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Heterogener Kernreaktor zum Erzeugen von Energie Die Erfindung betrifft
heterogene Kernreaktoren zum Erzeugen von Energie, die mit einem Kern versehen sind,
welcher aus wenigstens einem Aggregat besteht, das sich aus zwei einander durchdringenden
Bündeln zueinander paralleler, vorzugsweise senkrecht angeordneter stabförmiger
Spaltstoffelemente zusammensetzt, von denen das eine stationär und das andere verschiebbar
ist oder mit einem drehbaren Organ verbunden ist.
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Es sind verschiedene Ausführungformen solcher Kernreaktoren bekannt.
So einer bei dem zwei unter einem Winkel von 90° in übereinanderliegenden Ebenen
symmetrisch sich kreuzende Felder quer zu ihrer Längsrichtung verschiebbarer und
innerhalb eines Feldes parallel zueinander angeordneter Führungsbalken, welche aus
parallelen Stegprofilen aufgebaut sind, und Wagen, die, von den Balken einer Ebene
getragen, stets am Ort von zwei sich kreuzenden Balken sich befinden und zur Aufhängung
der Brennstoffelemente dienen, vorgesehen sind.
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Weiterhin ist ein heterogener Kernreaktor bekannt, bei dem die Brennstoffelemente
in Form von zwei etwa U-förmigen Stangen vorliegen, die jeweils an den Enden zweier
schwenkbarer Arme befestigt sind und durch Schwenken dieser Arme soweit ineinandergeschoben
werden können, daß zwischen diesen Brennstoffelementen jeweils noch Platz für die
entsprechenden Steuerstäbe ist.
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Ebenso ist ein Kernreaktor bekannt, bei dem der Reaktorkern in zwei
Bereiche, einen inneren und einen äußeren Bereich, unterteilt ist. Während der innere
Bereich kompakt und ortsfest ist, ist der äußere Bereich in mehrere senkrechte Stäbe
unterteilt, die an ihren oberen Enden in Zapfen drehbar gelagert sind und zur Steuerung
des Reaktors von dem inneren Bereich des Kerns weg seitlich ausgeschwenkt werden
können.
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Bei einem anderen bekannten Kernreaktor sind die Brennstoffelemente
in Schichten angeordnet, wobei die ungradzahligen Schichten gegen die gradzahligen
Schichten versetzt angeordnet sind und die ungradzahligen Schichten gegenüber den
gradzahligen Schichten verschoben werden können, um den Reaktor kritisch werden
zu lassen.
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Gemäß der Erfindung werden nunmehr bei einem heterogenen Kernreaktor
zum Erzeugen von Energie, wie er eingangs bezeichnet wurde, entweder die Bündel
jeweils als zueinander koaxiale, kreisförmige Kränze von Spaltstoffelementen ausgebildet,
wobei das mit dem drehbaren Organ verbundene Bündel um die Symmetrieachse des Kerns
gedreht wird, oder das verschiebbare Bündel parallel zur Stabrichtung verstellt,
wobei jeder Stab über seine Länge miteinander abwechselnde Abschnitte aus Spaltstoffteilchen
und Teilen aus moderierendem oder Brutmaterial aufweist.
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Vorzugsweise werden die Kränze des Spaltstoffaggregats so ausgeführt,
daß sie über ihren Umfang abwechselnd dicht und weniger dicht mit Spaltstoffstäben
besetzt sind.
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Die Kernreaktoren nach der Erfindung haben den Vorteil, daß durch
die relative Verschiebung einer Gruppe von Spaltstoffelementen zu einer anderen
Gruppe von Spaltstoffelementen die Dichte des Spaltmaterials derart geändert wird,
daß sie in Bereichen abnimmt, in denen die Dichte zunächst hoch ist.
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Auf diese Weise erreicht man; daß in diesen Bereichen das Neutronenenergiespektrum
sich vom epithermischen Energiebereich in den Bereich thermischer Energie verschiebt.
Ebenso wird es durch geeignetes Verschieben von Gruppen mit Spaltstoffelementen
zueinander möglich, eine umkehrbare Spektralverschiebung im Neutronenfluß zu erzeugen.
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Bisher war bekannt, vom sogenannten »Spektralverschiebungsprinzip«
Gebrauch zu machen, indem verschiedene Mischungen im verwandten Moderator hervorgebracht
wurden. Hierbei lag der Nachteil darin, daß ein solches Mischen nicht reversibel
war.
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Nach der Erfmdung wird es nun möglich, das Neutronenenergiespektrum
örtlich sowohl zum Bereich epithermischer Energie hin als auch zum Bereich thermischer
Energie hin zu verschieben, was bedeutet, daß nunmehr die Spektralverschiebung
reversibel
ist. Auf diese Weise erhält man den großen Vorteil, daß Temperatureinflüsse und
eine Vergiftung durch Xenon umgangen werden können und daß dadurch ein hoher Spaltungsgrad
erreicht wird, der so hoch liegt ,daß ein einzelner Kern für die gesamte Lebensdauer
des Reaktors genügt. Die Verwendung eines eingearbeiteten ausbrennbaren Neutronengiftes
wird nun vollkommen unnötig.
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Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden,
in denen gewisse Ausführungsformen des Kernreaktors gezeigt sind.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen Horizontalschnitt durch eine Spaltzone.
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F i g. 2 stellt eine weitere Ausführungsform im Vertikalschnitt einer
Spaltzone mit zwei koaxialen Systemen dar, von denen jedes drehbar ist.
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F i g. 3 zeigt einen Horizontalschnitt entsprechend der Linie B-B
in F i g. 2.
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F i g. 4 zeigt einen Horizontalschnitt entsprechend der Linie A-A
in F i g. 2.
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F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Reaktorbehälters mit einer
Spaltzone im Vertikalschnitt, von der ein Teil ortsfest, das andere Teil drehbar
aufgebracht ist.
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F i g. 6 zeigt einen Schnitt entsprechend B-B in Fig.5.
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F i g. 7 zeigt einen teilweisen Vertikalschnitt eines Reaktorbehälters,
in dem vertikal angeordnete Spaltstoffstäbe angeordnet sind, die in vertikaler Richtung
verschoben werden.
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F i g. 8 ist ein Vertikalschnitt eines spaltbaren Elementes, wie es
in F i g. 7 dargestellt ist.
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F i g. 9 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie A-A in F i
g. B.
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F i g. 10 zeigt einen Horizontalschnitt längst der Linie B-B in F
i g. B.
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F i g. 11 ist eine Draufsicht auf ein Führungsgitter für die spaltbaren
Elemente.
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F i g. 12 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie B-B in F i g. 11.
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F i g. 13 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie A -A
in F
i g. 11.
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F i g. 14 ist ein Horizontalschnitt längs der Linie D-D in F i g.
7.
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F i g. 15 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie A-A in F i g. 14.
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F i g. 16 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie C-C in F i g. 14.
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F i g. 17 ist ein Vertikalschnitt durch einen Antriebsmechanismus,
der zur Ausführung der Vertikalverschiebung dient.
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F i g. 18 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie B-B in F i g. 14.
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Nach F i g. 1 besteht eine Spaltzone eines Kernreaktors aus ringförmigen
konzentrischen Stützen 1 und 2, auf die Stangen 3 spaltbaren Materials in zwei Gruppen
aufgebracht sind. Aus Gründen der Einfachheit sind die ringförmigen Stützen 1 einer
Gruppe durch eine doppelte fortlaufende Linie dargestellt, wohingegen die ringförmigen
Stützen 2 der anderen Gruppe durch eine einzige fortlaufende Linie erkennbar sind.
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Die Abstützungen 1 der ersten Gruppe aus spaltbaren Stäben bilden
ein starres System, genau wie auch die Abstützungen 2.
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Das System mit den Abstützungen 1 kann um einen Winkel zu dem System
mit den Abstützungen 2 gedreht werden. Die Stäbe spaltbaren Materials werden abwechselnd
dicht und weniger dicht auf jeder ringförmigen Abstützung angeordnet.
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Das Ergebnis der vorbeschriebenen Drehung eines Systems zum anderen
liegt darin, daß eine Abnahme spaltbaren Materials im Sektor l erreicht wird, so
daß die dort vorhandenen Stäbe weniger dicht vorhanden sind, wohingegen die Menge
spaltbaren Materials im Sektor 2 zunimmt.
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In den dicht mit Stäben besetzten Sektoren ist das Neutronenspektrum
zunächst vorwiegend epithermisch (hartes Spektrum), da dieser Volumteil des Reaktors
untermoderiert ist, d. h. relativ wenig moderierender Stoff ist vorhanden, wohingegen
das Neutronenspektrum in den Sektoren, die weniger dicht durch Stäbe besetzt sind,
vorwiegend thermisch ist, d. h. dieser Volumteil des Reaktors ist übermoderiert.
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In den F i g. 2, 3 und 4 ist eine andere Ausführungsform eines Kernreaktors
gegeben, wobei zwei Gruppen an spaltbaren Elementen in einem Reaktorbehälter 4 (nur
zum Teil gezeigt) angeordnet sind, und jeder aus koaxialen Ringen aus Spaltstoffstäben
besteht, von denen jeder gedreht werden kann.
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F i g. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B in F i g. 2. An ihrer
Unterseite sind die Spaltstoffstäbe an ringförmigen, zylindrischen Abstützungen
14 und 15 befestigt. Die Abstützungen 14 und 16 werden in ihrer Lage gehalten
und mittels Verbindungsteilen 18 getragen, die ihrerseits mit den »Speichen« 19
des Antriebsmechanismus verbunden sind. Die »Speichen« 19, die unter anderem auch
in F i g. 4 gezeigt sind - wobei F i g. 4 ein Schnitt längs der Linie A-A in F i
g. 2 ist - sind an der vertikalen Spinde120 befestigt, welche am oberen Ende durch
das Lager 9 und am unteren Ende durch ein Lager 21 gehalten wird, wobei sich letzteres
außerhalb des Reaktorbehälters befindet. Die Abstützungen 15 sind in ähnlicher Weise
wie die Abstützungen 14 mit vertikalen Verbindungsteilen 22 und »Speichen« 23 mit
der Hohlspinde124 verbunden, die die Spinde120 umgibt und die mit ihrem oberen Ende
auf der Spindel 20 mit Hilfe eines Lagers 25 getragen wird und am
unteren Ende durch ein außerhalb des Reaktorbehälters angeordnetes Lager
26. Die Spindeln 20
und 24 werden durch den Boden des Reaktorbehälters
durch die Stopfbüchsenpackung 27 geführt. Damit die »Speichen« 19 mit dem unteren
Ende an der Spindel 20 befestigt werden können, sind Aussparungen 28 in der
Hohlspindel 24 vorgesehen. Die Länge dieser Aussparungen wird durch die gewünschte
maximale Winkeldrehung des einen koaxialen Systems zum anderen bestimmt.
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Die Drehung der beiden koaxialen Systeme, entweder als Drehung eines
Systems in bezug auf das andere oder als gleichzeitige Drehung der beiden Systeme,
ist folgende: Die Spindel 20 wird durch ein Zahnrad 11 angetrieben und gedreht,
und durch einen Kupplungsmechanismus 29 kann die Spindel 20 mit der
Spindel 24, wie in F i g. 2 gezeigt, gekuppelt werden. Sind nun diese Spindeln 20
und 24 gekuppelt, so drehen sich beide Spindeln mit der gleichen Geschwindigkeit
und dementsprechend auch die damit verbundenen Systeme. Dies führt dazu, daß beide
Systeme gleichzeitig und mit der gleichen Geschwindigkeit sich drehen.
Im
umgekehrten Fall, d. h., wenn die Spindeln 20 und 24 durch die Kupplungseinrichtung
nicht miteinander in Verbindung gebracht wurden, wird nur die Spinde120 angetrieben,
und dies führt dazu, daß das daran befestigte System gedreht wird, wohingegen das
andere ortsfest verbleibt.
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F i g. 5 ist ein Schnitt durch einen Reaktorbehälter 4, in dem sich
ein zylindrisches System aus Spaltstoffelementen befindet, das aus zwei koaxialen
Systemen besteht, von denen eines unbeweglich eingebaut ist.
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Eine Konstruktion ähnlich der im unteren Teil des Reaktorbehälters
befindet sich auch im oberen Teil hiervon. Das unbewegliche System umfaßt Spaltstoffstäbe
3, die oben und unten in ringförmigen Führungsabstützungen 30 und 31, wie unter
anderem in F i g. 6 gezeigt, befestigt sind. F i g. 6 ist ein Schnitt entsprechend
der Linie B-B in F i g. 5.
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Die Führungsabstützungen 30 und 31 im unteren Teil des Reaktorbehälters
sind auf Abstützungen 32 befestigt, die ihrerseits an der Innenwand des Reaktorbehälters
befestigt sind.
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Das zu drehende System besteht aus Spaltstoffstäben, die in ähnlicher
Weise oben und unten in ringförmigen Führungsabstützungen 33 und 34 befestigt sind,
die wiederum an der Spindel 35 vermittels eines vertikalen Verbindungsgliedes 35
und »Speichen« 37, in ähnlicher Weise wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, verbunden
sind.
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Die Spindel 35 ruht oben in einem Lager 9 und wird unten durch den
Boden des Reaktorbehälters durch eine Stopfbüchsenpackung 27 geführt und ruht gegen
ein Lager 38, das außerhalb des Reaktorbehälters angeordnet ist.
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Die Spindel 35 kann über ein Zahnrad 11 gedreht werden. Hierdurch
kann das hieran befestigte System um einen vorgegebenen Winkel, bezogen auf das
feste System, gedreht werden.
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Die Verbindungsstutzen 12 und 13 dienen zum Zu- bzw. Abführen des
Kühlmittels.
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F i g. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Reaktorbehälter 4,
in dem Spaltstoffelemente 44 vertikal angeordnet sind. Diese Spaltstoffelemente
bestehen jedes aus zwei Stabaggregaten, von denen eines vertikal verschiebbar, das
andere fest bzw. unbeweglich ist. Sowohl die vertikal verschiebbaren als auch die
unbeweglichen Aggregate bestehen aus Stäben, in denen abwechselnd Teile aus Spaltstoffmaterial
und solche aus moderierendem oder brutbarem Material angeordnet sind.
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Die Spaltstoffelemente 44 sind auf einem festen Traggitter 45 gelagert,
welches seinerseits im Reaktorbehälter gelagert ist und in seiner Lage durch den
Auflagering 46 gehalten wird. Ein vertikal verschiebbares Gitter 47 ist über Verbindungselemente
48 mit den obenerwähnten verschiebbaren Aggregaten gekuppelt.
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Die Auf- und Abwärtsbewegung des Gitters 47 wird über Zahnräder 48
sowie einen im Gehäuse 49 angeordneten Mechanismus durchgeführt; Zugfedern 50 dienen
- wenn nötig - zur Beschleunigung einer schnellen Abwärtsbewegung. Die Verbindungsstutzen
12 und 13 dienen der Zu- bzw. Abführung des Kühlmittels. Eine genauere Beschreibung
soll nun an Hand der in den F i g. 8 bis 18 dargestellten Einzelheiten erfolgen.
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Die F i g. 8 und 10 zeigen einen Vertikal- bzw. Horizontalschnitt
durch ein z. B. in F i g. 7 dargestelltes Spaltstoffelement 44. Im Gehäuse 51 befinden
sich unbewegliche Stäbe 52 und vertikal verschiebbare Stäbe 53. Aus Gründen der
Übersichtlichkeit sind die in F i g. 10 dargestellten Stäbe mit einem einzigen kleinen
Kreis angedeutet.
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Die Stäbe 52 wie auch die Stäbe 53 bestehen abwechselnd aus Teilen
aus Spaltstoffmaterial 54 und Teilen aus moderierendem oder brutbarem Material 55.
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Die unbeweglichen Stäbe 52 sind zwischen den Gittern 56 befestigt,
die im Gehäuse 51 durch Querabstützungen 57 gehalten werden..
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Die Stäbe sind zwischen vertikal verschiebbaren Gittern 58 befestigt,
die oben und unten durch Führungsrippen 59 geführt werden.
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Das Verbindungsteil 48, das an der Unterseite in der Mitte des untersten
beweglichen Gitters 58 befestigt ist, weist Schlitze 60, wie auch in F i g. 9 gezeigt,
auf. Diese Schlitze sind für die vertikale Verschiebung notwendig, da das unterste
Gitter 58 über dem untersten festen Gitter 56 angeordnet ist und die Gitterstäbe
des letztgenannten Gitters zwischen den Gitterstäben des darüber angeordneten Gitters
58 angeordnet sind, wie in F i g. 10 zu sehen.
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Das Gehäuse 51 ist auf dem festen Stützgitter 45 angebracht,
das in den F i g. 11, 12 und 13 in einer detaillierteren Ausführungsform dargestellt
ist. In dem in F i g. 11 zu sehenden Reaktorbehälter 4 ist das Gitter 45 durch einen
abstützenden Tragring 46 gehalten, wie in Fig.12 zu sehen. Entsprechend Fig. 13
wird das Gitter 45 in seiner Lage vermittels an dem Gitterring 61 befestigten
Winkelgliedern 62 gehalten, die ihrerseits an dem tragenden Stützring 46, z. B.
durch Bolzen und Schrauben, befestigt sind.
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F i g. 14 zeigt das bewegliche Gitter 47, auf dem die in den F i g.
7 und 8 dargestellten Verbindungsteile 48 befestigt sind. Aus Gründen der übersichtlichkeit
sind nur zwei Verbindungsglieder gezeigt.
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Zur vertikalen Bewegung ist das Gitter durch die Führungsrippen 63,
wie z. B. in F i g. 18 gezeigt, geführt. Diese an der Innenseite des Reaktorbehälters
befestigten Führungsrippen 63 liegen zwischen am Gitterring 64 festen Führungen
65.
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Die unterste Stellung des Gitters 47 ist durch eine kleine
Anschlagplatte 66 festgelegt, die fest mit der Unterseite der Führungsrippen 63
verbunden ist. In der Mitte des Gitters 47 ist durch Platten 67 eine Spindel 68
befestigt, die mit dem nach F i g. 7 im Innern des Gehäuses 49 angeordneten Mechanismus
in Verbindung steht, der dazu dient, die Vertikalbewegung des Gitters
47 und daher die vertikal verschiebbaren Stäbe in den Spaltstoffelementen
steuernd zu verstellen.
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F i g. 17 ist ein Schnitt durch den vorgenannten Mechanismus.
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Das zylindrische Gehäuse 49 ist mit dem Boden des Reaktorbehälters
4 durch eine Laufbuchse 69 und Bolzen 70 fest verbunden. Die Spindel 68 wird über
eine Stopfbüchsenpackung 71 durch den Boden des Reaktorbehälters geführt. Das untere
Ende der Spindel 68 besitzt einen größeren Durchmesser und weist eine Zylinderbohrung
72 auf. Unter der Bohrung 72 ist ein feststellendes Teil 73 angebracht, das eine
vertikale Bohrung mit zentrischem Schraubengewinde aufweist.
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Das Ganze ist über Flansche 74 im Gehäuse 49 drehbar gelagert. In
der Bohrung 72 befindet sich eine Spindel 75, die oben Gewinde trägt. Diese Spindel
wird
über eine Stopfbüchsenpackung 76 durch den Boden 77 des Gehäuses
49 geführt. Durch Drehung des auf die Spindel 75 aufgebrachten Zahnrades
48 wird die Spindel 68 vertikal nach oben oder unten über das Feststellglied
73 bewegt.