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Schwenkeinrichtung für Kernreaktor-Reflektorteile Mit fortschreitender
Entwicklung der Raumfahrttechnik ergibt sich das Bedürfnis nach kräftigeren Energiequellen.
Es ist deshalb vorgesehen, in der Zukunft Kernreaktoren für die Energieversorgung
von Raumfahrzeugen einzusetzen. Aus technischen Gründen ist es notwendig, diese
Reaktoren möglichst klein zu halten und sie selbstverständlich auch möglichst leicht
zu gestalten. Es ist dabei schon vorgeschlagen worden, die durch solche Kernreaktoren
erzeugte Wärme direkt, z. B. über thermische Konverter, in elektrische Energie umzuwandeln,
mit deren Hilfe dann die in Raumfahrzeugen anfallenden Steuerungs-, Nachrichten-
und Antriebsprobleme bewältigt werden können. Für diese Art der Energieumwandlung
sind Höchsttemperaturen-Reaktoren von besonderem Vorteil. Die Regelung solcher Reaktoren
mit Hilfe üblicher Regeleinrichtung wie z. B. Regelstäben, stößt aber aus Temperaturgründen
auf sehr große Schwierigkeiten. Es ist daher insbesondere bei kleineren Reaktoren
zweckmäßig, die Regelung z. B. mit Hilfe der Änderung des äußeren Reflektors durchzuführen.
ts wäre dazu z. B. möglich, den zylindrischen Reflektor in axialer Richtung gegenüber
dem eigentlichen Reaktorkern zu verschieben. Günstiger ist jedoch das Verfahren,
den Reflektorzylinder in einzelne Abschnitte zu unterteilen und diese vom Kernreaktor
wegzuschwenken. Ein dafür notwendiger Schwenkmechanismus bietet bei normalem Luftdruck
keine besonderen technischen Schwierigkeiten. Unter Weltraumverhältnissen jedoch,
also im Vakuum, besteht die große Gefahr, daß derartig bewegliche Verbindungsteile
verschweißen, da die Oxydschichten abdampfen bzw. sich bei Zerstörung nicht neu
bilden. Derartige Schwierigkeiten können aber nicht auftreten, wenn es gelingt,
einen Bewegungsmechanismus ohne Gelenke für diesen Zweck einzusetzen.
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Diese Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde, die eine
Schwenkeinrichtung betrifft, welche als Federgelenk ohne aufeinander gleitende,
sich mechanisch berührende Teile aufgebaut ist und bei der zwei Blattfedern am einen
Ende starr in einem zu schwenkenden Bauteil eingespannt sind.
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Die Verwendung von Blattfedern für Gelenke ohne gleitende Teile, also
auch ohne Reibungsverluste, ist an sich bekannt. Die französische Patentschrift
1334 446 zeigt z. B. ein Federgelenk aus Blatt- bzw. Stabfedern, die im normalen
Zustand - also unbelastet - längs der Mantellinie eines gedachten Konus oder in
einer Ebene derart fächerförmig angeordnet und mit ihren Enden in jeweils ein gemeinsames
Halterstück eingespannt sind, daß sich ihre gedachten Verlängerungen in einem Punkt
treffen. Andere Federgelenke, wie z. B. aus der USA.-Patentschrift 2177 398 bekannt,
bestehen aus an ihrem »Drehpunkt« zueinander winklig befestigten Blattfedern, deren
äußere Enden miteinander verbunden sind. Solche Einrichtungen dienen zur Richtungsänderung
von ursprünglich geradlinigen Bewegungen. Der Übertragung von Bewegungen dienen
auch federnde Elemente in Gestalt von an ihrer Spitze miteinander verbundenen federnden
Dreibeinen, wie sie der USA.-Patentschrift 2 447 013 zu entnehmen sind. Aus der
deutschen Patentschrift 818 293 sind weiterhin für Zwecke der Meßgerätetechnik und
der Technik mechanischer Schwingungssysteme sogenannte »Kreuzfedergelenke« bekanntgeworden,
die aus zwei an bestimmten Punkten miteinander senkrecht verbundenen Blattfedern
bestehen.
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Mit keiner dieser bekannten Einrichtungen ist es jedoch möglich, auf
reibungsfreiem und für das ganze Bewegungssystem kraftschlüssigem Wege lineare Bewegungen
in genau reproduzierbare Schwenkbewegungen umzusetzen.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem der gleichzeitigen Bewegungsübersetzung
und Kraftübertragung für eine Schwenkeinrichtung, die bei Kernreaktor-Reflektorteilen
für Raumfahrzeuge Verwendung finden, dadurch, daß die beiden Blattfedern mit ihren
anderen Enden am Gehäuse eines Bewegungsmechanismus befestigt sind, das aus einem
stationären und einem relativ dazu bewegenden Bauteil besteht, an dem die eine der
beiden Blattfedern befestigt ist.
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Eine Ausführungsform dieses grundsätzlichen Erfindungsgedankens ist
in den F i g. 1 bis 4 dargestellt. F i g. 1 stellt einen Längsschnitt durch eine
derartige Einrichtung dar, während F i g. 2 bis 4 Querschnitte durch die Einrichtung
nach F i g. 1 entlang den entsprechenden, mit römischeu
Ziffern
bezeichneten strichpunktierten Linien darstellen.
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Der Endabschnitt des Reaktorkernes ist mit 1 bezeichnet, er ist von
einer Reflektorschicht 2 umgeben. Diese ist am zylindrischen Mantel des Reaktors
dünner gehalten als an der Stirnseite. Dafür liegt über den zylindrischen Seiten
nochmals eine Reflektorschicht 21, die durch Trennfugen in Richtung der Mantellinien
mehrfach, in diesem Beispiel sechsmal, geteilt ist. Es entstehen somit sechs gleich
große Mantelabschnitte, die in ihrer Entfernung zum Reaktor über jeweils einen Hebel
9 eingestellt werden können.
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Zur gelenklosen Bewegung ist dieser Hebel 9 an seinem vom Reflektor
abgewandten Ende mit zwei Blattfedern 7 und 8 starr verbunden. Die Blattfeder 7
ist mit ihrem anderen Ende an dem starren Bauteil 32 befestigt, die Blattfeder 8
ist mit ihrem anderen Ende an dem nur in seiner Längsrichtung hin- und herbeweglichen
Arm 41 befestigt. Die F i g. 1 zeigt den Refektorabschnitt 21 in seiner wirksamsten
Stellung, gleichzeitig aber auch in gestrichelter Form in seiner ausgeschwenkten,
unwirksamsten Stellung. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß sich die Blattfedern
7 und 8 durch die Längsverschiebung des Bauteils 41 zwangläufig verbiegen,
den Hebel 9 mitnehmen und damit die Schwenkbewegung des Reflektorabschnittes 21
bewirken. Die lineare Längsbewegung des Bauteils 41 kann nun auf mehrfache Art und
Weise bewerkstelligt werden, so z. B. magnetisch oder hydraulisch mit Hilfe von
zwei Faltenbälgen oder auch mit Bimetalltellerfedern. Auch bei dieser Bewegung müssen
aufeinander gleitende Metallflächen wegen der Gefahr des Verschweißens vermieden
werden. Die Steuerung dieser Längsbewegung kann z. B. in Abhängigkeit der Leistung
des Reaktors, der Erwärmung, des Neutronenflusses oder irgendwelcher sonstiger Parameter
erfolgen.
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In vorliegendem Beispiel erfolgt der Vorschub ohne jede zwischengeschaltete
Regelglieder unter Ausnutzung der Wirkung des Neutronenflusses auf die Vorschubelemente
selbst.
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Diese Einrichtung ist über eine sternförmige Trägerkonstruktion 3
(s. F i g. 4) starr mit der Stirnseite des Reaktors verbunden. An seinem freien
Ende trägt dieser Teil 3 eine käfigartige Konstruktion 31, ebenfalls aus Winkelprofilteilen.
Innerhalb dieses Käfigs 31 befindet sich nun die Einrichtung für den linearen Vorschub
des Armes 41. Sie besteht aus zwei Membrandosensystemen 5 und fi, die nach beiden
Seiten einmal gegen den Teil 3 und einmal gegen den ähnlichen Teil 33 abgestützt
sind und mit ihren inneren, gegenüberliegenden Enden mit einem sechskantigen Rohrteil
4, der mit dem Arm 41 fest verschweißt ist, verbunden sind. Der eigentliche Bewegungsdruck
wird dabei von dem Membransystem 6_ ausgeübt, während das Membransystem 5_ lediglich
die Funktion einer Rückstellfeder ausübt. Letzteres könnte daher auch z. B. durch
eine Spiralfeder ersetzt sein. Bei dieser besteht lediglich bei hoher Temperatur
die Gefahr einer vorzeitigen Erlahmung.
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Das Membrandosensystem 6_ besteht aus einer Anzahl von Stützkörpern
62 (scheibenförmig), zwischen denen dosenförmige Membrankörper 61 angeordnet sind.
Im Ruhezustand sind diese Membrankörper flach aufeinandergedrückt und bilden lediglich
außerhalb der Stützkörper 62 Ringräume. Die beiden jeweils eine Dose bildenden Membranen
sind dicht miteinander verschweißt und tragen Verlängerungskörper 63. Diese haben
einen massiven Kern und dienen als Meteoritenschutz.
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Im Inneren der einzelnen Druckdosen 61 befindet sich ein Stoff, der
z. B. zusätzlich einen Spaltstoff enthält und unter der Einwirkung des Neutronenstromes
erwärmt wird. Je nach der dadurch entstehenden Temperatur wird ein mehr oder weniger
großer Teil dieses Stoffes verdampfen und einen entsprechenden Druck in diesen Membrandosen
61 aufbauen, wodurch das Mittelstück 4 in Richtung auf das andere Dosensystem 5
verschoben wird. Dieses Dosensystem 5_ enthält innerhalb seiner Membrandosen, die
ähnlich aufgebaut sind wie diejenigen des Teils 6, ein Gas, das durch Gegendruck
zusammengepreßt wird. Beim Nachlassen der Temperatur infolge verringerten Neutronenflusses
sinkt der Dampfdruck in den Dosen 61, und der Druck in den Dosen 52 des Systems
5 schiebt das Mittelstück 4 und damit auch den damit verbundenen Arm 41 wieder auf
das Dosensystem 6_ zu, bis wieder ein Kräftegleichgewicht erreicht ist. Das Druckdosensystem
5_ hat ebenfalls scheibenförmige Zwischenkörper 51 und außerdem Membrandosen 52
Führungskörper 53 mit sternförmigen Rippen, die sich zur Zentrierung bis in die
Ringwülste der einzelnen Dosen 52 erstrecken. Nach außen hin sind die einzelnen
Membrandosen 52 wiederum mit Ringkörpern 54 als Schutz gegen eventuelle Meteoritenkörper
verbunden. Diese Schilde 54 sind metallummantelt und enthalten z. B. in ihrem Inneren
Berylliumoxyd. Ein deratiges Antriebssystem für den Hebel 41 würde auch noch funktionieren
können, wenn eine der Druckdosen getroffen würde. Es wäre allerdings dann die Regelempfindlichkeit
etwas vermindert. Als temperaturempfindliche Füllung in den Dosen 61 kämen z. B.
Metalle, wie Kalium, Natrium oder Caesium, in Frage. Der Spaltstoff zur Erwärmung
dieser Stoffe könnte im Inneren der Dosen oder auch in den Zwischenscheiben 62 angeordnet
sein. Als Werkstoffbeispiele für die Dosenwände sind dabei Stahl, Niob oder Molybdän
zu nennen. Die Dosen 52 des Bauteils 5 sind praktisch aus ähnlichen Baustoffen aufgebaut,
ihr Füllgas kann z. B. aus Xenon bestehen.
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Die Zeichnung ist etwa maßstäblich ausgeführt, so daß die Abmessungen
der Bewegungseinrichtung bei einem gegebenen Reaktordurchmesser von z. B. 30 cm
abgeschätzt werden können.
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An Stelle der nuklearen Erwärmung der Druckdosen _6 könnte natürlich
auch eine Erwärmung über direkte Wärmeleitung vom Reaktor her vorgesehen werden.
In jedem Fall aber erfolgen sämtliche Bewegungsvorgänge, die linearen wie die Schwenkbewegung,
ohne jegliche Metallreibung aufeinander, so daß, wie bereits erwähnt, die Gefahr
des Verschweißens vollkommen ausgeschlossen ist. Durch diese Art des Bewegungsmechanismus
werden auch jegliche Lose vermieden, so daß die für ein Regelsystem notwendige Feinfühligkeit
in hohem Grade vorhanden ist. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß an diesen beschriebenen
Einrichtungen eventuelle Kriecherscheinungen an einzelnen Werkstoffen keinen Einfluß
auf die Funktion des Regelsystems haben. Ein zusätzlich wesentlicher Vorteil dieser
Einrichtung bei Verwendung in Raumfahrzeugen ist durch seine geringe Masse gegeben.
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Die spezielle Formgebung ergibt sich stets aus den Dimensionierungen
von Kernreaktor und Raumfahrzeug
sowie dem zur Verfügung stehenden
Raum. Auch kann die Kopplung zwischen Reaktorleistung und Regel- bzw. Schwenkeinrichtung
auf indirektem Wege, z. B. über Meß- und Verstärkereinrichtungen mit elektrischer
Beheizung des Stellgliedes, erfolgen.