DE1281591B - Kernreaktor mit einem Graphit-Moderatoraufbau - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1 281 591

Aktenzeichen: P 12 81 591.7-33 (C 17702)

Anmeldetag: 21. Oktober 1958

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einem Graphit-Moderatoraufbau, der aus in Richtung der Kanalachsen des Aufbaus schichtweise aufeinandergesetzten langgestreckten quaderförmigen Blöcken und diesen gegenüber kurzen quaderförmigen Klötzen besteht, die wegen ihres Zuschneidens aus im Strangpreßverfahren hergestellten Graphitbarren in den Richtungen ihrer Quaderkanten unterschiedliche Wigner-Maßänderungskoeffizienten aufweisen und derart angeordnet sind, daß zwischen je zwei Schichten aus mit allseitigem Spiel parallel zueinander aufgestellten Blöcken, deren Längsachsen mit der Strangpreßrichtung des Graphits zusammenfallen, zwei unmittelbar übereinanderliegende Schichten aus Klötzen vorgesehen sind, die innerhalb jeder Schicht in der Richtung ihrer die kleinste Wigner-Maßänderung zeigenden Kanten unmittelbar aneinanderstoßen und Klotzreihen bilden, deren Achsen in der einen Klotzschicht um 90 gegen die Achsen der Klotzreihen in der anderen Schicht versetzt sind.

Der Kern eines graphitmoderierten Reaktors wird durch einen großen Block aus aneinandergereihten und aufeinandergestapelten Graphitteilchen gebildet, durch den eine Vielzahl von Kanälen für die Aufnahme der Brennelemente und die Zirkulation des Kühlmittels hindurchführen.

Während des Reaktorbetriebes treten nun im Graphit, bedingt durch den sogenannten Wigner-Effekt richtungsabhängige Dimensionsänderungen auf, und zwar wird bei den üblicherweise durch Strangpressen erhaltenen Graphitbarren eine merkliche Dickenzunahme oder Ausdehnung senkrecht zur Barrenachse beobachtet (die einige Prozent erreichen kann), während in Richtung der Achse eine demgegenüber geringere negative Längenänderung bzw. Zusammenziehung stattfindet.

Aus diesem Grunde wurden bei einem Graphitstapelaufbau bereits von vornherein Fugen zwischen den Graphitbarren vorgesehen und Einzellagen von nebeneinanderliegenden Barren mit jeweils quer zur darunterliegenden Schicht verlaufenden Barrenachsen aufeinandergeschichtet.

Innerhalb des Reaktorkerns sind nun die Dimensionsänderungen je nach Lage, d. h. Neutronenflußdichte unterschiedlich und im Zentrum im allgemeinen wesentlich stärker als im Umfangsbereich. Um trotzdem eine möglichst regelmäßige und ungestörte Verteilung der Brennstoffkanäle und ein gutes mechanisches Verhalten im Kern zu erreichen, wurde daher in der britischen Patentschrift 782 922 ein Graphit-Stapelaufbau angegeben, bei dem Schichten aus mit allseitigem Spiel parallel zueinander ange-Kernreaktor mit einem Graphit-Moderatoraufbau

Anmelder: "

Commissariat ä l'ßnergie Atomique, Paris

Vertreter:

DipJ.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Georges Lemesle,.

Roger Martin,

Roland Roche, Paris;

Pierre Rouge,

Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. Oktober 1957 (749 954) - -

ordneten quaderförmigen Graphitbarren oder -blökken mit senkrecht zur Schicht orientierter Barrenachse, (d. h. Strangpreßrichtung) durch Doppelschichten aus relativ flachen rechteckigen Klötzen oder Steinen miteinander verbunden werden, die aus stranggepreßtem Material mit ihrer größten Achse parallel zur Strangpreßrichtung, d. h. zur »Graphitschuppenrichtung«, ausgeschnitten werden, in der die Wigner-Maßänderung relativ klein und — wie erwähnt — ihrem Vorzeichen nach negativ ist.

Diese Doppelschichten werden durch zwei gegeneinander um 9O'^J verdrehte Klotzlagen gebildet, deren Klötze einer Lage in Richtung ihrer .größten Achsen gesehen (d. h. also mit den kleinsten Flächen) aneinanderstoßen und so Klotzreihen bilden, zwischen denen jeweils eine dem allseitigen Spiel der Graphitblöcke entsprechende Fuge frei bleibt. Der gesamte Aufbau wird durch mit Gelenken versehene Umfangsgurte zusammengehalten.

Einen ähnlichen Stapelaufbau zeigen die britischen Patentschriften 784 291 und 784 292. Hier sind die Blöcke außerdem innerhalb der Schicht und von Schicht zu Schicht geringfügig gegeneinander verdreht angeordnet, um Neutronenverluste längs der Fugen zu verringern bzw. zu vermeiden..

Für die Verbindung der säulenartig übereinandergestapelten Blöcke und Klötze sind an jeder einzelnen der zusammenzufügenden Flächen eine Nut

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und eine senkrecht dazu verlaufende »Feder« oder und Nuten sind gemäß einer bevorzugten AusRippe vorgesehen, welch letztere bei den Klötzen führungsart der Erfindung die Rippen an den Klötzen jeweils senkrecht \zur Strangpreßrichtung orientiert und die Nuten an den Blöcken vorgesehen, ist. Die Merkmale und Besonderheiten der Erfindung Der vorstehend beschriebene Aufbau zeigt bereits 5 werden an Hand der nachfolgenden Beschreibung ein relativ gutes mechanisches Verhalten während besser verständlich werden, die sich auf die Zeichdes Betriebes, wobei allerdings noch die im Laufe . nungen bezieht. Es zeigt

der Zeit zunehmende — wenn auch nur relativ F i g. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Stapelgeringe — negative Längenänderung bzw. Zusam- aufbaues aus Graphitblöcken und Klotzdoppel- ■ menziehung in Richtung der aneinanderstoßenden io schichten,

Klötze zu Unsicherheiten -hinsichtlich des mecha- F i g. 2 die Orientierung der für die Doppelnischen Verhaltens des Stapelaufbaues und insbeson- schichten zuzuschneidenden Klötze innerhalb eines dere der regelmäßigen Anordnung der Brennelement- stranggepreßten Materials und kanäle führt. Fig. 3 die Art der Verbindung zwischen den Es ist Aufgabe der Erfindung auch diese Längen- 15 Blöcken und Klötzen sowie zwischen zwei aufeinänderung zu vermeiden. anderfolgenden Klötzen;

Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, Fig. 4 dient zur Erläuterung der gemäß bekanndaß bei stranggepreßtem Material mit zueinander ter Maßnahmen geringfügig gegeneinander verdrehten senkrechter Wigner-Ausdehnung und -kontraktion Anordnung der Blöcke innerhalb des Stapelaufbaues; eine bestimmte Richtung existiert, in der die Wigner- 20 F i g. 5 zeigt schematisch die Graphitanordnung Maßänderung gleich Null ist. Der Winkel, den diese in Moderator- und Reflektorteil sowie die Anord-Vorzugsrichtung mit der Strangpreßrichtung bildet, nung von elastischen £pannmitteln und kann in bekannter Weise auf graphischem Wege Fig. 6 eine durch die Klotzdoppelschicht hinbeispielsweise unter Anwendung des »Mohrkreises« durchgreifende Verbindungshülse zwischen zwei überermittelt werden. 25 einander angeordneten Blöcken.

Graphitklötze, deren eine Kante mit dieser be- Fi g. 1 zeigt zwei Schichten von Graphitblöcken 1 stimmten Richtung zusammenfällt, zeigen während mit dazwischen angeordneter Klotzdoppelschicht. Die des Reaktorbetriebes in dieser einen Richtung prak- Achsen der Graphitblöcke 1 verlaufen in Strangpreßtisch keine Dimensionsänderung. Prinzipiell könnte richtung. Die Klötze 2 und 2' sind aus stranggepreßman daher an einen Mosaikaufbau aus entsprechend 30 tem Material derart ausgeschnitten, daß ihre Wignerzugeschnittenen Klötzen mit abwechselnder Orien- Maßänderung in der durch den Doppelpfeil martierung in den drei Raumrichtungen denken, um kierten Richtung gleich Null ist, und sie bilden einen ortsgetreuen, insgesamt dimensionstabilen Sta- innerhalb der Klotzdoppelschicht jeweils mit Zwipelaufbau zu erreichen. Ein solcher Aufbau würde schenraum angeordnete, sich kreuzende Reihen 3 jedoch zu einer erheblichen Unterteilung des Gra- 35 und 4 von in Doppelpfeilrichtung aneinandergrenphits in Einzelelemente führen. zenden Klötzen.

Eine in einer bestimmten Richtung dimensions- Diese Klötze sind aus einem stranggepreßten Barstabile Anordnung kann nun aber auch dadurch ren5 z. B. in der in Fig. 2 erläuterten Weise auserreicht werden, daß man in dieser Richtung alter- geschnitten. In Richtung des Pfeiles G ist der Wignernierend Graphitelemente aneinanderreiht, die — in 40 Effekt gleich Null. Die senkrecht zu G verlaufenden dieser bestimmten Richtung — zum einen eine »kleinen« Flächen bilden die Berührungsflächen der Wigner-Ausdehnung und zum anderen eine Wigner- Klötze innerhalb der Reihen 3 und 4. Senkrecht zu Kontraktion erleiden und durch entsprechende Aus- G, d. h. in Richtung H, findet eine Wigner-Auswahl der jeweiligen Längen dieser Graphitelemente dehnung statt. G und H bleiben jedoch während des dafür sorgt, daß sich Ausdehnung und Kontraktion 45 Betriebes stets senkrecht · zueinander, da H eine gerade aufheben. Hauptrichtung des stranggepreßten Materials ist, Dies wird bei dem Kernreaktor mit Graphit- weshalb die Verbindungsorgane an den Klötzen, wie Moderatoraufbau der eingangs genannten Art da- insbesondere Rippen und Nuten oder auch Zapfen durch erreicht, daß erfindungsgemäß die Klotze aus und entsprechende Ausdehnungen u. dgl., an derart den in Richtung ihrer Strangpreßachse einen nega- 5° orientierten Flächen (wie F und F') vorgesehen tiven, quer dazu einen positiven Wigner-Maßände- werden.

rungskoeffizienten aufweisenden Graphitbarren in F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Vereiner zur Strangpreßachse des Barrens geneigten bindungsorgane. Bei der Anbringung der Verbin-Anordnung ausgeschnitten sind, bei der sich für dungsorgane muß berücksichtigt werden, daß die ihren Wigner-Maßänderungskoeffizienten in der 55 Ausdehnung der Klötze in den zueinander senk-Richtung der Klotzreihen der Wert Null ergibt, rechten Richtungen D und D' unterschiedlich ist, und daß zur Kompensation der Wigner-Maßände- und zwar ist die Maßänderung der Klötze in Richrungen in Richtung der Höhe des Aufbaues für die tung von D' praktisch gleich Null, während senkrecht Höhe der Doppelschichten der Klötze, deren Wigner- dazu in Richtung von D eine Längenzunahme, d. h. Maßänderungskoeffizient in dieser Richtung positiv ⁶° positive Maßänderung stattfindet. Aus diesem Grunde ist, und die Höhe der Blöcke, deren Wigner-Maß- werden die Nuten 6 und 7 parallel zur Richtung D' änderungskoeifizient in dieser Richtung negativ ist, angeordnet, so daß ihre Breite während des Betriebes die folgende Beziehung gilt: zunimmt. Senkrecht dazu werden parallel zur Richrr —ff. tung D in die Nuten 6 und 7 eingreifende Rippen 8 k ^ak — b a_h, _{65 un(}j g vorgesehen, deren Breite also unverändert Zur Verbindung zwischen den Blöcken und Klötzen bleibt. Durch eine solche Anordnung der ineinanderam Übergang zwischen einer Block- und einer Klotz- greifenden Nuten und Rippen kann erreicht werden, doppelSchicht mittels ineinandergreifender Rippen daß jede gefährliche Zwängung vermieden wird .und

lediglich eine Zunahme des Spiels zwischen diesen Teilen im Laufe des Betriebes auftritt.

Für die Verbindung zwischen den Blöcken und den darüber oder darunter angrenzenden Klötzen werden gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jeweils die Nuten, wie 12 und 13, in den Stirnflächen der Blöcke vorgesehen, während die zum Eingriff kommenden Rippen 10 und 11 an den unmittelbar angrenzenden Flächen der Klötze vorgesehen sind. Bei dieser Anordnung nimmt die Breite der Nuten 12 und 13 gemäß der senkrecht zur Strangpreßrichtung zu verzeichnenden Wigner-Ausdehnung während des Betriebs zu, während die Breite der Rippe 10 praktisch unverändert bleibt und diejenige von 11 zunimmt.

Die vorstehend erläuterte Anordnung der zur Verbindung von Blöcken und Klötzen vorgesehenen Rippen und Nuten erweist sich als äußerst zweckmäßig: Man erspart so im Vergleich zu bekannten Anordnungen an jedem Ende der Blöcke Material, das dem Höhenmaß einer Rippe entspricht, ohne dadurch die (mit Rippen berechnete) Höhe der Klötze vergrößern zu müssen. Die sich daraus ergebende Graphiteinsparung kann man mit ungefähr 2% des Gesamtgewichtes der zur Herstellung des Reaktorkerns benötigten Menge ansetzen.

Das Verhältnis der Höhe H_h der Blöcke zur Höhe H_k der Klotzdoppelschicht (s. Fig. 1) wird durch die Forderung bestimmt, daß die durch den Wigner-Effekt bedingte Abnahme der Blockhöhe während des Betriebes durch die Zunahme der Höhe der Klotzdoppelschicht kompensiert werden soll. Wenn a_h und a_k die über den Quotienten aus AH und H definierten Wigner-Maßänderungskoeffizienten für die Blöcke und Klötze in Richtung der Blockachse bzw. senkrecht zur Klotzdoppelschicht sind, so erhält man aus den Gleichungen

und
über

AH_b = a_hH_h AH_k = a_kH_k

AHu = AH,

, Hu = <u Hi

für das Verhältnis der Höhen H_h und H_k: H_k a_b

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H_k ist die Höhe der Klotzdoppelschicht, wobei die Höhe der einzelnen Klötze einheitlich und dann halb so groß sein kann, oder man verwendet zweckmäßigerweise Klötze mit zwei unterschiedlichen Höhen, die alternierend in der Weise angeordnet werden, daß der Weg der Neutronen in Richtung der Klotzdoppelschicht längs der Stoßflächen durch die versetzte Anordnung behindert wird.

Die Absoluthöhe der Blöcke sollte möglichst groß sein, d. h. jedoch nur so groß, wie sich mit den bei größer werdender Höhe auftretenden Handhabungsund Herstellungsschwierigkeiten vereinbaren läßt. Je größer, die Höhe der einzelnen Blöcke ist, um so geringer wird die Zahl der Einzelelemente des Reaktorkerns und der elastischen Spannvorrichtungen (s. F i g. 5), die am Umfang des Stapelaufbaues vorgesehen sind.

Die Verlängerung der Blöcke wird jedoch dadurch begrenzt, daß ihr zunehmendes Gewicht den Transport und die Handhabung beim Aufbau des Kerns erschwert. Weiter treten Schwierigkeiten beim Strangpressen zu langer Blöcke auf, die sich durchbiegen und seitliche Abweichungen zeigen, und weiter müssen die Kanäle bei sehr langen Blöcken von beiden Endflächen her gebohrt werden, was nicht leicht durchführbar ist. Erfahrungen haben gezeigt, daß die günstigste Länge der Blöcke zur· Zeit etwa in der Größenordnung von 1 m liegt.

Es ist vorteilhaft, für die Herstellung der Blöcke eine Graphitqualität zu wählen, deren Wigner-Koeffizient H_h möglichst klein ist, damit die Durchbiegung der Blöcke bei stark ortsveränderlichem Neutronenfluß gering bleibt.

Wie F i g. 4 zeigt, werden die Blöcke, um Neutronenverluste längs der Fugen zwischen den Blökken zu verringern, in an sich bekannter Weise gegenüber den durch die Achse der Kanäle festgelegten vertikalen Ebenen um wenige Grade gedreht angeordnet. Diese Drehung der Blöcke wechselt von einer Blockschicht zur nächsten ab, wie aus F i g. 4 zu entnehmen ist, gemäß der die Blöcke 16 und 17 gegenüber den beiden dazwischenliegenden Klötzen 18 und 19 um kleine Winkel gedreht sind.

Die Querabmessungen der Klotzdoppelschichten gemäß der Erfindung bleiben praktisch unveränderlich. Die kleinen restlichen Maßänderungen sowie die unvermeidlichen thermischen Ausdehnungen werden durch die bereits erwähnten Spannvorrichtungen ausgeglichen, die beispielsweise durch am Umfang des Schichtkörpers angeordnete Federn gebildet werden.

Wie F i g. 5 zeigt, üben die elastischen Spannmittel 15 in Anbetracht der durch die kreuzweise angeordneten Klotzreihen 3 und 4 gebildeten Klotzdoppelschichten ihre Kräfte in einer mittleren Ebene P aus. Im Reflektorteil 14 des Stapelaufbaues sind keine Klötze vorgesehen, sondern entsprechend höher ausgeführte Blöcke, was wiederum die Möglichkeit von Störungen oder Verunreinigungen der Kanäle verringert.

Es kann schließlich zweckmäßig sein, die Klötze in geringfügiger Abweichung vom eigentlichen Erfindungsgedanken aus dem rohen Graphitbarren sogar so auszuschneiden, daß die Restkräfte den Gesamtschichtkörper ein wenig ausdehnen. Auf diese Weise erreicht man, daß die nach innen wirkenden Kräfte der federnden Spannvorrichtungen während des gesamten Reaktorbetriebes niemals auf den Wert Null zurückgehen.

Wenn die Klötze 2 und 2' gemäß der Erfindung derart aus dem Graphit ausgeschnitten sind, daß sich ihre in Richtung der Reihen 3 und 4 liegenden Kanten praktisch nicht ändern, bleiben die Querschnitte der Bohrungen innerhalb der Klötze nicht genau kreisrund, sondern sie werden durch die Ausdehnung des Materials senkrecht zu der Vorzugsrichtung (mit Wigner-Koeffizienten Null) aufgeweitet, und man erhält ovale Querschnitte, deren größere Achsen von einem Klotz zum darüberliegenden durch die um 90° verdrehte Anordnung der Klötze ebenfalls um 90° verdreht sind. Diese Formänderung kann — wenn man keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen trifft — zur Ausbildung von Versetzungen bzw. vorstehenden Kanten an den Stoßstellen führen, die beim Einführen der Brennelemente in die Kanäle hinderlich sein können.

Man kann zu diesem Zweck, wie in F i g. 6 gezeigt wird, die Bohrung der Klötze 20 und 20' etwas

größer machen und innerhalb der Bohrung eine Führungshülse 22 vorsehen, deren Achse in Strangpreßrichtung liegt und die in stirnseitige Aussparungen der Blöcke 21 und 2Γ hineinreicht.

Diese Hülse 22 wird zur Berücksichtigung ihrer transversalen Aufweitung während des Betriebes mit einem genügend großen Spiel i eingebaut. An beiden Stirnseiten besitzt die Hülse Kugelflächen 25 und 26 mit Radien R und R', die in entsprechende Schalenflächen 27 und 28 innerhalb der stirnseitigen Ausnehmungen der Blöcke 21 und 2Γ eingreifen.

An den Enden der Hülse 22 und der Blöcke 21 und 2Γ werden innerhalb der Bohrungen Abschrägungen 29 und 30 einerseits und 31 und 32 andererseits angefast, um Störungen durch Versetzungen auszuschließen, die sich bei einer Drehung der zusammengesetzten Teile längs der kugelförmigen Auflageflächen ergeben könnten.

Die Hülse 22, ,deren innere Oberfläche gegebenenfalls mit einer Spezialimprägnierung zur Erhöhung der Dichtigkeit versehen und deren Achse in Strangpreßrichtung angeordnet ist, zeigt während des Reaktorbetriebes eine Wigner-Kontraktion, und es tritt dann bei der vorstehend beschriebenen Anordnung eine Fuge an den oberen Kugelflächen 25 und 27 auf, da die Klötze senkrecht zur Schicht eine Längsausdehnung zeigen. Man könnte die Hülse 22 nicht nur als Führungselement verwenden, sondern auch eine Abdichtung der Kanäle 23 und 24 erreichen, wenn man von dem Teilmerkmal der Erfindung. nach dem eine Kompensation der Schrumpferscheinungen der Blöcke durch entsprechende Ausdehnung der Klotzdoppelschicht erreicht werden soll, abgeht und zu Beginn ein genügendes Spiel h an den Stirnflächen der Klötze und Blöcke vorsieht. Die Hülse 22 würde dann als Dichtungs- und Tragelement wirken und müßte demgemäß eine relativ größere Wandstärke haben..

Zur überführung von Fugen ist zwar aus der belgischen Patentschrift 559 090 bereits ein kurzes Rohrelement bekannt, das in stirnseitige Aussparungen von zwei hintereinander angeordneten Graphitblöcken eingreift. Diesem Rohrelement kommt jedoch weder eine wirkungsvolle Dichtungsfunktion noch die gemäß der Erfindung gewünschte Rolle eines Führungsorgans zu.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einem Graphit-Moderatoraufbau, der aus in Richtung der Kanalachsen des Aufbaues schichtweise aufeinandergesetzten langgestreckten quaderförmigen Blöcken und diesen gegenüber kurzen quaderförmigen Klötzen besteht, die wegen ihres Zuschneidens aus im Strangpreßverfahren hergestellten Graphitbarren in den Richtungen ihrer Quaderkanten unterschiedliche Wigner-Maßänderungskoeffizienten aufweisen und derart angeordnet sind, daß zwischen je zwei Schichten, aus mit allseitigem Spiel parallel zueinander aufgestellten Blöcken, deren Längsachsen mit der Strangpreßrichtung des Graphits zusammenfallen, zwei unmittelbar übereinanderliegende Schichten aus Klötzen vorgesehen sind, die innerhalb jeder Schicht in der Richtung ihrer die kleinste Wigner-Maßänderung zeigenden Kanten unmittelbar aneinanderstoßen und Klotzreihen bilden, deren Achsen in der einen Klotzschicht um 90" gegen die Achsen der Klotzreihen in der anderen Schicht versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Klötze (2, 2') aus den in Richtung ihrer Strangpreßachse einen negativen, quer dazu einen positiven Wigner-Maßänderungskoeffizienten aufweisenden Graphitbarren in einer zur Strangpreßachse des Barrens (5) geneigten Anordnung ausgeschnitten sind, bei der sich für ihren Wigner-Maßänderungskoeffizienten in der Richtung der Klotzreihen (3, 4) der Wert Null ergibt und daß zur Kompensation der Wigner-Maßänderungen in Richtung der Höhe des Aufbaues Für die Höhe (H_k) der Doppelschichten der Klötze, deren Wigner-Maßänderungskoeffizient (u_k) in dieser Richtung positiv ist, und die Höhe (H_h) der Blöcke (1), deren Wigner-Maßänderungskoeffizienl («,,) in dieser Richtung negativ ist, die folgende Beziehung gilt:

H_k ■ «* = H_h ■ a_h.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, bei dem die Blöcke und Klötze mit an ihren aufeinander-1 legenden Stirnflächen vorgesehenen Rippen und Nuten ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen an den Klötzen (2) und die Nuten an den Blöcken (1) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 782 922. 784 291, 292;
belgische Patentschrift Nr. 559 090.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

aO9 629 1171 10 68 Q Bundesdruckerei Berlin