CN104051035B

CN104051035B - 一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置

Info

Publication number: CN104051035B
Application number: CN201410312735.8A
Authority: CN
Inventors: 曾梅花; 宋勇; 高理富
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104051035A

Abstract

本发明公开了一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，主要由驱动机构、上旋转装置、下旋转装置、滚珠丝杠、滚珠导轨、连接件、中间管、中间轴组成，驱动机构包括L杆升降电机、L杆旋转电机及抓手驱动电机。下旋转装置主要由抓手部件、梯形丝杠、梯形丝杠轴承、L杆、L杆轴1、L杆轴2、链轮、圆环、及旋转座组成。抓手部件由卡爪、定位销、盖板、卡爪座及滑动销组成。上旋转装置主要由L杆旋转电机、抓手驱动电机、抓手电机支座、同步带轮、上旋转支座、上旋转轴、中间管连接套及双段万向节等组成，提供中间管与中间轴的驱动力矩，上旋转装置与下旋转装置通过中间管相连接。该装置安全可靠、操作简洁方便，已成功应用于实际工作中。

Description

一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置

技术领域

本发明属于加速器驱动次临界堆(简称ADS反应堆)的换料技术领域，具体涉及一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置。

背景技术

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven subcritical System,ADS)是一种先进的核废料嬗变、核燃料增殖及能量产生的系统，主要由质子加速器、散裂靶和次临界堆组成，其基本原理是利用加速器产生的质子轰击重金属散裂靶而产生散裂中子，驱动反应堆中的核燃料发生核反应，实现嬗变处理核废料、增殖核燃料、生产能量等功能。ADS反应堆同钠冷快堆一样，有一个换料周期，换料装置能够在反应堆容器完全密封的情况下，在高温液态重金属冷却剂环境中从堆芯上方完成燃料组件的装卸操作。所以，需要一套用于ADS反应堆堆芯组件的更换装置，既能将新组件装入堆芯，又能将堆芯中的乏组件卸出，完成换料循环操作。

在液态金属冷却的ADS反应堆中，堆芯组件在反应堆容器内，且浸没在液态重金属中。在液态重金属上方覆盖有惰性气体(氩气)，反应堆容器内具有强放射性。将堆芯组件放置到反应堆容器内，或者将其从反应堆容器内取出要在高温、高腐蚀、高放射性、空间密闭的氩气和液态铅铋环境下作业。抓取装置在保证安全、可靠抓取或者放下堆芯组件时，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。目前，中国快堆采用的装置为外抓式，世界上尚没有实际运用到ADS反应堆的换料装置，同时，由于ADS反应堆中心散裂靶的引入，导致靶周围中心测量柱下方的堆芯组件使用常规“I”型的换料装置无法实现更换。另外考虑我国ADS反应堆堆芯组件形状及高温高腐蚀环境特殊性，设计在传统抓具上创新，可更换到中心测量柱下方的堆芯组件。机械抓手端部分采用纯机械设计，控制部件在装置顶端，抓取功能靠机械相互作用实现，提高了装置的可靠性及安全性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，能够很好的完成ADS反应堆的组件更换而不影响到ADS其他系统的正常工作。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，主要由驱动机构、上旋转装置、下旋转装置、滚珠丝杠、滚珠导轨、连接件、中间管、中间轴组成，驱动机构包括L杆升降电机、L杆旋转电机及抓手驱动电机。其中，

下旋转装置主要由抓手部件、梯形丝杠、梯形丝杠轴承、L杆、第一L杆轴、第二L杆轴、链轮、圆环、及旋转座组成。抓手部件由卡爪、定位销、盖板、卡爪座及滑动销组成。

L杆的升降电机通过驱动滚珠丝杠旋转，控制L杆的升降。L杆旋转电机通过同步带控制L杆旋转的角度，使换料机的L杆停留在合适的角度。抓手驱动电机通过中间轴将力矩向下传递，并通过链条将力矩传递给梯形丝杠，控制卡爪的开合。

上旋转装置主要由L杆旋转电机、抓手驱动电机、抓手电机支座、同步带轮、上旋转支座、上旋转轴一、中间管连接套及双段万向节等组成，主要功能是提供中间管与中间轴的驱动力矩，L杆旋转电机通过同步带驱动上旋转轴一旋转，而中间管通过中间管连接套与上旋转轴一相连接，抓手驱动电机的驱动力矩传递给上旋转轴二，再通过双段万向节与中间轴相连接。

上旋转支座左侧的孔内安装滚珠丝杠螺母，由升降电机驱动上旋转支座上下运动。上旋转装置与下旋转装置通过中间管相连接，由滚珠丝杠驱动，沿着滚珠导轨上下滑动。

中间管呈圆管形结构，套在中间轴上可以上下滑动，其中中间管下端与L杆上支撑固定，旋转座安装在滚珠导轨的滑块上，随中间管一起上下滑动。

中间轴下端与L杆轴相连，中间轴将抓手电机的驱动传递下来，其链轮通过链条传递给L杆轴2链轮，L杆轴2与梯形丝杠相连，梯形丝杠通过螺栓与拉头相连，滑动销限制拉头转动使其上下运动，实现卡爪的开合。

卡爪座连接在L杆下端，其下边缘分部三根定位销，连接固定卡爪的盖板，三个卡爪通过插销均匀安装在盖板内部，卡爪与定位销成60°角分布。

本更换装置采用“L”型主轴结构设计，主轴通过中间管、第一L杆轴、链轮、第二L杆轴和梯形丝杠依次连接而成。抓手能够到达堆芯中心附近位置，实现全堆芯组件更换，另外，更换装置需要在高温高腐蚀环境中长时间运行，机械抓手端部分采用纯机械设计，控制部件安放在装置顶端，抓取功能靠机械相互作用实现，这样确保控制系统及部件不受恶劣环境影响，提高了装置的可靠性和安全性。

本更换装置已经成功应用于ADS反应堆堆内换料系统验证装置，运行稳定，性能良好，满足堆内换料要求。

附图说明

图1为一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置机构原理图；

图2为一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置整体正视图；

图3为一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置整体侧视图；

图4为一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置下旋转装置剖视图；

图5为一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置上旋转装置剖视图。

图中附图标记含义为：

I.驱动机构；II.减速器；III.联轴器；IV.滚珠丝杠；V.滚珠导轨；VI.连接件；VII.上旋转装置；VIII.中间管；IX.中间轴；X.下旋转装置；

1.定位销；2.卡爪；3.盖板；4.卡爪座；5.滑动销；6.拉头；7.梯形丝杠螺母；8.轴承座；9.梯形丝杠轴承；10.梯形丝杠；11.联轴器；12.抓手连接座；13.深沟球轴承6202(一对)；14.L杆；15.第二L杆轴；16.L杆下盖；17.链轮(SP25B16)；18.L杆上盖；19.旋转座；20.L杆上支撑；21.深沟球轴承61907(两对)；22.第一L杆轴；23.深沟球轴承6202(一对)；24.L杆下支撑；25.圆环；26.圆螺母M33×1.5；27.400W旋转电机；28.1:5行星减速器；29.上旋转电机支架；30.同步带轮；31.免键轴套；32.抓手电机支座；33.1:5行星减速器；34.400W抓手驱动电机；35.圆螺母JLNK12；36.轴承止动螺母；37.角接触轴承7002AC；38.同步带轮；39.圆锥滚子轴承32908；40.上旋转支座；41.上旋转轴一；42.上旋转轴二；43.圆螺母M39×1.5；44.深沟球轴承61902；45.中间管连接套；46.双段万向节；47.抓手部件。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更换的理解本发明，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。

实施例1：

该装置机构的工作原理如图1所示，L杆的升降电机通过驱动滚珠丝杠旋转，控制L杆的升降。抓手驱动电机通过中间轴将力矩向下传递，并通过链条将力矩传递给梯形丝杠，控制卡爪的开合。

装置总体结构如图2、图3所示，该装置通过上下导轨连接处凸台安装在液态金属(比如液态铅铋)ADS反应堆的支座上。该装置在安装座和支座的连接处是密封的，堆芯组件浸没在热的液态金属中。

本装置主要驱动机构XI、上旋转装置VII、下旋转装置X、滚珠丝杠IV、滚珠导轨V、连接件VI、中间管VIII、中间轴IX组成，驱动机构XI包括L杆14升降电机I、L杆14旋转电机27及抓手驱动电机34；下旋转装置X主要由抓手部件47、拉头6、梯形丝杠10、梯形丝杠轴承9、L杆14、第一L杆轴22、第二L杆轴15、链轮17、圆环25、及旋转座19组成；抓手部件47由卡爪2、定位销1、盖板3、卡爪座4及滑动销5组成。

装置采用的“L”型结构通过中间管VIII、第一L杆轴22、链轮17、第二L杆轴15和梯形丝杠10依次连接而成。

上旋转装置VII主要由L杆旋转电机27、抓手驱动电机34、抓手电机支座32、同步带轮30、上旋转支座40、上旋转轴一41、中间管连接套45及双段万向节46等组成，主要功能是提供中间管VIII与中间轴IX的驱动力矩，L杆旋转电机27通过同步带30驱动上旋转轴41旋转，而中间管通过中间管连接套45与上旋转轴41连接；抓手驱动电机34的驱动力矩传递给上旋转轴二42，再通过双段万向节46与中间轴IX相连接；上旋转支座40左侧的孔内安装滚珠丝杠螺母，由升降电机I驱动上旋转支座40上下运动。

实施例2：

本装置功能实现具体是：

L杆的升降电机I通过驱动滚珠丝杠IV旋转，控制L杆14的升降。L杆旋转电机27通过同步带轮30控制L杆14旋转的角度，使换料机的L杆14停留在合适的角度。当中间管VIII上升时，带动整个下旋转装置X上升。当中间管VIII旋转时，则驱动L杆14旋转。中间轴IX将抓手电机34的驱动传递下来，与第一L杆轴22相连接。由第一L杆轴22上的链轮通过链条将力矩传递给链轮17。第二L杆轴15与梯形丝杠10相连接。梯形丝杠螺母7与拉头6通过螺栓连接。当梯形丝杠10旋转时，由于滑动销5限制了拉头6的转动，使拉头6在梯形丝杠10的驱动下上下运动，进而控制卡爪2的开合。

1)初始状态

在该状态下，装置中间管VIII到达指定位置，下旋转装置X处于中间管VIII顶端，L杆14通过旋转座19安装在滚珠导轨V上。抓手部件47中卡爪2处于闭合状态，拉头6内梯形丝杠螺母7处于梯形丝杠10上端。详细结构如图4、图5所示。

2)步骤一

第二L杆轴15通过旋转到达具体需要更换组件的正上方。首先，旋转驱动电机27工作，通过同步带轮30驱动上旋转轴41转动，中间管VIII通过中间管连接套45与上旋转轴一41连接，实现旋转。当中间管VIII旋转时，则驱动L杆14旋转，第二L杆轴15则可以到达指定位置。

3)步骤二

卡爪2到达需要更换组件上端操作头位置。升降驱动电机I工作，驱动滚珠丝杠IV旋转，使L杆14下降到合适位置，卡爪2处于组件操作头内部。

4)步骤三

卡爪2通过组件操作头卡紧组件。抓手驱动电机34工作，其驱动力矩传递给上旋转轴二42，再通过双段万向节46与中间轴IX相连接。中间轴IX将抓手驱动电机34的驱动传递下来，与第一L杆轴22相连接。第一L杆轴22上的链轮通过链条将力矩传递给链轮17。第二L杆轴15与梯形丝杠10相连接。梯形丝杠螺母7与拉头6通过螺栓连接。梯形丝杠10向下旋转，由于滑动销5限制拉头6的转动，使拉头6在梯形丝杠10的驱动向下运动，卡爪2张开。通过步骤二反向操作提升L杆14，使卡爪2上升卡紧组件操作头，此时，定位销1同时抵住操作头对应部位，防止连接松散导致组件在运输过程中晃动。

5)步骤四

提升组件，使组件脱离堆芯。此步骤与步骤二操作相反，升降驱动电机I工作，驱动滚珠丝杠IV旋转，使L杆14上升到滚珠丝杠IV顶端位置，此过程卡爪2卡紧组件操作头，上升速度缓慢。

6)步骤五

将组件运送至堆内升降机指定位置正上方，此过程将借助其他装置将更换装置转到固定位置。更换装置到达指定位置后，需旋转L杆14，使第二L杆轴15通过旋转到达堆内升降机安放组件正中心上方，此过程与步骤一相同。

7)步骤六

组件到达放置位置，此步骤与步骤二相似。卡爪2到达需要放置位置正上方后，升降驱动电机I工作，驱动滚珠丝杠IV旋转，使L杆14下降到合适位置。

8)步骤七

释放组件，首先升降驱动电机I带动L杆14向下移动微小距离，使卡爪2脱离操作头卡槽，然后与步骤三相反操作。抓手驱动电机34工作，使拉头6在梯形丝杠10的驱动下向上运动，卡爪2闭合，升降驱动电机I工作，带动L杆14向上升到达上端。

9)步骤八

装置回到初始状态，此步骤与步骤五操作相同，至此，完成组件卸出工作，从堆内升降机把组件装入堆芯，操作步骤与组件卸出流程相反，操作方式相同。

Claims

1.一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，其特征在于：主要由驱动机构(XI)、上旋转装置(VII)、下旋转装置(X)、滚珠丝杠(IV)、滚珠导轨(V)、连接件(VI)、中间管(VIII)、中间轴(IX)组成，驱动机构(XI)包括L杆(14)升降电机(I)、L杆(14)旋转电机(27)及抓手驱动电机(34)；下旋转装置(X)主要由抓手部件(47)、拉头(6)、梯形丝杠(10)、梯形丝杠轴承(9)、L杆(14)、第一L杆轴(22)、第二L杆轴(15)、链轮(17)、圆环(25)、及旋转座(19)组成；抓手部件(47)由卡爪(2)、定位销(1)、盖板(3)、卡爪座(4)及滑动销(5)组成；

L杆升降电机(I)通过驱动滚珠丝杠(IV)旋转，控制L杆(14)的升降；L杆旋转电机(27)通过同步带轮(30)控制L杆(14)旋转的角度，使L杆(14)停留在合适的角度；抓手驱动电机(34)通过中间轴(IX)将力矩向下传递，并通过链条将力矩传递给梯形丝杠(10)，带动拉头(6)上下运动，从而控制卡爪(2)的开合；

上旋转装置(VII)主要由抓手电机支座(32)、同步带轮(30)、上旋转支座(40)、上旋转轴一(41)、中间管连接套(45)及双段万向节(46)组成，用于提供中间管(VIII)与中间轴(IX)的驱动力矩，L杆旋转电机(27)通过同步带轮(30)驱动上旋转轴一(41)旋转，而中间管通过中间管连接套(45)与上旋转轴一(41)连接；抓手驱动电机(34)的驱动力矩传递给上旋转轴二(42)，再通过双段万向节(46)与中间轴(IX)相连接；上旋转支座(40)左侧的孔内安装滚珠丝杠螺母，由升降电机(I)驱动上旋转支座(40)上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，其特征在于：装置采用的“L”型结构通过中间管(VIII)、第一L杆轴(22)、链轮(17)、第二L杆轴(15)和梯形丝杠(10)依次连接而成。

3.根据权利要求1所述的一种用于液态重金属反应堆堆芯组件更换装置，其特征在于：卡爪(2)的开合，通过中间轴(IX)下端与第一L杆轴(22)相连，中间轴(IX)将抓手驱动电机(34)的驱动传递下来，然后第一L杆轴(22)链轮(17)通过链条传递给第二L杆轴(15)链轮，第二L杆轴(15)与梯形丝杠(10)相连，梯形丝杠(10)通过螺栓与拉头(6)相连，滑动销(5)限制拉头(6)转动使其上下运动实现。