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Kühleinrichtung für Hochtemperaturreakt,or
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor
mit einer gekühlten Reflektordecke, einem ersten Kühlkreislauf, in dem mit Hilfe
eines ersten Gebläses Gas durch die Spaltzone geführt wird und einem zweiten Kühlkreislauf.
Dabei besteht die Spaltzone vorzugsweise aus einer Schüttung von kugelförmigen Brcnnelrinentcn,
die von oben nach unten von Helium durchströmt und dabei gekühlt wird. Das erhitzte
Helium gibt seine Wärme in verfahrenstechnischen Anlagen oder einer Anlage zur Stromerzeugung
wieder ab. Die Spaltzone ist in einem Druckbehälter enthalten, der zur Erzielung
der notwendigen Dichtigkeit mit einer Auskleidung versehen ist, die zum Schutz vor
der von der Spaltzone abgestrahlten Hitze, Neutronen- und Gammastrahlung isoliert
und gekühlt werden muß. Dabei stellt die Decke des Druckbehälters wegen der in ihr
angeordneten Meß- und Regelvorrichtungen ein besonderes Problem dar, zu dessen Bewältigung
eine von der Druckbehälterdecke ahgehängte Reflektordecke angeordnet wird, die ihrerseits
ebenfalls gekühlt werden muß, insbesondere um ein Versagen der die Reflektordecke
tragenden Bauelemente zu vermeiden.
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Auch bei abgeschaltetem Reaktor wird in der Spaltzone infolge Nachzerfalls
eine erhebliche Wärmemenge freigesetzt, die über den resten Kühlkreislauf bei verminderter
Leistung
des ersten Gebläses abgeführt werden kann. Wird jedoch ein Versagen dieses Gebläses
unterstellt, kommt es infolge Naturkonvektion zu einer Umkehrung der Strömung im
ersten Kühlkreislauf und damit zu einer erhöhten thermischen Belastung der nunmehr
von aufgeheiztem Gas angeströmten Reflektordecke, die im Normalbetrieb durch das
verhältnismäßig kühle, in den Reaktor eintretende Gas bestrichen wurde.
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In der DT-OS 26 34 780 wird eine Notkühleinrichtung für gasgekühlte
Kernreaktoren vorgeschlagen, in der bei Abschaltung des Reaktors durch gespeichertes
Druckgas eine Gas turbine in Betrieb gesetzt wird, die danach durch das in ihr expandierende,
aus der Spaltzone angesaugte Gas in Gang gehalten wird und die ihrerseits sowohl
ein die Kühlgaszirkulation aufrechterhaltendes Gebläse antreibt als auch eine Pumpe,
mittels derer ein in einem Wärmetauscher mit dem ersten Kühlkreislauf in Verbindung
stehender zweiter Kühlkreislauf betrieben werden kann.
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Diese Vorrichtung ist jedoch nur dann in der Lage, die in der Spaltzone
erzeugte Nachzerfallswärme abzuführen, solange am ersten Kühlkreislauf keine wesentlichen
Schäden (die z. B. mit Druckverlust verbunden sind) auftreten. In dem Vortrag von
Dr. H. Reutier: ZNachwärmeabfuhr ohne Zwangs umlauf bei Hochtemperatureaktoren",
gehalten auf der Reaktortagung 1976, ist vorgeschlagen worden, die Reflektordecke
selbst als Wärmetauscher auszugestalten, wobei das in diesem zirkulierende SekundArkühlmittel
durch Temperaturunterschiede in Umlauf gehalten werden soll. Dies bedeutet, daß
das Kühlmittel eine hohe Wärmekapazität besitzen muß, d. h., Gase und insbesondere
Helium nicht dafür in Frage kommen. Die Verwendung von Wasser als Kühlmittel begegnet
jedoch u. a. wegen der neutronenphysikalischen Folgen (Wasser wirkt als Moderator)
bei einer möglichen Beschädigung der Peflektordeckc und damit des Wärmetauschers
Bedenken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor
mit einer Einrichtung zur Abfuhr der Nachzerfallswärme, die völlig unabhängig vom
ersten Kühlkreislauf und von der Zufuhr von Energie von außerhalb der Anlage arbeitet.
Darüberhinaus soll sie sich selbstregelnd bei Bedarf in Tätigkeit treten, ohne daß
es dazu besonderer Signale oder Maßnahmen bedürfte. Die Einrichtung kann demgemäß
auch dann als funktionsfähig angesehen werden, wenn bedeutende Schäden am ersten
Kühlkreislauf, der Zusammenbruch der Energieversorgung und Schäden an der Reaktorinstrumentierung
unterstellt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Reaktor einen
zweiten Kühlkreislauf aufweist, in dem bei Betrieb ständig Gas (vorzugsweise das
auch im ersten Kühlkreislauf verwendete Gas, z. B. Helium) durch einen Zwischenraum
zwischen Druckbehälter und Reflektordecke geleitet wird und der durch ein zweites
Gebläse aufrechterhalten wird, das durch eine Wärmekraftmaschine angetrieben wird,
die ihren Wärmebedarf dem zweiten Kühlkreisc lauf entzieht. Da die Reflektordecke
auch im Normalbetrieb des Reaktors gekühlt werden muß, ist der zweite Kühlkreislauf
stets in Betrieb und braucht nicht erst nach Abschalten des Reaktors gestartet zu
werden. Durch den Zwangsumlauf des K(ihlmittels bedingt kann auch Helium als solche.;
verwendet werden, womit Probleme der Kontamination des im ersten Kühlkreislauf zirkulierenden
Kühlgases bei nie ganz zu vermeidenden kleinen Undichtigkeiten an der Reflektor
decke vermieden werden. Der Verzicht auf die Ausgestaltung der Reflektordecke als
Wärmetauscher vereinfacht und verbilligt diese wesentlich, Die dem im zweiten Kühlt
kreislauf zirkulierenden Gas zugeführte Wärme wird ihm in der Warmekraftmaschine
und, wenn diese dazu nicht
ausreicht, in einem gesonderten, beispielsweise
luftgekühlten Kühler oder, wie lunten angegeben über einen Kondensator entzogen.
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In spezieller Ausgestaltung des Erfindungsgidankens ist die Wärmekraftmaschine
eine mit dem erhitzten Gas des zweiten Kühlkreislaufes beaufschlagte Gasturbine.
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Diese Lösung hat den Vorteil besonderer Einfachheit für sich. Alternativ
hierzu und mit dem Vorte-il einer infolge des höheren Wärmeinhalts des Kühlmittels
verbesserten Wärmeabfuhr wird vöigeschlagen, daß die Wärmekraftmaschine eine Dampfturbine
ist, deren Dampf in einem mit dem erhitzten Gas des zweiten Kühlkrislaufes beheizten
Dampferzeuger erzeugt wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein dritter Kühlkreislauf,
mit dessen Hilfe die Druckbeh:3lterauskleidung gekühlt wird, mit Hilfe der oben
erwähnten Wärmekraftmaschine, d. h. der Gas- oder Dampfturbine aufrechterhalten.
Die zur Aufrechterhaltung der Integrität des Druckbehälters und damit zur Vermeidung
der Freisetzung von Spaltprodukten aus der Spaltzone an die itrngebung wichtige
Kühlung der gasdichten Auskleidung ist so ebenfalls unabhängig von äußeren Energiequellen
und von der Funktionsfähigkeit des ersten Kühlkreislaufes und der durch diesen angetriebenen
Einrichtungen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Kühlkreislauf
an der Außenseite der Druckbehälterauskleidung angeordnet sein und mit Wasser als
Kühlmittel betrieben werden. Pas Eindringen von Wasser in das Innere des Druckbehälters
kann also ausgeschlossen werden und doch können seine guten Wärmetransporteigenschaften
für die Kühlung der stark belasteten Druckbehälterauskleidung
nutzbar
gemacht werden. Ist die Kühlung der Druckbehälterauskleidung auf zwei parallel geschaltete
und ineinander geschachtelte Kreisläufe aufgeteilt, von denen einer mit gleichbleibender
Kühlleistung als Grundlastkühlung betrieben wird, während der andere entsprechend
dem unterschiedlichen Wärmeanfall bei verschiedenen Leistungsstufen des Reaktors
als sogenannte Regellastkiihlung mit wechselnden Durchsätzen betrieben wird, so
ist letzterer vorzugsweise als dritter Kühlkreislauf im Sinne dieser Erfindung einzusetzen.
Da bei erhöhter Leistungsfreisetzung in der Spaltzone undsdamit erhöhter Wärmeeinbringung
in den zweiten Kühlkreislauf die Wärmekraftmaschine mit größeren Mengen erhitzten
Gases beaufschlagt wird, steigert sie ihre Leistung und sorgt so sowohl für eine
für die Aufrechterhaltung einer zulässigen Temperatur erforderliche Gasgeschwindigkeit
im zweiten Kühlkreislauf als auch für eine höhere Kühlleistung des dritten Kühlkreislaufes,
der somit in idealer Weise den Anforderungen an eine Regellastkühlung entspricht.
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Das im erste F'ihlkreislauf zirkulierende Gas ist, da das Helium unvermeidbare
Verunreinigungen aufweist, durch den Durchtritt durch die Spaltzone in gewissem
Maße radioaktiv. Um die Verseuchung auf das unumgängliche Maß zu beschränken, wird
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Druck im zweiten
Kühlkreislauf höher als im ersten Kühlkreislauf ist. Das Druckgefälle verhindert
den Übertritt von Gas und damit auch radioaktiver Stoffe aus dem ersten in den zweiten
Kühlkreislauf.
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Um eine ausreichende Reinheit des im ersten Kühlkreilauf um) tufenden
Gases zu gewährleisten, sind Reaktoren der genannten Art mit einer Anlage zur Reinigung
dieses
Gases versehen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
werden die unvermeidbaren Sickerverluste aus dem zweiten in den ersten Kühlkreislauf
ersetzt, indem das letzterem entzogene und gereinigte Gas in den zweiten Kühlkreislauf
eingespeist wird, wodurch sich die Gasverluste des Gesamtsystems in sehr engen Grenzen
halten.
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Die dem zweiten Kühlkreislauf durch eine konventionell ausgelegte
Wärmekraftmaschine entzogene Wärmemenge kann unter Umständen nicht ausreichend sein,
um die gesamte in diesen Kühlkreislauf eingebrachte Wärmemenge abzuführen. Der ueberschuß
kann z. ». über einen zusätzlichen Luftkühler bekannter Bauart an die Atmosphäre
abgegeben werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist jedoch der Kondensator
des die Dampfturbine enthaltenden Wasser-/Dampfkreislaufes eine für die Abfuhr des
gesamten in den zweiten Kühlkreislauf eingebrachten Wärme ausreichende Leistung
auf. Wird das Kondensat z. B. statt auf die üblichen 90 OC auf ca. 30 OC heruntergekühlt
und so dem Dampferzeuger entgegen der sonst in Wärmekraftanlagen gebräuchlichen
Weise ein möglichst kühles Speisewasser zugeführt, kann unter Inkaufnahme des hier
erwünschten schlechten Wirkungsgrades der Dampfanlage die Wärmeabfuhr aus dem zweiten
Kühlkreislauf erhöht werden.
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Im vorstehenden ist aus Gründen der Vereinfachung der erfindungsgemäße
Kernreaktor so beschrieben worden, als verfüge er nur über jeweils einen der beschriebenen
Kühlkreisläufe und der dazugehörigen Hilfsaggregate.
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Selbstverständlich werden die beschriebenen Einrichtungen zur Nach-
und Notwärmeabfuhr aus Gründen der Redundanz mehrfach ausgelegt, indem beispielsweise
vier parallel geschaltete zweite Kühlkreisläufe, Dampferzeuger, Turbinen usw. vorgesehen
werden. Hier kann noch auf den Vorteil
hingewiesen werden, daß
sich die Selbstregelung des einzelnen zweiten Kühlkreislaufes in Abhängigkeit von
der in der Spaltzone freigesetzten Wärmemenge auch auf die ganze Gruppe dieser Kühlkreisläufe
erstreckt: Fällt einer von ihnen aus, so erhöht sich die Wärmebelastung für jeden
der anderen, worauf er'durch erhöhte Leistung der Wärmekraftmaschine für eine entsprechend
erhöhte Wärmeabfuhr in dem einzelnen Kreislauf sorgt.
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Dabei sollte die Kapazität der einzelnen Kühlkreisläufe so bemessen
sein, daß bei einer Gesamtzahl von beispielsweise vier Kreisläufen zwei davon ausreichen,
um auch unter ungünstigen Umständen eine ausreichende Wärmeabfuhr sicherzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
und zwar zeigt Figur 1 stark vereinfacht den Kernreaktor und schematisch die zum
Betrieb seiner Kühlkreisläufe nötigen Hilfsanlagen und Figur 2 in vergrößertem Maßstab
Einzelheiten der erfindungsgemäßen Deckenkonstruktion.
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Der erfindungsgellläße Kernreaktor besteht aus einem Druckbehälter
1, der eine Spaltzone 2 umschließt, die aus einer Vielzahl von lose aufeinandergeschütten
sphärischen Brennelementen besteht und die in bekannter Weise mit Hilfe hier nicht
dargestellter Vorrichtungen geregelt und abgeschaltet werden kann. Der Druckbehälter,
der aus Spannbeton oder aus einer Anzahl von Graugußblöcken gebildet sein kann,
ist auf seiner Innenseite mit einer Wärmeisolierung 3 (z. B. aus hohlen Keramikkörpern)
versehen, die einen Teil seines Schutzes vor der in der Spaltzone 2 entwickelten
Wärme bildet. Die Dichtigkeit des Druckbehälters 1 wird durch eine dünne stählerne
Auskleidung 4 (sogenannter Liner) gewährleistet, die aus einzelnen, dicht miteinander
verschweißten Blechen aufgebaut ist. Von der Decke des Druckbehälters 1 ist eine
aus Graphit hergestellte Reflektordecke 5 abgehängt. Die Spaltzone 2 wird durch
einen Strom von Helium gekühlt, das in einem ersten Kühlkreislauf 7 mit Hilfe eines
ersten Gebläses 9 umgewälzt wird, Seine Wärme in einem Wärmetauscher. 8 an hier
nur angedeutete sekundäre Kreisläufe abgibt, wo sie als Prozeßwärme oder zur Dampferzeugung,
verwendet wird und das schließlich abgekühlt am oberen Ende des Reaktordruckbehälters
1 wieder in diesen eintritt. Dabei bestreicht das kühle
Gas die
Unterseite der Reflektordecke 5 und trägt so zu deren Kühlung bei. Eine unterhalb
der Reflektordecke 5 angeordnete, ebenfalls aus Graphit hergestellte und mit Öffnungen
versehene Zwischendecke 27 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlgases
und damit für eine gleichmäßige Beaufschlagung der Spaltzone 2. Dabei bildet ein
zwischenraum 29 zwischen Reflektordecke 5 und Zwischendecke 27 den Eintritts- und
Verteilungsraum für das Kühlgas. Der Zwischenraum zwischen der Reflektordecke 5
und dem Druckbehälter 1 bildet einen Teil eines zweiten Kühikreislaufes 10, durch
den die Reflektordecke 5 und insbesondere ihre weiter unten beschriebene Tragkonstruktion
auf zulässige Tempereaturen herabgekühlt werden. Der zweite Kühlkreislauf 10 wird
durch ein zweites Gebläse 11 in Gang gehalten. Da der zweite Kühlkreislauf 10 unter
einem höheren Druck als der erste Kühlkreislauf 7 steht, wenn er auch ebenfalls
mit Helium betrieben wird, wirken sich kleine Undichtigkeiten in der Reflektordecke
5 dahingehend aus, daß Gas aus dem zweiten Kühlkreislauf in den ersten Kühlkreislauf
7 sickert. Ein Eindringen radioaktiver Stoffe aus dem ersten Kühlkreislauf 7 in
den zweiten Kühlkreislauf 10 wird so vermieden. Ersterer weist eine Reinigungsanlage
12 auf, in der das Gas von solchen Spaltprodukten befreit'werden kann und die über
eine Umgehungsleitung 25 zum ersten Kühlkreislauf 7 parallel geschaltet ist. Der
Großteil des gereinigten Gases wird über eine Leitung 26 wieder in den ersten Kühlkreislauf
7 eingespeist, wogegen der überschub mittels eines Kompressors in einen Gasvorratsbehälter
14 gepumpt wird, der wiederum unter höherem Druck steht als der zweite Kühlkreislauf
10 und aus dem dessen Gasverluste ersetzt werden, und zwar über die gesamte Abklingperiode
der Brennelemente bei einem Störfall
auch dann, wenn infolge Ausfalls
des ersten Kühlkreislaufes 7 der Vorratsbehälter 14 in dieser Zeit nicht nachgefüllt
werden kann. Das im zweiten Kühlkreislauf 10 zirkulierende Gas treibt entweder eine
hier nicht dargestellte Gasturbine, die an die Stelle der weiter unten angeführten
Dampfturbine treten würde oder aber wird, wie hier dargestellt, in einem Dampferzeuger
15 zur Dampferzeugung genutzt. Mit dem Dampf wird eine Turbine 16 betrieben, die
ihrerseits das zweite Gebläse 11 antreibt. Der aus der Turbine 16 austretende Dampf
wird in einem Kondensator 17 kondensiert und in einem Wasservorratsbehälter 22 gespeichert,
aus dem Wasserverluste des Wasser-/Dampfkreislaufes 21 ausgeglichen werden können,
damit seine Funktionsfähigkeit über längere Zeiträume sichergestellt ist, wie sie
bis zum Abklingen der Nachzerfallswärme auf einen geringen Wert verstreichen können.
Die Versorgung des Dampferzeugers 15 mit Speisewasser wird durch eine ebenfalls
durch die Dampfturbine 16 angetriebene Speisewasserpumpe 20'sichergestellt.
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Wird in einem Störfall der Reaktor abgeschaltet und versagen sämtliche
erste Kühlkreisläufe 7 (von denen hier nur einer dargestellt ist), beispielsweise
infolge Ausfalls der ersten Gebläse 9., kehrt sich infolge der natürlichen Konvektion
die Richtung der Gas strömung im Druckbehälter um, und das durch die Nachzerfallswärme
in der Spaltzone 2 aufgeheizte Helium trifft unmittelbar auf die Reflektordecke
5. Durch den Wärmeübergang durch diese wird auch das Gas im zweiten Kühlkreislauf
10 stärker aufgeheizt und gibt im Dampferzeuger 15 eine größere Wärmemenge durch
erhöhte Dampferzeugung ab. Dadurch läuft die Dampf turbine 16 schneller, treibt
das zweite Gebläse 11 mit erhöhter Drehzahl und sorgt so für eine für die Kühlung
der
Reflektordecke 5 ausreichende Umwälzung des Gases im zweiten Kühlkreislauf 10. Ebenso
läuft eine gleichfalls durch die Dampfturbine 16 angetriebene Pumpe 19 schneller,
wodurch ein erhöhter Wasserdurchsatz durch einen dritten Kühlkreislauf 18 erfolgt,
durch den eine sichere Kühlung der Druckbehälterauskleidung 4 gewährleistet wird.
Der dritte Kühlkreislauf 18 schließt eine externe Wärmesenke 23, beispielsweise
einen Kühlturm ein. Der zweite Kühlkreislauf 10 kann, wenn der Wärmeentzug im Wärmetauscher
15 nicht ausreichen sollte, zusätzlich mit einem Luftkühler 24 versehen werden.
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Wie die Figur 2 näher zeigt, ist die Druckbehälterauskleidung 4 an
ihrer Außenseite mit einer Anzahl von Kühlrohren 34 versehen, die immer abwechselnd
einen nicht mehr dargestellten, mit gleichbleibender Kühlleistung betriebenen Grundlastküh
1k reis und dem dritten Kühlkreislauf 18 angehören, der mit unterschiedlicher Kühlleistung
entsprechend dem wechselnden Wärmeanfall als Regellastkühlkreis betrieben wird.
Zusätzlich zu der keramischen Isolierung 3 ist ein aus Gußstahlblöcken aufgebauter
thermischer Schild 35 vorgesehen. Die Reflektordecke 5, die Zwischendecke 27 und
ein seitlicher Reflektorschild 36 sind aus einzelnen Graphitblöcken 32 aufgebaut.
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Die beiden ersteren werden durch ein stählernes, aus Rohren gebildetes
Traggerüst 6 gehalten, das seinerseits durch Streben 37 und Anker 38 am Druckbehälter
1 befestigt ist.
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Die Reflektordecke 5 und Zwischendecke 27 werden durch Distanzstücke
30 (die, wie hier gezeigt,an letztere angeformt sein können) auf Abstand gehalten,
so daß der Eintritts- und Verteilungsraum 29 für das abgekühlte Kühlgas gebildet
wird, aus dem es durch Öffnungen 28 in-der Zwischendecke 27 der Spaltzone 2 zugeführt
wird.
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Zugleich bewirken die Distanzstücke 30 den Schutz der entsprechenden
Teile der Tragkonstruktion 6 vor dem Gas des ersten Kühlkreislaufes 7. Die einzelnen
Blöcke der Reflektordecke 5 sind mit Aussparungen verstehen, die einmal die Bildung
von Zwischenräumen 31 ermöglichen, die mit stagnierendem Gas gefüllt sind und den
Wärmeübergang durch die Reflektordecke weiter herabsetzen, und die andererseits
das Einlegen von ebenfalls aus Graphit hergestellten Dichtleisten 33 ermöglichen,
durch die einerseits die hier übertrieben groß gezeichneten Spalte zwischen den
einzelnen Blöcken 32 abgedichtet werden und andererseits dieselben so miteinander
verbunden werden, daß sie auch bei Ausfall eines einzelnen Elementes der Tragkonstruktionen
6 noch gehalten werden.
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Um den Wärmeübergang von der Zwischendecke 27 auf die Tragkonstruktion
6 möglichst herabzusetzen, sind zwischen beiden keramische Unterlegscheiben 39 angeordnet.