一种反应堆堆内换料系统的制作方法

本发明属于核反应堆的换料技术领域，具体涉及一种反应堆堆内换料系统。

背景技术：

反应堆堆芯具有一定的设计寿命，随着堆芯不断进行核反应，裂变核材料相应减少，为维持继续运行，必须进行换料操作，堆内换料系统可以实现堆内新燃料组件装入堆芯、乏燃料组件卸出和组件运输。

目前国际上主要开发的快中子反应堆有三种，即铅冷快堆、钠冷快堆、气冷快堆，这三种快堆都属于第四代核能系统六种主要参考堆型中的选项。在反应堆中，堆内换料机构采用全自动换料，堆内需要有足够的换料空间。另外，堆内换料系统需要在反应堆容器完全密封、且高温、密封、腐蚀冷却剂环境中，从堆芯上方完成堆芯组件的装卸操作，因此在堆芯组件的装卸过程中，需使用特殊的换料和提升装置，既能将新燃料组件装入堆芯，又能将堆芯中的乏燃料组件卸出，保证运输过程中燃料组件的安全以及抓手的稳定可靠，并有利于实现远程操作。同时，在安全、可靠装卸组件时，要保证反应堆容器的密封性，隔离反应堆内外的气体，屏蔽放射性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现自动换料，操作方便，适合高温腐蚀密封环境运行的反应堆堆内换料系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种反应堆堆内换料系统，反应堆包括反应堆容器和安装在反应堆容器上的堆顶盖，系统包括大旋塞、小旋塞、中心测量柱、换料机和提升机；

所述大旋塞转动安装在堆顶盖上，所述小旋塞偏心转动安装在大旋塞上，所述大旋塞中心预留质子束管安装孔道，所述小旋塞上预留换料机安装孔道；

所述中心测量柱为圆环形壳体，由中心测量柱a、中心测量柱b大小两部分组成，整体与大旋塞同心，上端分别焊接于大旋塞和小旋塞底部，中心为质子束管安装通道；

所述换料机穿过换料机安装孔道，所述换料机与小旋塞连接部位设置有导向筒；

所述提升机为圆柱形内空结构，穿设在堆顶盖上，顶部为堆芯组件出口，出口处设置有移动密封门，确保反应堆运行时堆内的密封。

进一步地，所述大旋塞和小旋塞上端周边均设置U型凹槽与堆顶盖上部圆环颈配合，配合处采用机械密封和液态合金密封串联密封方式，将反应堆内腔和堆外环境隔离开。

进一步地，所述大旋塞和小旋塞均为中空厚圆饼柱体，内部分别焊接有5～7层隔层板，用于填充不同种类屏蔽材料。

进一步地，所述大旋塞和小旋塞与堆顶盖配合处的机械密封布置在液态金属密封的空气侧，采用柔性石墨填料密封，液态合金密封采用易熔金属合金密封。

进一步地，所述中心测量柱内部等距焊接有隔板，用于贯穿其中的控制棒驱动机构的固定以及热工测量热电偶的布置，外表面均匀开有圆孔，便于内部冷却剂的流动。

进一步地，所述换料机和提升机通过法兰连接分别垂直安装于小旋塞和堆顶盖上，能够一体式装入和卸出。

进一步地，所述中心测量柱底部为弧形过渡，便于堆芯出口冷却剂的分流。

进一步地，所述换料机和提升机均从顶部进行一体式更换。

本发明的有益效果体现在：

1.相比较钠冷快堆，本发明可以克服加速器质子束管的引入而带来的自动换料难题，适合临界/次临界双模式反应堆运行，同时，适合高温腐蚀密封环境运行。

2.相比较MYRRHA底部换料方式、钠冷快堆倾斜式提升装置，本发明结构紧凑，占用空间小，操作方便，换料机构能一体式更换，更有利于ADS小型反应堆的设计、建造及维护。

3.本发明用在液态重金属环境，针对解决高温、腐蚀及密封环境，确保反应堆运行的安全。

4.本发明设计出一种新型的双旋塞分体式中心测量柱堆内换料系统结构方案，可以通过大/小旋塞及换料机三者复合运动，让换料机抓手运行轨迹避开加速器质子束管以及分体式中心测量柱，对堆芯所有组件实现更换，并保证系统运行安全、可靠、不泄露。

附图说明

图1为本发明一实施例的反应堆堆内换料系统正视图。

图2为本发明一实施例的反应堆堆内换料系统俯视图。

附图中各部件的标记为：1换料机；2小旋塞驱动机构；3小旋塞；4小旋塞轴承；5堆顶盖；6反应堆容器；7中心测量柱；8圆孔；9抓手；10堆芯组件；11大旋塞驱动机构；12大旋塞；13大旋塞轴承；14移动密封门；15提升机；16隔板；17旋转槽；18中心测量柱a；19中心测量柱b；20质子束管安装孔；21导向筒。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员较好的理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，下面所述的实施例仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

参见图1和图2。

本发明一实施例的反应堆堆内换料系统，包括大旋塞12、小旋塞3、中心测量柱7、换料机1和提升机15，反应堆包括反应堆容器6和同心安装在反应堆容器6上的堆顶盖5，大旋塞12、小旋塞3、换料机1和提升机15均安装在堆顶盖5上；

所述大旋塞12通过大旋塞轴承13同心安装支撑在堆顶盖5上，大旋塞12中心预留质子束管安装孔道20，所述小旋塞3通过小旋塞轴承4偏心安装支撑在大旋塞12上，小旋塞3上预留换料机安装孔道；大旋塞12和小旋塞3分别由大旋塞驱动机构11和小旋塞驱动机构2驱动，驱动机构可以是电机；

大旋塞12和小旋塞3上端周边设置U型凹槽与堆顶盖5上部圆环颈配合，配合处采用机械密封和液态合金密封串联密封方式，将反应堆内腔和堆外环境隔离开，系统运行时，堆内处于密封状态，确保气体不泄露，机械密封布置在液态金属密封的空气侧，采用柔性石墨填料密封，柔性石墨环具有高耐渗透能力和自润滑性，不需要过大的轴向压紧力，可减少对旋塞裙板支承的磨损，液态合金密封采用易熔化金属合金密封，如锡铅合金、锡铋合金等。反应堆运行时，易熔合金冷凝，旋塞静止。换料之前将易熔合金融化，旋塞可以转动，合金融化靠合金槽外侧的电加热器加热；

所述堆顶盖5、大旋塞12和小旋塞3均为中空厚圆饼柱体，内部分别焊接有5～7层隔层板，用于填充不同类型屏蔽材料，同时起到容器边界作用；

所述中心测量柱7为圆环形壳体，由中心测量柱a18、中心测量柱b19大小两部分组成，整体与大旋塞12同心，上端分别焊接于大旋塞12和小旋塞3底部，中心为质子束管安装通道，底部为弧形过渡，便于堆芯出口冷却剂的分流；

所述中心测量柱7内部等距焊接有3～5层隔板16，用于贯穿其中的控制棒驱动机构的固定以及热工测量热电偶的布置，所述中心测量柱7外表面均匀开有5～8圈圆孔8，便于内部冷却剂的流动；

所述换料机1偏心安装支撑在小旋塞3上，与小旋塞3连接部位设置有导向筒21，确保在抓取和运输堆芯组件10过程中主轴不弯曲变形；该系统通过大旋塞12和小旋塞3的复合旋转运动实现换料机1的定位和寻址功能，从而实现堆芯组件10的更换。

所述提升机15为圆柱形内空结构，穿设在堆顶盖5上，顶部为堆芯组件出口，出口处设置有移动密封门14，确保反应堆运行时堆内的密封。

优选地，所述换料机1和提升机15通过法兰连接分别垂直安装于小旋塞3和堆顶盖5上，能够一体式装入和卸出。

优选地，所述换料机1和提升机15均从顶部进行一体式更换。

本发明通过大旋塞和小旋塞的复合旋转运动实现换料机的定位和寻址功能，从而实现堆芯组件的更换；工作流程包括堆芯燃料组件卸料流程与装料流程，装料流程与卸料流程操作步骤刚好相反，卸料流程启动时，首先是定位，大旋塞驱动机构驱动大旋塞旋转，小旋塞驱动机构驱动小旋塞旋转，换料机自身旋转和升降，通过大旋塞、小旋塞及换料机三者复合运动，实现换料机抓手到达指定目标组件正上方；然后是抓取，通过换料机各电机驱动，实现燃料组件的抓取；再是运输，换料机将组件运输至升降机旋转槽上方后释放，提升机旋转槽在各电机驱动下将组件旋进并提升，上端移动密封门打开，提升机将堆芯组件送出堆外，完成卸料流程；装料流程，操作过程与卸料流程相反。

下面详细说明上述反应堆堆内换料系统的工作流程步骤：

定位步骤：堆内换料系统接收卸料指令后，大旋塞驱动机构11驱动大旋塞12旋转，小旋塞驱动机构2驱动小旋塞3旋转，换料机1旋转电机驱动换料机抓手9绕着换料机主轴旋转，通过大旋塞12、小旋塞3及换料机1三者复合运动，实现换料机抓手9定位到目标堆芯组件10正上方，此时，提升机15上端的升降机旋转槽17向下运动至下端；

抓取步骤：换料机1升降电机驱动换料机抓手9向下运动，至堆芯组件10上端操作头位置停止，定位到堆芯组件10上，电机驱动换料机抓手9的张开，换料机1升降电机再驱动主轴向上运动小段距离，使换料机抓手9卡紧组件操作头，实现堆芯组件10的抓取；

堆内运输步骤：抓紧堆芯组件10后，再通过大旋塞12、小旋塞3及换料机1三者复合运动，将堆芯组件10运至旋转槽17正上方，换料机1升降电机驱动主轴向下运动，使堆芯组件10下端管脚进入旋转槽17内，然后同抓取步骤相反，释放堆芯组件10，移动密封门14打开，提升机15电机驱动旋转槽17向上运动，将堆芯组件10送出堆外，完成卸料流程；

复位步骤：即装料作流程，跟卸料流程步骤相反，通过各机构配合运行工作，将堆芯组件10运至堆芯指定位置。

由于第四代反应堆为小型模块化堆，结构紧凑，堆内空间有限，本发明采用双旋塞分体式中心测量柱结构及设计，堆内装置采用纯机械设计，控制部件均放置在装置顶端，抓取及升降功能靠机械相互作用实现，确保组件在运输过程中的安全。同时，换料流程简单，不设置堆内暂存区，占用空间小，机构能一体式更换，提高了装置的安全可靠性及便于维护性，更有利于反应堆的小型化设计。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。