一种聚变裂变包层换料系统及其换料方法与流程

本发明涉及核聚变裂变反应堆设的设备技术领域，特别涉及一种聚变裂变包层换料系统及其换料方法。

背景技术：

聚变-裂变混合堆研究始于20世纪50年代，最初的想法是使用聚变中子来从可裂变核素（238u，232th）增殖易裂变核素（239pu，233u）和在其过程中放大聚变能量输出。70-80年代美国、日本和土耳其进行过较多的混合堆研究工作，聚变驱动方式包括磁镜、托卡马克磁约束、激光惯性约束等，包层有铀/钚增殖抑制裂变包层、快裂变铀/钍包层，但都没有超出简单的概念研究范畴。90年代末至今，美国混合堆研究的主要目的是处理裂变堆核废料，如佐治亚工学院（gnl）提出的由托卡马克驱动的次临界快嬗变堆，圣地亚国家实验室（snl）提出的基于z-箍缩的嬗变堆“in-zinerator”概念，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（llnl）提出的激光惯性约束聚变-裂变电站life。这些方案中包层设计都较为复杂，每个模块由一个带有冷却剂导管的扇形底板和一组子模块构成，每个子模块都是一个缩微版压力壳，压力壳焊接在底板上，内装燃料棒，靠近等离子体的内层是快裂变区，外层是氚增殖区。包层由很多个缩微版压力壳组成并进行焊接，使得装配工作量很大、可靠性降低；整个包层的管汇复杂，流阻大，换热效率低；包层模块的换料操作也很复杂，由于模块众多，使得总体的换料时间增加，如有部分模块结构或功能缺陷，需逐一排查所有模块，增加了换料难度，其它混合堆次临界包层换料系统及方法均有上述缺点。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的技术目的在于提供一种能够为模块化的聚变裂变包层模块快速换料，降低换料难度的包层换料系统，本发明还提供一种能够快速、方便换料的聚变裂变包层换料系统换料方法。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的聚变裂变包层换料系统，包括：径向轨道、环形轨道、径向小车及环向小车，所述径向小车安装在径向轨道上，所述径向轨道设于环形轨道的径向方向，并延伸至环形轨道处，所述径向小车上安装有环向小车，所述环向小车能够从径向小车切换到环形轨道上作环向移动；还包括用于安装最后一块包层模块的一体式包层安装部及能够在径向轨道上移动的焊接小车，所述包层安装部包括能够在径向轨道移动的支撑小车及固定安装在支撑小车上的包层模块。

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述径向轨道包括沿环向轨道半径方向上安装的径向下轨道及径向上轨道，径向上轨道通过支架安装在径向下轨道的上方；径向下轨道至少包括两条轨道，径向下轨道两侧设有齿面向外的齿轨,径向上轨道包括平行安装的左轨道及右轨道，左轨道与右轨道位于同一平面上，左轨道或右轨道上设有导向齿，导向齿位于左轨道与右轨道之间，左轨道与右轨道之间设有与导向齿配合安装的第一齿轮.

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述径向小车包括扇形的车体，所述车体的底部安装有滚轮，所述车体两侧安装有与齿轨配合安装的第四齿轮，所述第四齿轮配合安装有驱动电机，所述车体的顶面设有分齿条。

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述环向小车包括“e”型的车架体、液压缸及滚动轮组，所述车架体为扇形，车架体的底部安装有至少两排能够同向移动的滚动轮组，所述车架体顶面安装有至少两排液压缸；包层模块的底部设有至少两排支撑座，所述支撑座能够卡入车架体“e”型的缺口。

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述车架体的外圆弧端设有纵向安装的支撑部，所述支撑部的顶部安装有与右导轨或左导轨配合的滑板，所述滑板设于左轨道与右轨道之间，滑板的顶部设有能够与左轨道上导向齿配合的第一齿轮，第一齿轮转动，牵动环向小车沿径向轨道移动；所述车架体的外圆弧端及内圆弧端分别安装有第二齿轮及第三齿轮，所述径向小车的顶面安装有与第三齿轮配合的分齿条，第一齿轮、所述第二齿轮及第三齿轮上均设有驱动电机；所述支撑部上设有焊接、切割管道的机械手臂，所述焊接小车包括底面设有与径向轨道配合安装的滚轮的底座及设于底座上并安装有机械手臂的支架。

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述环形轨道包括下环齿轨，所述下环齿轨包括圆形的内齿轨及安装在内齿轨外的外齿轨，所述内轨齿与外齿轨同圆心，外齿轨的齿面向内，内轨齿的齿面向外，所述外齿轨在安装径向轨道处设有开口，所述分齿条的长度刚好与外齿轨上的开口相同，所述分齿条到内齿轨的距离与外齿轨到内齿轨的距离相同；

所述上环齿轨中心线与下环齿轨的中心线重合并安装在下环齿轨的上方，上环齿轨(202)的齿面向外；

所述第二齿轮（404）到第三齿轮之间安装距离为当环向小车上的第二齿轮与内齿轨啮合时，第三齿轮与外齿轨啮合，并且此时，第一齿轮与上环齿轨啮合；

分齿条的半径与外齿轨的半径相同。

本发明的聚变裂变包层换料系统，所述下环齿轨安装在基座上，所述基座上设有扇形的基座开口，环向小车与径向小车均能驶入基座开口内，并且环向小车能够刚好填满基座开口，环向小车的顶面与基座顶面位于同平面，所述基座开口与外齿轨上的开口方向相同，所述径向下轨道伸入到基座开口内；所述环向小车的支撑部上安装有水箱，水箱上安装有预留管道，所述基座上设有定位块，所述环向小车上设有与定位块配合的定位凸块。

本发明的聚变裂变包层换料系统的装拆方法，聚变裂变包层包括若干相同的包层模块，包括安装包层模块的步骤及拆卸包层模块的步骤，安装包层模块：

a、将环向小车安装在径向小车上，将包层模块安装在环向小车上；

b、使径向小车沿径向轨道向环形轨道移动到设定位置，使得环向小车与环形轨道配合，并使得环向小车沿环形轨道移动到安装各包层模块的位置；

c、在环向小车移动到安装包层模块的位置后，卸下包层模块将包层模块安装到位；

d、控制环向小车沿环形轨道回移回到径向小车上，控制径向小车回到径向轨道上的起始点；

e、重复a、b、c及d步骤，直到安装完倒数第二块包层模块，然后卸下径向小车，将包层安装部安装在径向轨道上，使得包层安装部移动到最后一块包层模块的安装位置；

拆卸包层模块：拆卸包层模块与安装包层模块过程相反，f、将安装的最后一块包层模块先拆除，通过径向轨道运送出去，再通过将安装有环向小车的径向小车安装在径向轨道上；

g、将径向小车移动到基座开口的位置，在移动环向小车至每块包层模块的下方，控制液压缸顶起包层模块，再移动环向小车至径向小车上，移动径向小车到径向轨道的外端，拆下包层模块；

h、重复g步骤，全部拆除包层模块。

进一步地，在步骤b中，使径向小车沿径向轨道向环形轨道移动到设定位置为移动径向小车至分齿条与外齿轨相接，第二齿轮与内齿轨啮合，分齿条与第三齿轮啮合。

进一步地，在步骤e中重复a、b、c及d步骤，直到安装完倒数第二块包层模块，在安装各包层模块中，第一块至倒数第二块包层模块的安装为：每安装好一块包层模块，通过机械手臂将包层模块中的管道与外部循环管道焊接；然后卸下径向小车，将包层安装部安装在径向轨道上，使得包层安装部移动到最后一块包层模块的安装位置，然后在径向轨道上安装焊接小车，使焊接小车移动到包层安装部外侧并将包层安装部中的管道与外部循环管道焊接，使得整个包层系统安装完成；

在拆卸第一块包层模块前，先使焊接小车移动到包层安装部外侧并通过机械手臂将包层安装部上的管道与外部循环管道切割开，在拆卸后续的包层模块前，均利用安装在环向小车上的机械手臂将包层模块上的管道与外部循环管道切割开，并且在拆卸每一包层时，将水箱上的预留管道与包层模块上的预留管道对接，实现拆卸过程中的余热排出。

本发明的有益效果是:

通过具有径向轨道、环形轨道、径向小车及环向小车的换料系统及这种系统的换料方法，能够将包层模块通过径向小车及环向小车依次安装在基座上，从而形成聚变裂变反应堆的包层，并且在包层模块达到一定的使用期限并冷却一段时间后，需要对包层模块径向拆卸更换，通过几乎与安装方式相反的步骤，能够快速、安全地拆卸更换包层模块，相比于传统的将多个微缩版压力壳组成并进行焊接的安装方式，这种换料系统能够有利于包层模块的装配与更换，相比于传统的装配工序，这种装配方式工作量低，能够有效减少换料时间，降低换料难度，装配形成的包层模块可靠性高，装配的管道较为简单，流阻小。

附图说明

图1是聚变裂变包层换料系统结构图；

图2是径向小车与环向小车结构图；

图3是基座的俯视图；

图4是图1中a的放大图；

图5是图2中b的放大图；

图6是图1中c的放大图；

图7是图1中d的放大图；

图8是焊接小车的结构图；

图9是包层安装部结构图；

图10是图2中e的放大图；

图中：1.径向轨道101.径向下轨道102.齿轨103.左轨道104.右轨道105.导向齿106.第一齿轮107.径向上轨道2.环向轨道201.下环齿轨202.上环齿轨203.内齿轨204.外齿轨3.径向小车301.车体302.第四齿轮303.分齿条4.环向小车401.车架体402.液压缸403.滚动轮组404.第二齿轮405.第三齿轮406.支撑部407.滑板408.水箱409.机械手臂410.螺纹杆5.基座501.基座开口502.定位块503.定位凸块6.包层安装部7.焊接小车701.底座702.支架8.包层模块801.支撑座9.支撑小车。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10所示的聚变裂变包层的换料系统，聚变裂变包层包括18瓣包层模块，每块包层模块均相同并且为独立结构，所述包层模块拼接包裹在聚变靶室外而形成360°的包层系统，聚变裂变包层换料系统包括径向轨道1、环形轨道2、径向小车3及环向小车4，所述径向小车3安装在径向轨道1上，所述径向轨道1设于环形轨道2的径向方向，并延伸至环形轨道2处，所述径向小车3上安装有环向小车4，所述环向小车4能够从径向小车3切换到环形轨道2上作环向移动；还包括用于安装最后一块包层模块8的一体式包层安装部6及能够在径向轨道1上移动的焊接小车7，所述包层安装部6包括能够在径向轨道1移动的支撑小车9及固定安装在支撑小车9上的包层模块，从而在安装最后一块包层模块时，能够直接将包层安装部6推入到安装区域。

所述径向轨道1包括沿环向轨道2半径方向上安装的径向下轨道101及径向上轨道107，由于包层模块为纵向安装在环向小车4上，因此需要上下两条轨道，从而保证安装包层模块的安全性，并且能够提高小车移动的速度，径向上轨道107通过支架安装在径向下轨道101的上方；径向下轨道101至少包括两条轨道，从而能够保证径向小车在径向轨道上可靠移动，径向下轨道101两侧设有齿面向外的齿轨102,径向上轨道107包括平行安装的左轨道103及右轨道104，左轨道103与右轨道104位于同一平面上，左轨道103或右轨道104上设有导向齿105，导向齿105位于左轨道103与右轨道104之间，左轨道103与右轨道104之间设有与导向齿105配合安装的第一齿轮106，导向齿105配配合安装有驱动电机，从而能够为径向小车在径向轨道1上移动提供驱动力，并且导向齿105位于左轨道103与右轨道104之间，能够避免径向小车向左右倾斜。

所述径向小车3包括扇形的车体301，所述车体301的底部安装有滚轮，所述车体两侧安装有与齿轨102配合安装的第四齿轮302，所述第四齿轮配合安装有驱动电机，从而能够通过电机驱动第四齿轮302，从而能够使得第四齿轮转动，并且与齿轨102配合，从而为径向小车在径向导轨上移动提供驱动力，使得径向小车沿径向轨道移动，将环向小车运送到设定的位置，所述车体301的顶面设有分齿条303。

所述环向小车4包括“e”型的车架体401、液压缸402及滚动轮组403，所述车架体401为扇形，车架体401的底部安装有至少两排能够同向移动的滚动轮组403，并且每排滚动轮组403的安装为以外齿轨204的中心为圆心，形成向外扩散的圆弧滚动轮组，每排滚动轮组的圆心相同，所述车架体401顶面安装有至少两排液压缸402，液压缸402的布置方式可与滚动轮组的布置相同，位于每排滚动轮组的上方；包层模块8的底部设有至少两排支撑座801，支撑座801的高度高于环向小车的高度，所述支撑座801能够卡入车架体401“e”型的缺口，从而能够便于将包层模块安装在环向小车上，同时，也便于将包层模块从环向小车上卸下，环向小车移动到包层模块的底部，通过将液压缸402顶起包层模块，从而使得包层模块脱离地面，从而快速将包层模块安装在环向小车上，当需要将包层模块从环向小车上卸下时，控制液压缸收缩，从而使得包层模块的支撑座顶在地面或基座的顶面，从而使得环向小车能够从包层模块的底部撤出。

所述车架体401的外圆弧端设有纵向安装的支撑部406，所述支撑部406的顶部安装有与右导轨或左导轨配合的滑板407，所述滑板407设于左轨道103与右轨道104之间，滑板407的顶部设有能够与左轨道103上导向齿105配合的第一齿轮106，第一齿轮106转动，牵动环向小车4沿径向轨道1移动；所述车架体401的外圆弧端及内圆弧端分别安装有第二齿轮404及第三齿轮405，所述径向小车3的顶面安装有与第三齿轮405配合的分齿条303，第一齿轮106、所述第二齿轮404及第三齿轮405上均设有驱动电机；所述支撑部406上设有焊接、切割管道的机械手臂，所述焊接小车7包括底面设有与径向轨道配合安装的滚轮的底座701及设于底座上并安装有机械手臂的支架702；所述支撑部406上设有竖直安装的螺纹杆410，所述螺纹杆上安装有焊接、切割管道的机械手臂409。

所述环形轨道2包括下环齿轨201，所述下环齿轨201包括圆形的内齿轨203及安装在内齿轨203外的外齿轨204，所述内轨齿203与外齿轨204同圆心，外齿轨204的齿面向内，内轨齿203的齿面向外，所述外齿轨204在安装径向轨道1处设有开口，所述分齿条303的长度刚好与外齿轨204上的开口相同，所述分齿条303到内齿轨203的距离与外齿轨204到内齿轨203的距离相同；

所述上环齿轨202中心线与下环齿轨201的中心线重合并安装在下环齿轨201的上方，上环齿轨202的齿面向外；

所述第二齿轮404到第三齿轮405之间安装距离为当环向小车上的第二齿轮404与内齿轨203啮合时，第三齿轮405与外齿轨204啮合，并且此时，第一齿轮106与上环齿轨202啮合，第一齿轮106与、第二齿轮404、第三齿轮405同步转动从而能够将包层模块运送到指定位置；分齿条的半径与外齿轨204的半径相同。

所述下环齿轨201安装在基座5上，所述基座5上设有扇形的基座开口501，环向小车4与径向小车3均能驶入基座开口501内，并且环向小车4能够刚好填满基座开口501，环向小车4的顶面与基座5顶面位于同平面，所述基座开口501与外齿轨204上的开口方向相同，并且开口大小相同，所述径向下轨道101伸入到基座开口501内；所述环向小车3的支撑部406上安装有水箱408，水箱上安装有预留管道，包层模块的燃料模块上安装有预留管道，在拆卸包层模块时，关闭包层模块与总管道的阀门后，水箱上的余留管道与包层模块上的预留管道对接，水箱内设有水泵，水泵驱动水箱内的水进入模块内部循环冷却管路，包层模块冷却，所述基座5上设有定位块502，所述环向小车上设有与定位块配合的定位凸块503，定位块502安装在外齿轨204的外围，每一块包层模块对应安装有一块定位块，第一块定位块502的半径至最后一块定位块502的半径逐渐增加，而在安装对应的包层模块时，定位凸块的长度刚好被相应的定位块502挡住，从而对包层模块精确安装。

本发明的聚变裂变包层换料系统的装拆方法，聚变裂变包层包括若干相同的包层模块，包括安装包层模块的步骤及拆卸包层模块的步骤，安装包层模块：

a、将环向小车4安装在径向小车3上，将包层模块3安装在环向小车上，环向小车上的液压缸将包层模块顶起，避免包层模块与地面接触，将环向小车上安装有对应长度的定位凸块；

b、使径向小车3沿径向轨道1向环形轨道2移动到设定位置，使得环向小车4与环形轨道2配合，并使得环向小车4沿环形轨道2移动到安装各包层模块的位置；在b步骤中，使径向小车3沿径向轨道1向环形轨道2移动到设定位置为将径向小车移动到基座开口501处，即移动径向小车至分齿条303与外齿轨203相接，从而使得第一齿轨与上环齿轨啮合，第二齿轮404与内齿轨204啮合，分齿条303与第三齿轮405啮合；

c、控制第一齿轮、第二齿轮及第三齿轮同步转动，从而驱动环向小车移动，在环向小车4移动到安装包层模块的位置后，定位块与定位凸块契合，并通过传感器对齿轮驱动电机发送反馈信号，使驱动电机停止运动，从而给包层模块的安装定位，每个包层模块均采用这种定位方式，依靠被屏蔽层上的定位块确保定位精度，不会存在累计误差，增加了定位的精确性，然后控制液压缸下降，从而使得包层模块的支撑座支撑在基座5上，此时模块上的管道与系统总管下的分管（即包层模块的外部管道）基本对齐，并且控制机械手臂，实现管道的对齐与定位，焊接机器人对管道进行焊接，然后控制第一齿轮、第二齿轮及第三齿轮转动，使得环向小车从包层模块底部撤出；

d、控制环向小车4沿环形轨道2回移回到径向小车3上，控制径向小车3回到径向轨道1上的起始点，将下一块包层模块装在环向小车4上，进行下一块包层模块的安装；

e、重复a、b、c及d步骤，直到安装完倒数第二块包层模块3，然后卸下径向小车3，将包层安装部6安装在径向轨道1上，使得包层安装部6移动到最后一块包层模块3的安装位置，即基座5的基座开口位置，然后在径向轨道1上安装焊接小车7，使焊接小车移动到包层安装部6外侧，并控制机械手臂将包层安装部6中的管道与外部循环管道焊接，然后再撤出焊接小车，再通过安装在内外屏蔽层之间的撑杆通过液压杆驱动伸出，顶住包层模块，从而提供给包层模块水平及竖直方向上的压力，使得整个包层系统安装完成；

拆卸包层模块：

拆卸包层模块与安装包层模块过程相反，f、将安装的最后一块包层模块先拆除，即先使焊接小车移动到包层安装部6外侧并通过机械手臂将包层安装部6上的管道与外部循环管道切割开，然后使得包层安装部6移动到径向导轨的最外端，将包层安装部6卸下，再通过将安装有环向小车4的径向小车3安装在径向轨道1上；包层模块拆卸时，包层模块中的裂变产物会持续衰变发热，是拆卸过程中的模块温度不断上升，产生一些安全隐患，并且会增加拆卸难度，因此，在拆卸包层模块时，关闭包层模块与总管道的阀门后，包层模块预留管道与环向小车上的水箱上的预留管道连接，水泵驱动水箱内水进入包层模块内部对包层模块循环冷却，环向小车将模块拆卸运出后，抽出水箱热水并注入冷水为拆卸下一个模块做准备。冷却水箱呈长方体状，并安装在环向小车背面，水箱伸出两根预留管道。

g、将径向小车3移动到基座开口501的位置，在移动环向小车4至每块包层模块的下方，控制液压缸顶起包层模块，再移动环向小车4至径向小车（3）上，移动径向小车3到径向轨道1的外端，拆下包层模块8；

h、重复g步骤，全部拆除包层模块。

综上，本发明的聚变裂变包层换料系统及其换料方法，克服小模块管汇复杂，流阻大，换热效率低，装配工作量大，焊接可靠性低以及换料效率低，换料过程复杂的缺点；减小了管内流体阻力，增大了单个包层模块的流量，提高了z箍缩驱动聚变-裂变混合堆次临界能源包层的热交换能力；降低了包层模块的安装难度，有利于后期的检修、维护以及换料。

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。