damit werden sowohl fertigungstechnische Vorteile
11 als auch ein Nutzen hinsichtlich der Korrosionseigenschaften erzielt. 12
13 Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung
&eegr; näher erläutert. Darin zeigen:
16 Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Abstandhalter mit vier Anlage-
17 elementen je Zelle in perspektivischer Darstellung, is Fig. 2 einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 1,
19 Fig. 3 einen Ausschnitt eines Abstandhalter mit zwei Anlageele-
20 menten je Zelle in perspektivischer Darstellung,
21 Fig. 4 einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 3.
23 Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei-
24 chen versehen.
26 Der ausschnittsweise in Fig. 1 und 2 dargestellte Abstandhalter 1 besteht in seiner
27 Grundstruktur aus Stegen 2, die zu einer Gitterstruktur verbunden sind, wobei die
28 Stege 2 mittels Steckschlitzen 3 ineinander gesteckt sind. Die Stege 2 bilden zur
29 Führung nicht dargestellter Brennstäbe quadratische Zellen 4 der Breite B und der so Höhe H. Die Stege 2 sind an ihren Kreuzungspunkten 5, die zugleich die Eck-
31 punkte der Zelle 4 bilden, durch Lötung oder Schweißung verbunden. Insbesonde-
32 re kann eine punktförmige Lot- oder Schweißverbindung an der Oberkante 6
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&igr; und/oder der Unterkante 7 der Stege 2 vorgesehen sein. Die in den Darstellungen
2 mittlere Zelle 4 weist vier Zellenwände 8 auf, die jeweils durch einen Abschnitt
3 zwischen zwei benachbarten Steckschlitzen 3 der Stege 2 gebildet sind.
5 Mehrere Abstandhalter 1 sind in verschiedenen Höhen des Brennelements in ei-
6 nem Kernreaktor angeordnet. Durch das Brennelement und damit durch den Ab-
7 standhalter 1 fliesst ein Kühlmittel oder -fluid K von unten nach oben in vertikaler &bgr; Strömungsrichtung 9 parallel zu der Achse A der Zelle 4. Auf den einzelnen ZeI-
9 lenwänden 8 der Zelle 4 ist jeweils ein separates U-förmiges Anlageelement 10
10 zur Lagerung des der Zelle 4 zugeordneten Brennstabs angeordnet.
12 Das U-förmige Anlageelement 10 ist gebildet aus einem Anlagesteg 11 und zwei
13 daran anschließenden U-Schenkeln 12, die quer zum Anlagesteg verlaufen und
14 mit der Zellenwand 8 verbunden sind. Die U-Schenkel 12 sind über Zungen 13 in is Einsteckschlitze 14 auf der Zellenwand 8 gesteckt. Eine dauerhafte Verbindung 16 zwischen der Zellenwand 8 und den U-Schenkeln 12 kann durch Lötung oder
&eegr; Schweißung, insbesondere Laserschweißung, sichergestellt werden. Der Anlage-
18 steg 11 wird durch die U-Schenkel 12 im Abstand d von der Zellenwand 8 parallel
19 zu dieser gehalten. Das U-förmige Anlageelement 10 bildet zusammen mit einem
20 großen Teil der Zellenwand 8 einen Strömungsleitkanal 15 für das Kühlfluid K. Der
21 Strömungsleitkanal 15 weist eine im Vergleich zu seiner dem Abstand d entspre-
22 chenden Höhe große Breite b von mehr als der Hälfte der Breite B der Zellenwand
23 8 auf. In seiner Länge L erstreckt sich der Strömungsleitkanal 15 über annähernd
24 die gesamte Höhe H der Zelle 4. Der Strömungsleitkanal 15 ist parallel zur ZeI-
25 lenachse A ausgerichtet und weist damit einen geringen Strömungswiderstand
28 Auf dem Anlagesteg 11 des U-förmigen Anlageelementes 10 sind zwei parallele
29 Blattfedern 16 gehalten, die jeweils einen langgestreckten Kontaktbereich zum
so Brennstab bilden. Die Blattfeder 16 ist entweder aus dem Material des U-förmigen
31 Anlageelementes 10 heraus geformt oder als gesondertes Bauteil mit diesem
32 dauerhaft, insbesondere durch Laserschweißung, verbunden. Ein Einfedern, das
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&igr; insbesondere beim Schwingen des Brennstabs auftritt, führt zu einer Verlagerung
2 des Kontaktbereichs zwischen der Blattfeder 16 und der Hüllrohroberfläche des
3 Brennstabs. Die hierbei auftretende Reibung wirkt sich auf die Bewegung des
4 Brennstabs in vorteilhafter Weise dämpfend aus. Die Blattfeder 16 trägt aufgrund
5 ihrer Ausrichtung längs zur Strömungsrichtung 9 nur in einem untergeordneten
6 Ausmaß zum Strömungswiderstand des Abstand halters 1 bei.
&bgr; Um das strömende Kühlmittel K abzulenken und damit den Kühlmittelstrom zu
9 durchmischen, kann auf der Ober- und/oder Unterseite des Abstandhalters 1 in an
10 sich bekannter Weise ein Strömungsleitelement wie eine Fahne oder Schaufel
11 angebracht sein. Zum gleichen Zweck kann der Strömungsleitkanal 15 gegenüber
12 der Strömungsrichtung 9 schräg gestellt werden. Ebenso kann sowohl der Strö-
13 mungsleitkanal 15 schräg gestellt als auch ein zusätzliches Strömungsleitelement
14 am Abstandhalter 1 angeordnet sein. Insbesondere kann aus dem Material des
15 Stegs 2 oder aus dem U-förmigen Anlageelement 10 heraus ein Strömungsleite-
16 lement gebildet werden.
is Der in Fig. 3 und 4 ausschnittsweise dargestellte Abstandhalter 1 unterscheidet
is sich von dem Abstandhalter 1 nach Fig. 1 und 2 im Wesentlichen dadurch, dass
20 die Zelle 4 nur zwei statt vier U-förmige Anlageelemente 10 aufweist. Ferner ist
21 auf dem U-förmigen Anlageelement 10 nur eine Blattfeder 16 angeordnet. In der
22 Zelle 4 sind die beiden U-förmigen Anlageelemente 10 auf benachbarten Zellen-
23 wänden 8a angeordnet. Jedes der U-förmigen Anlageelemente 10 ist auf der je-
24 weiligen Zellenwand 8a derart außermittig angeordnet, dass der Abstand vom
25 gemeinsamen Eckpunkt 5a der beiden Zellenwände 8a zum U-förmigen Anlage-
26 element 10 größer ist als der Abstand vom U-förmigen Anlageelement 10 zum
27 anderen Eckpunkt 5b, der dieselbe Zellenwand 8a begrenzt. Der innerhalb der
28 Zelle 4 freie Querschnittsbereich ist so bemessen, dass ein strichpunktiert darge-
29 stellter Brennstab 17, der an den gegenüber der U-förmigen Anlageelemente 10 so liegenden Zellenwänden 8b anliegt, mit Hilfe der beiden Blattfedern 16 gehalten
31 wird. Der Brennstab 17 wird auf diese Weise asymmetrisch in der Zelle 4 gehal-
32 ten, wobei die Blattfedern 15 aufgrund ihrer ebenfalls asymmetrischen Anordnung
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&igr; Kontaktbereiche zum Brennstab 17 bilden, die mittig auf der jeweiligen Blattfeder
2 15 liegen.
4 Auf der Zellenwand 8b, die der Zellenwand 8a gegenüber liegt, kann eine starre
5 Erhebung vorgesehen sein, die z. B. durch Umformung aus dem Material des
&bgr; Stegs 2 heraus gebildet ist und derart bemessen ist, dass der Brennstab 17 in der
7 Mitte der Zelle 4 gehalten wird. Ferner kann am Abstandhalter 1 nach den Figuren
&bgr; 3 und 4 analog der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 der Strömungs-
9 leitkanal 15 gegenüber der Zellenachse A schräg gestellt sein und/oder ein zu-
10 sätzliches Strömungsleitelement angebracht sein.
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| 1 2 3 |
1 | JdZ-ClOl ICIMlCJLC Abstandhalter |
| 4 | 2 | Steg |
| 5 | 3 | Steckschlitz |
| 6 | 4 | Zelle |
| 7 | 5 | Kreuzungspunkt |
| &bgr; | 5a,b | Eckpunkte |
| 9 | 6 | Oberkante |
| 10 | 7 | Unterkante |
| 11 | 8 | Zellenwand |
| 12 | 8a,b | Zellenwände |
| 13 | 9 | Strömungsrichtung |
| 14 | 10 | Anlageelement |
| 15 | 11 | Anlagesteg |
| 16 | 12 | U-Schenkel |
| 17 | 13 | Zunge |
| 18 | 14 | Einsteckschlitz |
| 19 | 15 | Strömungsleitkanal |
| 20 | 16 | Blattfeder |
| 21 | 17 | Brennstab |
| 22 | ||
| 23 | ||
| 24 | A | Zellenachse |
| 25 | b | Breite des Strömungsleitkanals |
| 26 | B | Breite der Zelle |
| 27 | d | Höhe des Strömungsleitkanals |
| 28 | K | Kühlfluid |
| 29 | L | Länge des Strömungsleitkanals |
| 30 |
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Claims (10)
1. Abstandhalter für ein Bündel von mit Kernbrennstoff gefüllten Brennstäben (17) in einem Brennelement eines Kernreaktors, mit durch sich kreuzende Stege (2) gebildeten Zellen (4), und mit einem an einer einwandigen Zellenwand (8) gehaltenen U-förmigen Anlageelement (10) zur Bildung eines Strömungsleitkanals (15) für ein Kühlfluid (K).
2. Abstandhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmige Anlageelement (10) in Richtung senkrecht zur Zellenwand (8) elastisch ist.
3. Abstandhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das U-förmige Anlageelement (10) über mindestens 50% der Breite (B) der Zellenwand (8) erstreckt.
4. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das U-förmige Anlageelement (10) über zumindest annähernd die gesamte Höhe (H) der Zelle (4) erstreckt.
5. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Zelle (4) auf benachbarten Zellenwänden (8) jeweils ein U-förmiges Anlageelement (10) angeordnet ist.
6. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmige Anlageelement (10) auf der jeweiligen Zellenwand (8) asymmetrisch angeordnet ist.
7. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem U-förmigen Anlageelement (10) mindestens eine Blattfeder (16) gehalten ist.
8. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmige Anlageelement (10) gegenüber der Zellenachse (A) schräg gestellt ist.
9. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das U-förmige Anlageelement (10) aus dem gleichen Werkstoff wie die Zellenwand (8) gefertigt ist.
10. Brennelement für einen Kernreaktor, mit einem Abstandhalter nach den Ansprüchen 1 bis 9.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20113093U DE20113093U1 (de) | 2001-08-07 | 2001-08-07 | Abstandhalter in einem Brennelement eines Kernreaktors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20113093U DE20113093U1 (de) | 2001-08-07 | 2001-08-07 | Abstandhalter in einem Brennelement eines Kernreaktors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE20113093U1 true DE20113093U1 (de) | 2002-01-03 |
Family
ID=7960266
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20113093U Expired - Lifetime DE20113093U1 (de) | 2001-08-07 | 2001-08-07 | Abstandhalter in einem Brennelement eines Kernreaktors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20113093U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104021821A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 中科华核电技术研究院有限公司 | 保持格栅及带有这种保持格栅的燃料组件 |
-
2001
- 2001-08-07 DE DE20113093U patent/DE20113093U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104021821A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-03 | 中科华核电技术研究院有限公司 | 保持格栅及带有这种保持格栅的燃料组件 |
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