燃料组件下部锁紧装置及其锁紧、解锁方法与流程

本发明涉及核燃料组件技术领域，尤其涉及一种燃料组件下部锁紧装置及其锁紧、解锁方法。

背景技术：

快堆是实现核燃料增值，提高铀资源利用率，减少长寿命核素的最重要途径。目前国际上大部分的液态快堆都采用池式结构，燃料组件放在充满金属冷却剂的池中。为了保证系统边界的完整性，反应堆需处于密封的状态，即使是在换料过程反应堆的顶盖也不能打开。因此，在这样特殊的环境下，为满足不开盖换料反应堆堆芯无上堆芯板。对于铅铋冷却快堆来说，由于无类似压水堆的上堆芯板结构，其燃料组件在遇到地震等工况下，仅靠燃料组件自身的自重是无法保持自立的，而燃料组件一旦在堆芯中发生窜动，会产生较大的安全隐患。为了防止燃料组件在地震等工况下发生起跳，需要在其下管腿部位增加下部锁紧装置。

cn103985419a公开一种液体重金属反应堆的燃料组件锁紧装置，其中采用的是下部锁紧装置，该下部锁紧装置采用螺纹连接的方式将燃料组件固定在下堆芯板上，但是该种方式容易发生螺纹松脱，同时换料机构需要提供扭转载荷和精准定位，换料机构设计较为复杂且换料难度大幅提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种简单且可靠的燃料组件下部锁紧装置及其锁紧、解锁方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料组件下部锁紧装置，所述燃料组件下部设有与下堆芯板配合的管腿，所述燃料组件下部锁紧装置包括可轴向往复运动地设置在所述管腿内的中心杆、至少一个可沿所述管腿的径向往复运动且设置在所述管腿的管壁内的运动组件；所述管腿的管壁设有容置所述运动组件的通孔；所述中心杆上设有与所述运动组件可相对滑动配合的第一斜面；

所述中心杆在所述管腿内处于第一位置时，所述运动组件可沿所述第一斜面向所述管腿内侧运动；

所述中心杆在所述管腿内由第一位置运动至第二位置时，驱动所述运动组件向所述管腿外侧运动并且伸出所述通孔，抵接在下堆芯板一侧，将燃料组件锁紧在下堆芯板上。

优选地，所述中心杆包括用于与所述运动组件配合的驱动部、连接在所述驱动部远离燃料组件顶部的一端的支撑杆部；所述第一斜面设置在所述驱动部上。

优选地，所述燃料组件下部锁紧装置还包括固定在所述管腿内的支撑架；所述中心杆的支撑杆部穿过所述支撑架并通过所述支撑架径向定位在所述管腿内。

优选地，所述支撑杆部为多边形杆，所述支撑架上设有多边形孔供支撑杆部穿过并限制支撑杆部转动。

优选地，所述燃料组件下部锁紧装置还包括抵接在所述驱动部和支撑架之间的弹性复位件。

优选地，所述弹性复位件为压缩弹簧，套设在所述支撑杆部上并且两端分别抵接所述驱动部和支撑架。

优选地，所述驱动部包括中心杆体、至少一个设置在所述中心杆体外周侧面上的肋板；所述第一斜面形成在所述肋板远离所述支撑杆部的端面上。

优选地，所述驱动部包括中心杆体、凸出设置在所述中心杆体外周侧面上的肋部；所述第一斜面形成在所述肋部远离所述支撑杆部的端面上。

优选地，所述运动组件包括设置在所述通孔内并可沿所述通孔的轴向来回移动的滑块、设置在所述滑块内的锁紧件以及缓冲弹性件；

所述滑块朝向所述中心杆的一端端面设有与所述第一斜面可相对滑动配合的第二斜面，所述滑块远离所述中心杆的一端设有轴向延伸的槽部，所述锁紧件置于所述槽部内且一端凸出所述槽部用于抵接在下堆芯板一侧；所述缓冲弹性件位于所述锁紧件和槽部的底面之间。

优选地，所述锁紧件朝向所述槽部的一端设有限位槽，所述缓冲弹性件容置在所述限位槽内并抵接所述槽部的底面。

优选地，所述缓冲弹性件为碟形弹簧。

优选地，所述锁紧件包括本体部、三棱柱体以及连接在本体部和三棱柱体之间的连接部；所述本体部容置在所述滑块的槽部内，所述三棱柱体凸出所述槽部用于抵接在下堆芯板一侧；

所述下堆芯板的上、下表面分别设有与三棱柱体表面配合的导向面。

优选地，所述通孔内设有导向套，所述运动组件设置在所述导向套内；所述导向套朝向所述中心杆的一端端面设有与所述第一斜面可相对滑动配合的第三斜面。

本发明还提供一种燃料组件下部锁紧装置的锁紧方法，包括以下步骤：

s11、换料装置夹持燃料组件向下堆芯板方向移动，燃料组件的管腿上的运动组件接触到下堆芯板后，下堆芯板对运动组件产生一个作用力，驱使运动组件沿着中心杆上的第一斜面向燃料组件的管腿内侧运动；

s12、所述燃料组件在所述下堆芯板上插接到位后，所述中心杆轴向移动复位，并驱动运动组件向管腿外侧运动，所述运动组件凸出管腿外侧并抵接在所述下堆芯板一侧，将所述燃料组件锁紧在所述下堆芯板上。

本发明还提供一种燃料组件下部锁紧装置的解锁方法，包括以下步骤：

s21、换料装置夹持燃料组件，拖动燃料组件向远离下堆芯板的方向移动；

s22、下堆芯板对运动组件产生一个作用力，驱使运动组件沿着中心杆上的第一斜面向燃料组件的管腿内侧运动，对所述燃料组件解锁，此时燃料组件可从所述下堆芯板上取出。

本发明的有益效果：结构简单可靠，锁紧和解锁动作与燃料组件的换料动作同步，操作方便；在满足燃料组件锁紧的条件下，减少换料装置和锁紧装置的复杂性、增加锁紧可靠性。

另外，通过运动组件的设置使其具有缓冲功能和强制解锁功能。当锁紧装置处在锁紧状态时，有突发外力作用到锁紧件上，可通过锁紧件、滑块和缓冲弹性件的配合，缓解突发外力对锁紧件的冲击，更好地保证了整个燃料组件的轴向固定；锁紧装置在失去工作能力后(意外工况)，可通过在燃料组件上施加较大外力使锁紧件断裂，实现强制解锁，达到锁紧装置失效时取出整个燃料组件的目的，弥补了现有装置不能强制解锁的不足。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例的燃料组件下部锁紧装置的剖面结构示意图；

图2是本发明一实施例的燃料组件下部锁紧装置的锁紧过程示意图；

图3是图1所示装置的中心杆的一实施例的结构示意图；

图4是图1所示装置中运动组件的滑块的结构示意图；

图5是图1所示装置中运动组件的锁紧件的结构示意图；

图6是图1所示装置中导向套的结构示意图；

图7是图1所示装置中支撑架的结构示意图；

图8是本发明一实施例的燃料组件下部锁紧装置的解锁过程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，本发明一些实施例的燃料组件下部锁紧装置，用于将燃料组件下部锁紧在下堆芯板2上，防止燃料组件在地震等工况下发生起跳。该燃料组件下部锁紧装置可包括中心杆10以及至少一个与中心杆10配合的运动组件20。燃料组件下部设有与下堆芯板配合的管腿1，中心杆10可轴向往复运动地设置在管腿1内，运动组件20设置在管腿1的管壁内并可沿管腿1的径向往复运动，其运动方向与中心杆10的运动方向相垂直。管腿1的管壁设有通孔用于容置运动组件20，从而运动组件20可在通孔内往复运动。

中心杆10上设有与运动组件20可相对滑动配合的第一斜面100，运动组件20可沿该第一斜面200来回运动进出通孔，同时中心杆10相对上下运动。

中心杆10通过可在管腿1内轴向往复运动，从而可在第一位置和第二位置之间来回移动。

如图2中(a)、(b)所示，中心杆10在管腿1内处于第一位置时，中心杆10上的第一斜面100与运动组件20相对，运动组件20可沿着第一斜面100向管腿1内侧运动，此时燃料组件在下堆芯板2上未锁定，燃料组件可整体向下移动以插接在下堆芯板2上，带动运动组件20下移到下堆芯板2的下表面一侧。

如图2中(c)所示，中心杆10在管腿1内由第一位置运动至第二位置时(向上运动)，中心杆10通过第一斜面100与运动组件20的配合，驱动运动组件20向管腿1外侧运动并且伸出通孔，抵接在下堆芯板2一侧，将燃料组件锁紧在下堆芯板2上。

中心杆10在管腿1内处于第二位置时，中心杆10具有一个向上的运动趋势，通过第一斜面100抵接运动组件20，使运动组件20保持在一端伸出通孔的状态，如图2中(c)所示。

其中，如图1所示，中心杆10可包括相连接的驱动部11和支撑杆部12。在管腿1内，支撑杆部12连接在驱动部11远离燃料组件顶部的一端。驱动部11用于与运动组件20配合，可驱使运动组件20向管腿1外侧移动。第一斜面100设置在驱动部11上，并且位于驱动部11远离支撑杆部12的一端上。

第一斜面100在驱动部11上为向下倾斜的斜面，从而运动组件20向管腿1内运动时，可通过与第一斜面100的相对滑动配合驱使中心杆10向下移动；在中心杆10向上移动时，也可通过第一斜面100驱使运动组件20向管腿1外侧移动。

进一步地，在一实施方式中，如图3所示，驱动部11包括中心杆体111、至少一个设置在中心杆体111外周侧面上的肋板112；支撑杆体12与中心杆体111相接。肋板112的数量根据运动组件20的数量设置，每一个运动组件20对应一个肋板112。两个或以上的肋板112沿中心杆体111的周向均匀分布。

肋板112沿着中心杆体111的轴向延伸设置，可与中心杆体111一体形成。第一斜面100形成在肋板112远离支撑杆体112的端面上。

当中心杆10从第一位置移动至第二位置时，导向弧面133与运动组件20接触，并引导运动组件20与导向弧面133所在端面其他部分接触，对运动组件20形成一个抵压作用，驱动运动组件20向管腿1外侧移动。

在其他实施方式中，肋板112也可替换为凸出设置在中心杆体111外周侧面上的肋部。肋部设置在中心杆体111的整体外周侧面上，也可以相当于多个肋板112相接连成一体设置。

如图1所示，运动组件20包括设置在通孔内并可沿通孔的轴向来回移动的滑块21、设置在滑块21内的锁紧件22以及缓冲弹性件23。

具体地，结合图1、图4，滑块21朝向中心杆10的一端端面设有与第一斜面100可相对滑动配合的第二斜面211，滑块21远离中心杆10的一端设有轴向延伸的槽部212，使得滑块21形成一端开放、一端封闭的筒状结构。锁紧件22置于槽部212内，并且锁紧件22的一端凸出槽部212，用于抵接在下堆芯板2一侧。缓冲弹性件23位于锁紧件22和槽部212的底面之间，可缓解外界对锁紧件22的冲击，保护锁紧装置，实现燃料组件与下堆芯板之间的轴向固定。

为固定缓冲弹性件23，锁紧件22朝向槽部212的一端设有限位槽224，缓冲弹性件23容置在限位槽224内并抵接槽部212的底面。

作为优选，缓冲弹性件23为碟形弹簧。

如图5所示，锁紧件22可包括本体部221、三棱柱体222以及连接在本体部221和三棱柱体222之间的连接部223。本体部221容置在滑块21的槽部211内，三棱柱体222凸出槽部211用于抵接在下堆芯板2一侧。连接部223起到连接本体部221和三棱柱体222的作用，并且连接部223的尺寸(如直径或宽度)小于本体部221和三棱柱体222，方便在需要强制解锁时通过外力使连接部223断裂，进而使三棱柱体222从锁紧件22上断开。

锁紧件22通过三棱柱体222抵接在下堆芯板2的一侧(如下表面一侧)，起到锁紧作用，并且方便在进行锁紧和解锁时三棱柱体222的表面沿着下堆芯板2的表面移动。对应三棱柱体222，下堆芯板2的上、下表面分别设有与三棱柱体222表面配合的导向面200。

另外，为运动组件20的运动提供支撑，且便于滑块21在通孔内的来回移动，通孔内设有导向套24，运动组件20设置在导向套24内。如图6所示，导向套24朝向中心杆10的一端端面设有与第一斜面100配合的第三斜面241。导向套24远离中心杆10的一端设有径向向外凸出的环形台阶242，导向套24通过该环形台阶242与通孔内壁配合固定在通孔内。导向套24的内周表面光滑，减小与滑块21之间的摩擦力。

进一步地，又如图1所示，本发明的燃料组件下部锁紧装置还包括固定在管腿1内的支撑架30。中心杆10穿过支撑架30径向定位在管腿1内，通过径向定位限制了中心杆10的周向转动。

具体地，如图1、图7所示，支撑架30对应中心杆10的支撑杆部12固定在管腿1内，支撑杆部12穿过支撑架30径向定位在管腿1内。作为选择，支撑杆部12可以是方形、三角形等多边形杆，支撑架30上设有多边形孔31供支撑杆部12穿过并限制支撑杆部12转动，从而限制了中心杆10的周向转动。

进一步地，如图1所示，为实现中心杆10的往复运动，本发明的燃料组件下部锁紧装置还包括抵接在驱动部11和支撑架30之间的弹性复位件40。中心杆10受压向下移动后，可通过弹性复位件40的回复力驱使中心杆10向上移动复位。弹性复位件40可为压缩弹簧，套设在支撑杆部12上并且两端分别抵接驱动部11和支撑架32。

参考图1、图2及图4，本发明的燃料组件下部锁紧装置对燃料组件下部进行锁紧的锁紧方法可包括以下步骤：

s11、换料装置夹持燃料组件向下堆芯板2方向(向下)移动，燃料组件的管腿1上的运动组件20接触到下堆芯板2后，下堆芯板2对运动组件20产生一个作用力，驱使运动组件20向燃料组件的管腿1内侧运动，如图2中(a)所示。

运动组件20整体运动至锁紧件22的三棱柱体222不凸出管腿1外壁，如图2中(b)所示。

具体地，当运动组件20接触到下堆芯板2后，下堆芯板2对运动组件20产生一个作用力f(径向分力fx、轴向分力fy)，在径向分力fx的作用下，锁紧件22沿自身轴向移动，压缩缓冲弹性件23；当锁紧件22的本体部221端面与缓冲弹性件23与滑块21的槽部211底面接触后，在锁紧件22和缓冲弹性件23的共同作用下，通过滑块21的第二斜面211与第一斜面100的可相对滑动配合，滑块21对第一斜面100产生作用力p(径向分力px、轴向分力py)，py使得中心杆10向下移动，在径向分力fx、px的作用下，锁紧件22向管腿1内侧移动，带动三棱柱体222沿着下堆芯板2上表面的导向面200滑动向通孔内侧移动。

s12、燃料组件在下堆芯板2上插接到位后，因弹性复位件40作用，中心杆10轴向向上移动复位，驱动运动组件20向管腿1外侧运动，运动组件20凸出管腿1外侧并抵接在下堆芯板2一侧，将燃料组件锁紧在下堆芯板2上。

其中，中心杆10向上移动复位时，通过第一斜面100与滑块21第二斜面211的配合驱使滑块21沿通孔向管腿1外侧移动，从而带动整个运动组件20向管腿1外侧移动，锁紧件22的三棱柱体222移动至管腿1外侧并抵接在下堆芯板2的下表面一侧，形成锁紧状态。

当有突发外力作用于锁紧件22上时，锁紧件22和滑块21之间的缓冲弹性件23缓解突发外力对锁紧件22的冲击，保证整个燃料组件在下堆芯板2上的轴向固定。

参考图1、图4及图8，本发明的燃料组件下部锁紧装置对燃料组件下部锁紧后进行解锁可包括以下步骤：

s21、换料装置夹持燃料组件，拖动燃料组件整体向远离下堆芯板2的方向移动(向上移动)，如图8中(a)所示。

s22、下堆芯板2对运动组件20产生一个作用力，驱使运动组件20向燃料组件的管腿1内侧运动，对燃料组件解锁，此时燃料组件可从下堆芯板2上取出，如图8中(b)所示。

具体地，运动组件20通过与第一斜面100的配合沿着第一斜面100向燃料组件的管腿1内侧运动，锁紧件22的三棱柱体222离开下堆芯板2而移动进入管腿1的通孔内，脱离下堆芯板2。

其中，燃料组件上移时，锁紧件22的三棱柱体222与下堆芯板2接触，下堆芯板2对锁紧件22产生作用力q(径向分力qx、轴向分力qy)，径向分力qx使得锁紧件22沿自身轴向移动，压缩缓冲弹性件23；当锁紧件22的本体部221端面与缓冲弹性件23与滑块21的槽部211底面接触后，在锁紧件22和缓冲弹性件23的共同作用下，通过滑块21的第二斜面211与第一斜面100的可相对滑动配合，滑块21对第一斜面100产生作用力r(径向分力rx、轴向分力ry)，ry使得中心杆10向下移动，在径向分力qx、rx的作用下，锁紧件22向管腿1内侧移动，带动三棱柱体222沿着下堆芯板2下表面的导向面200滑动向通孔内侧移动，完成解锁。

当因一些意外工况导致运动组件不能正常运动实现解锁时，可在燃料组件上施加较大的外力，使三棱柱体222从锁紧件22上断裂，实现强制解锁，达到取出燃料组件的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。