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Reaktorbehälter fnr Kugelhaufen
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter, der für hohe, wechselnde
Temperaturen geeignet ist, insbesondere für gasgekühlte Kernreaktoren von großer
Leistung.
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Sowohl bei gasgekühlten Kernreaktoren, deren Kern aus Brennelementblöcken,
insbesondere von sechseckigem Querschnitt besteht, als auch bei gasgekühlten Kugelhaufenreaktoren,
wird der Boden des Reaktorbehälters oft aus sechseckigen Blöcken oder Säulen hergestellt,
die aus Graphit oder einem anderen Hochtemperatur- festen Material wie z. B. Kohlestein
bestehen. Die Seitenwände dieser Behälter bestehen oft aus zwei Schichten von Graphit-
oder Kohlesteinblöcken, die übereinander gestapelt sind und in geeigneter Weise
durch Dübel oder Nut- und Federkonstruktionen zusammengehalten werden. Bei den sehr
hohen Betriebstemperaturen dieser Kernreaktoren sind dementsprechend beim An- und
Abstellen erhebliche Dimensionsänderungen zu erwarten, die insbesondere in waagerechter
Richtung den Behälter belasten. Bei der Aufheizung dehnt sich die gesamte Graphitstruktur
des Reaktorkerns und des Behälters aus. Um hierbei Zwangskräfte zu vermeiden, müßten
genügend große Ausdehnungsspalte vorgesehen sein. Bei mehrmaligem Aufheizen und
Abkühlen muß gewährleistet sein, daß diese Aus dehnungs spalte
an
keiner Stelle weder zu groß noch zu klein werden, was beim erneuten Aufheizen zu
lokalen Zwangskräften und damit zu Beschädigungen führen könnte. Im Ibchofenbau
wurden diese Probleme bei vergleichbaren Temperaturen, Materialien und Dimensionen
auf eine Weise gelöst, die in der Reaktortechnik nicht angewendet werden kann. Im
tiochofen dehnt sich beim Anheizen der harte, innere, aus Graphit bestehende Teil
des Bodens nach außen in eine nachgiebige Abstützung aus und verformt diese plastisch.
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Beim Abkühlen würden Spalte entstehen, die sich durch den Hochofeninhalt
zusetzen und beim erneuten Aufheizen nicht mehr als Ausdehnungsspiel zur Verfügung
stehen.
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hochöfen werden daher während ihrer Lebensdauer nur einmal angeheizt
und dann ständig auf Betriebstemperatur gehalten.
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Bei großen gasgekühlten Kernreaktoren dagegen muß einerseits dafür
Sorge getragen werden, daß das erforderliche Ausdehnungsspiel zur Verfügung steht,
darüberhinaus sollten aber auch Rückstellkräfte vorhanden sein, die beim Abkühlen
des Kernreaktors alle Bauteile des Behälters wieder in die ursprüngliche Lage bringen.
Diese Rückstellkräfte sollten ständig vorhanden sein, um bei allen Betriebsbedingungen
ein Auflockern der Kernbauteile untereinander und damit unkontrollierbare Relativbewegungen
zu verhindern. Federnde Elemente könnten prinzipiell auch für eine permanente Rückstellkraft
sorgen, bereiten aber bei hohen Temperaturen sowie bei Kernreaktoren unter Strahlenbelastung
konstruktive und materialtechnische Probleme.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Behälter für hohe und wechselnde
Temperaturen, insbesondere für gasgekühlte Augelhaufenreaktoren. Seitenwand und
Boden dieses Behälters bestehen aus zahlreichen, gestapelten Blöcken aus hitzebeständigem
Material und sind durch einen äußeren
zylindrischen oder polygonalen
Ring zusammengehalten und auf einem Fundament gelagert. Dieser Behälter soll auch
nach langer Betriebszeit und nach mehrfachem Anheizen und Abkühlen seine Form beibehalten
und auf die dabei verwendeten Bauteile keine unzulässigen Kräfte ausüben.
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Die im 1. Anspruch vorgeschlagene Aufteilung des Behälters in mehrere,
in sich zusammenhängende Sektoren bzw. Ringsektoren mit definierten Trennfugen dazwischen
bewirkt, daß sich jeder dieser Sektoren wie ein monolithischer Block frei ausdehnen
und zusammenziehen kann, obwohl er aus mehreren übereinander gestepelten Blöcken
besteht. Dadurch wird vermieden, daß sich diese Trennfugen an irgendeiner Stelle
des isehälterumfanges zu unzulässig großen Spalten addieren und dementsprechend
an anderer Stelle so klein werden, daß dort lokale Zwangskräfte auftreten. Die vorgeschlagene
Lagerung und Abstützung mit geringer Reibung läßt sich in bekannter Weise durch
Wälzlager oder andere bewegliche Elemente verwirklichen. Die geringe Reibung bewirkt,
daß die Kräfte aus der Abstützung und der Auflagerung annähernd senkrecht zur jeweiligen
Obertragungsfläche auf die Bauteile von Seitenwand und Boden einwirken. Da die Summe
der aus der Kugelschüttung auf eine Begrenzungsfläche übertragenen Kräfte ebenfalls
annähernd senkrecht zu dieser Fläche wirkt, wird durch die konvexe Anordnung dieser
Flächen jeder Sektor in sich zusammengepreßt und durch die geneigte Anordnung jeder
Sektor durch sein Gewicht und das Gewicht der Kugelschüttung in eine definierte
Lage gedrückt. Wenn man die äußere Abstützung als fest betrachtet, liegt der Festpunkt
für jeden Sektor dort, wo sich die Auflagerungsflächen auf dem Fundament mit den
Abstützungsflächen gegen den äußeren Ring schneiden, weil von diesem Punkt aus alle
Bewegungen geradlinig erfolgen können. Tatsächlich ändert auch die äußere Abstützung
ihre
Abmessungen mit der Temperatur, so daß die Festpunkte der Sektoren diese Änderungen
in radialer Richtung mitmachen.
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Die im 2. Anspruch vorgeschlagenen Wälzkörper sollen wie Kugeln zwischen
zwei ebenen Flächen wirken, d. h., daß die beiden beteiligten Flächen sich in ihrer
Ebene beliebig gegeneinander verschieben können. Da eine einzelne Kugel wegen der
nur punktförmigen Berührungsfläche und der begrenzten zulässigen Flächenpressung
des verwendeten Materials nur geringe Kräfte übertragen kann und eine solcne Kugel
bei senkrechten Lagerflächen nur mit erheblichem Aufwand geführt und gegen ljerabfallen
gesichert werden kann, werden on der Seitenwand in zwei verschiedenen benachbarten
Ebenen jeweils zylindrische Wälzkörper mit einer ebenen Wälzfläche dazwischen angeordnet,
deren Achsen im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die mit gekreuzten Achsen
angeordneten zylindrischen Wälzkörper wirken wie eine Kugel zwischen zwei ebenen
Flächen, d. h., sie gestatten eine freie Bewegung innerhalb ihrer Wälzebene.
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lurch eine entsprechende Führung und eine nicht tragende Verzahnung
kann man diese Wälzkörper auch in senkrechten Ebenen anordnen, ohne daß sie nach
unten fallen. Die weiterhin im 2. Anspruch vorgeschlagene Anordnung von Wälzkörpern
in zwei zueinander geneigten Ebenen bewirkt, daß die annähernd senkrecht zu diesen
Ebenen wirkenden Lagerkräfte die gelagerten Sektoren zusammenhalten. Auch die aus
der äußeren Abstiitsun8 auf die Seitenwandsektoren übertragenen Kräfte bewirken,
daß diese Sektoren zusammengehalten werden.
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Die i 3. Anspruch vorgeschlagene Anordnung geht davon aus, daß die
radialen Grenzflächen der einzelnen Sektoren nicht mit den Grenzflächen benachbarter
Sektoren in Berührung stehen und daher auch nicht durch äußere Kräfte belastet werden.
Weiterhin geht diese Anordnung davon aus, daß die
aus der Kugelschüttung
auf eine Grenzfläche übertragenen Kräfte annähernd senkrecht zu dieser Grenzfläche
wirken.
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Durch die vorgeschlagene Anordnung von mindestens zwei gleichgroßen
konvex zueinander geneigten Flächen, die beide unter dem gleichen Winkel zur senkrechten
Symmetrioebene des Sektors angeordnet sind, wird dieser Sektor durch die aus der
Kugelschüttung übertragenen Kräfte in sich zusammengehalten. Die beiden zueinander
geneigten Flächen müssen sich nicht unbedingt scharfkantig schneiden.
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Mit Rücksicht auf das im allgemeinen verwendete Graphitmaterial erscheint
es zweckmäßig, wenn diese beiden Flächen mit einer leichten Abrundung ineinander
über^ gehen.
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Die im 4. Anspruch vorgeschlagene Seitenwand ist ein Grenzfall der
im 3. Anspruch vorgeschlagenen. Grundsätzlich wird auch ein Seitenwandsektor mit
dem Querschnitt eines Dreiecks durch die von allen drei Seiten auf die Begrenzungsflächen
einwirkenden äußeren Kräfte in erfindungsgemäßer Weise zusammengehalten. Wenn man
von einem solchen gleichschenkeligen Dreieck die beiden gleichwinkeligen Spitzen
abschneidet, ergibt sich ein Fünfeck, daß entweder zur Kugelschüttung oder zur äußeren
Abstützung nur eine ebene Begrenzungsfläche aufweist.
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Die im 5. und b. Anspruch vorgeschlagene Anordnung bezieht sich auf
Kugelhaufenreaktoren, deren Boden ein oder mehrere einander durchdringende trichterförmige
oeffnungen oder geneigte Ebenen zum Abzug der Brennstoffkugeln nach unten aufweist.
Wenn man die Neigung der Wälzkörperebenen zwischen Boden und Fundament jeweils entgegengesetzt
zur Neigung des senkrecht darüber angeordneten Bodenteils anordnet, wird gewährleistet,
daß die aus Kugelschüttung und Auflagerung herrührenden äußeren Kräfte den jeweiligen
Sektor
in sich zusammenhalten. Da die Bodenform durch fließtechnische Erwägungen bestimmt
ist, muß man dementsprechend die Neigung der Wälzkörperebenen zwischen Boden und
Fundament entsprechend gestalten. Bei mehreren über den Umfang verteilten Abzügen
muß man daher die radialen Trennfugen durch die jeweiligen Abzugsmitten legen und
außerdem eine ringförmige bzw. polygonartige Trennfuge durch alle über den Umfang
verteilten Abzugsmitten. Die ringförmige Trennfuge umgrenzt eine entralen kegelähnlichen
Körper, der auf einer Anzahl von mehreren von außen zur Mitte geneigten älzkörperebenen
ruht und einen Festpunkt in der Behälter mitte hat. Diese Anordnung bezieht sich
besonders auf Kugelhaufenreaktoren, wie sie in den deutschen Offenlegungsschriften
24 08 926.7 und 24 56 405.4 beschrieben sind. Der in einem trichterförmigen Boden
angeordnete Kegel mit der Spitze nach oben bewirkt, wie dort beschrieben, eine über
den Querschnitt annähernd konstante Vertikalgeschwindigkeit der Brennstoffkugeln
und hat daher erhebliche kernphysikalische Vorteile. Alle Brennstoffkugeln werden
über den Querschnitt nahezu gleichmäßig und bis zu einem wirtschaftlich sinnvollen
Endzustand abgebrannt, so daß sie nur einmal den Reaktor durchlaufen müssen. Dies
wird durch einen Fließkegel ermöglicht, der polygonartig aus mehreren Sektoren besteht.
Die zwischen diesen Sektoren vorhandenen Fugen sind aber im Gegensatz zum übrigen
trichterförmigen Boden ständig geschlossen. Durch die Auflagerung dieses Kegels
in einem aus mehreren Wälzkörperebenen gebildeten trichterförmigen Tal des Fundamentes
wird dieser Kegel durch sein Eigengewicht und das Gewicht der darauf ruhenden Kugelschüttung
radial zusammengehalten und in bezug auf einen zentralen Festpunkt an seinem unteren
Ende zentriert.
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Die an sich bekannte Lagerung des äußeren Ringes auf zylindrischen
lzkörpern bewirkt einerseits, daß sich dieser Ring onne Zwangskräfte bei Temperaturänderungen
ausdehnen und zusammenziehen kann und daß dieser Ring andercrseits in bezug auf
die Behältermitte zentriert bleibt, was beides für die ungestörte Funktion des Keaktorbehälters
notwendig ist. Außerdem wird durch diese zylindrischen Wälzkörper, die sic ja nur
in radialer Richtung bewegen können, verhindert, daß der äußere Ring sich gegenüber
seiner Auflagerung verdreht, was für die störungsfreie Funktion der ihn durchdringenden
Rohrleitungen notwendig ist.
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Die Figuren 1 bis Ö zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Lrfindung.
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Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen waagerechten
Querschnitt durch einen Seitenwandsektor.
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Figur 2 zeigt in einer gegenüber Figur 1 wesentlich verkleinerten
Darstellung einen Viertel-Querschnitt durch einen e rfindungsgemäßen Reaktorbelwälter.
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figur 3 zeigt einen halben senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Reaktorbehälter und durch seine Auflagerung auf dem Fundament.
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Figur 4 zeigt eine mögliche Ausftirhung eines Wä.lzlagere lenentes.
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Figur J zeigt im Maßstab entsprechend Figur 2 einen Viertel-Querschnitt
zwischen Reaktorboden und Fundament.
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Figur ü zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus Figur
3 und zwar die Auflagerung des Bodens auf dem Fundament.
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In Figur 1 sind die in einer waagerechten Ebene angeordneten Graphitbiöcke
1 bis 8 zu einem Seitenwandsektor zusammengesetzt, der auf zwei Seiten durch radiale
Trennfugen, die nicht mit den benachbarten Seitenwandsektoren in Berührung stehen,
begrenzt ist. Zu der im Inneren des Behälters vorgesehenen Kugelschüttung aus zahlreichen
Brennstoffkugeln 9 wird dieser Seitenwandsektor durch zwei konvex zueinander geneigte
Flächen begrenzt, die von den Blöcken 1, 3, 5 und 7 gebildet werden. Nach außen
wiid dieser Seitenwandsektor ebenfalls begrenzt durch zwei konvex zueinander geneigte
Flächen, die durch die Blöcke 2, 4, 6 und 8 gebildet werden und die sich Ober Wälzebenen
10 und Wälzelemente 11 auf zwei konkav zueinander geneigte Wälzebenen 12 und 13
abstützen. Tatsächlich sind diese Wälzelemente 11 keine Kugeln sondern zylindrische
Wälzelemente, die aber im Prinzip wie Kugeln zwischen zwei Ebenen wirken. Die von
der Kugelschüttung auf die Blöcke 1, 3, 5 und 7 ausgeübten Kräfte kann man, grob
vereinfacht, als senkrecht wirkend auf der jeweiligen Fläche betrachten, wenn auch
aufgrund der Reibung zwischen Brennstoffkugel und Wand örtlich etwas von der Senkrechten
abweichende kraftrichtungen zu erwarten sind. Bei den Wälzelementen 11 kam man dagegen
davon ausgehen, daß die Lagerkräfte jeweils nur senkrecht zur Wälzebene übertragen
werden. Im ganzen bewirken die auf einen Seitenwandsektor einwirkenden äußeren Kräfte,
daß dieser Körper, der ja keine wesentlichen Zugkräfte aufnehmen kann, unter allen
Betriebsbedingungen in waagerechter Richtung zusammengehalten wird und gegen einen
Festpunkt 14 gedrückt wird, der sich im Schnittpunkt seiner äußeren Wälzebenen befindet.
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Da die Reibung an den Wälzelementen 11 sehr viel geringer ist als
die Reibung in den Grenzflächen zwischen Kugelschüttung und Seitenwandsektor, kann
man den Winkel Beta zwischen den beiden äußeren Wälzebenen wesentlich geringer wählen
als den Winkel Alpha zwischen den beiden inneren Grenzflächen. In einem nicht dargestellten
senkrechten Schnitt durch einen Bodensektor bewirken die aus Kugelschüttung und
Auflagerung herrührenden Kräfte ähnlich wie in Figur 1, daß auch der Bodensektor
zusammengehalten und in eine definierte Lage gedrückt wird.
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In den I-'igureii 2 und 3 wird der oliiie Deckel und ohne kugelscnüttung
dargestellte Reaktorbehälter aus insgesamt 12 Sektoren 20 gebildet mit Trennfugen
21 dazwischen.
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dieser Sektor 20 ist aus zahlreichen Blöcken, beispielsweise aus Graphit,
zusammengesetzt und wird im Bereich des Bodens gegenüber der Kugelschüttung dachförmig
begrenzt mit einem zur Reaktormitte abfallenden radialen Dachfirst 22. Die unmittelbar
an die spätere Kugelschüttung angrenzenden blöcke des Bodens haben zahlreiche senkrechte,
parallele Kanäle, durch die das Reaktorkühlmittel in nicht näher beschriebener Weise
zu einem Sammelkanal 24 geleitet wird. In der Mitte des Reaktorbodens ist ein mit
der Spitze nach oben angeordneter kegelähnlicher Körper 25 angeordnet, der ebenfalls
aus einzelnen Blöcken aufgebaut ist und gegenüber den ihn umgebenden Sektoren 20
eine polygonartige Trennfuge 26 aufweist. Dieser kegelähnliche Körper 25 soll die
Brennstoffkugeln von der Mitte weg zu den gestrichelt angedeuteten Abzugskanälen
27 und von dort zu einigen Abzugsrotiren 28 leiten. Die ebenfalls aus zahlreichen
Blöcken aufgebaute Seitenwand 29 hat ebenfalls zur Kugelschüttung hin zwei dachförmig
zueinander geneigte Begrenzungsflächen mit einem senkrechten Dachfirst 30. Nach
außen stützt sich die Seitenwand 29 über in besonderen Käfigen 31 angeordnete Wälzkörper
auf einen metallischen Polygonring 32 ab, der zur kühlung von zahlreichen senkrechten
Kanälen 33 durchzogen ist. Dieser Polygonring 32 ruht auf zylindrischen wälzkörpern
34 und wandert bei Erwärmung gemeinsam mit Seitenwandsektor 29 und Bodensektor 20
nach außen. Die dodensektoren 20 sind auf besonderen Wälzkörpern 35 gelagert, die
in Figur b näher dargestellt und beschrieben sind. Aus ligur 3 ist aber ersichtlich,
daß diese h'Alzkörper ja in zur Reaktormitte hin ansteigenden Ebenen angeordnet
sind, so daß. die Bodensektoren 20 durch ihre LigengewscSlt und das Cewicht der
später darauf ruhenden Kugelschüttung nach außen gegen den Polygonring 32
gedräckt
werden. Der zentrale kegelähnliche Körper 25 ruht auf @älzkörpern 3o, die wie in
Figur b niher dargestellt, in zur Reaktormitte hin abfallenden Wälzebenen angeordnet
sind. Dadurch wird dieser Körper durch sein (;ewicnt und das Cewicht der darauf
ruhenden Kugelschüttung von allen Seiten gleicflmäßig zur Mitte iiin zusammengehalten.
Dieser Körper. 25 hat zwar auch radiale und ringförmige Trennfugen, die aber im
Gegensatz zu den Seitenwandsektoren und Bodensektoren 20 ständig geschlossen sind.
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In Figur 4 liegen ieweils zwei zylinderförmige Wälzkörper 40, die
mit einer Ringnut verstehen sind, auf einer Platte 41, die einen Steg 4t aufweist
zur Führung dieser Wälzkörper 4t).
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Auf den beiden unteren Wälzkörpern 40 liegt eine mittlere Platte 43,
die jeweils an ihrer Unterseite und an ihrer Oberseite uin y00 versetzt je einen
Steg 42 aufweist.
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Darüber sind wiederum zwei um 90° zu den unteren Wälzkörpern versetzte
obere Wälzkörper 40 angeordnet, die eine ooere Platte 44 tragen, die ebenfalls mit
einem Steg 42 in die Ringnuten der Wälzkörper 40 eingreift.
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Uieses Wälzlager ist in der dargestellten Laye in waagerechter Richtung
frei beweglich und hat gegenüber Wälzkugeln, die zwischen zwei Ebenen angeordnet
sind, den Vorteil einer größeren Auflagefläche und damit einer größeren Tragkraft.
Wenn man, wie bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, solche Wälzlager in senkrechten
Ebenen anordnen will, müssen diese Wälzkörper in an sich bekannter Weise durch Zahnräder,
die in entsprechend geformte Zahnstangen passen, geffihrt werden, damit sie nicht
nach unten wandern.
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In figur å wird gezeigt, wie die bodensektoren 20 auf zahlreichen
säulenförmigen Wälzkörpern 35 und der innere kegelähnliche Körper 25 auf zahlreichen
Wälzkörpern 36 gelagert ist. Außerdem ist die Lage der zylindrischen Wälzkörper
34 zur Auflagerung des in den figuren 2 und 3 dargestellten Polygonringes 32 dargestellt.
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In Figur Ö haben die säulenförmigen Wälzkörper 35 bzw.
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34 jeweils an ihre oberen und unteren Ende eine gekrümmte Wälzfläche
mit einem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt, die sich jeweils oben und unten auf
geneigte, aber in sich ebene Wälzflächen 37 und 38 abstützen. Damit die Säulen 35
und 34 nicht umfallen können, sind sie in besonderen Ilalterungen 39 geführt. Von
besonderer bedeutung ist, daß alle zu einem bodensektor 20 gehörigen Wälzkörper
35 in zwei Bbenen angeordnet sind, die einerseits talartig zueinander geneigt sind
und andererseits zur Reaktormitte hin ansteigen. Auf diese Weise wird dieser Bodensektor
in sich zusammengehalten und nach außen gegen den Polygonring 32 gedrückt. »a die
Wälzkörper 35 Bewegungen in der jeweiligen siSlzebene zulassen sollen, müssen sie
von zwei kugclflächen mit einem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt begrenzt sein.
Die wälzkörper 3t dagegen, die den zentralen kegelähnlichen Körper 25 tragen, können
zylindrische Endflächen ebenfalls mit einem gemeinsamen KrümmungsmLttelpunkt aufweisen,
da dieser kegelähnliche Körper 2a sich nur in radialer Richtung ausdehnen oder zusammenziehen
kann.