CN104269197A - 一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，主要由容器罐、堆顶盖、旋塞及驱动机构、换料机、堆外平移机构、升降机、模拟燃料组件和栅格板组成。旋塞及驱动机构同心安装支撑在堆顶盖上，主要由大旋塞、大旋塞驱动电机、小旋塞、小旋塞驱动电机及中心测量柱组成，小旋塞偏心安装在大旋塞上。该装置可以模拟冷态空气环境下液态重金属反应堆堆内换料系统的换料功能，实现堆芯燃料组件的更换，并对ADS液态重金属反应堆堆内换料系统设计和参数校正提供验证平台。该验证装置运行性能良好，验证了双旋塞分体式中心测量柱堆内换料系统的可行性。

Description

一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置
技术领域
本发明属于加速器驱动次临界核反应堆(简称ADS反应堆)的换料技术领域，具体涉及一种用于铅铋冷却核反应堆堆内换料系统的验证装置。
背景技术
加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven subcritical System,ADS)由质子加速器、液态重金属散裂靶和嬗变核废料次临界堆组成，是一种新型的核废料嬗变、核燃料增殖及能量产生的系统，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。反应堆在运行过程中，随着堆内燃料燃耗的加深，需要在一定的周期更换燃料组件，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。
在液态重金属冷却的ADS反应堆中，由于加速器质子束管以及控制棒导管和温度测量导管的载体中心测量柱的引入，阻碍堆内换料机构的自动换料，无法实现全堆芯换料，给堆内换料系统带来难题。另外，ADS堆内换料系统需要在高温高腐蚀液态铅铋环境中工作，堆内换料部件的控制和检测只能在反应堆外进行，这对堆内换料系统的可靠性和安全性提出了更高要求。为适应新的工况及满足全堆芯换料要求，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，包括大旋塞、小旋塞、中心测量柱、换料机、升降机，其中分体式中心测量柱的两个部分分别固定在大小旋塞下端，用于堆芯测量单元导管的布置和固定。该堆内换料设计方案可以通过大/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。
目前，调研国内外反应堆堆内换料系统相关验证装置，国内只有中国实验快堆针对堆内换料关键设备搭建台架进行验证，但快堆验证装置只是针对堆内换料系统其中两种关键设备本身相关性能进行检验，而没有换料定位系统、组件固定结构以及整个循环换料流程的验证，国外暂没有查阅到相关验证装置。另外，国内外现在还没有能够使用在铅铋环境下的堆内换料系统，且该堆内换料系统设计采用双旋塞分体式中心测量柱创新的设计方案，急需一套专用验证装置，不仅验证堆内换料各个关键部件本身的性能，而且用于检验所设计的ADS堆内换料系统整体性能和特征，验证设计的合理性和安全性，为铅铋冷却核反应堆堆内换料建造提供实验参数。同时，该验证装置可以检验类似反应堆堆内换料关键设备及系统功能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，用以验证ADS反应堆堆内换料系统的设计，该装置能够很好的完成ADS反应堆所有堆芯组件的更换而不影响到ADS系统的正常工作。
为了达到上述目的，本发明所设计的一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，由容器罐、堆顶盖、旋塞及驱动机构、换料机、堆外平移机构、升降机、模拟燃料组件和栅格板组成。
其特征在于：
旋塞及驱动机构同心安装支撑在堆顶盖上，主要由大旋塞、大旋塞驱动电机、小旋塞、小旋塞驱动电机及中心测量柱组成，大小旋塞可绕各自主轴转动，小旋塞偏心安装在大旋塞上，随大旋塞一起转动。换料机偏心固定安装在小旋塞上，随小旋塞一起转动，主要由换料机主轴、换料机抓手、换料机旋转电机、换料机抓手电机及换料机升降电机组成，用于堆内组件的插拔和运输，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的定位。升降机为一支架结构，安装在堆顶盖之上，主轴上安有一旋转槽，该旋转槽可绕主轴旋转及沿主轴上下运动，用于模拟燃料组件进出堆。
堆外平移机构主要由平移机构抓手、平移机构抓手电机、平移导轨、横梁、平移驱动电机、堆外暂存区及支撑台架组成，安装在容器罐侧上方，可以实现组件在堆外的插拔、运输和暂存，栅格板同心安装在容器罐底部，分为上下两层，用于安放模拟燃料组件。
该验证装置容器罐底部边缘平均布置有四个调平机构，确保整体水平安装精度满足要求，有利于装置的调试。容器罐中上部上装有三个法兰视窗方便人员观察和实验，容器罐下部开有一个人孔，方便装置维修人员进出堆内进行操作。栅格板采用双层板设计，上栅格板开设锥孔，下栅格板开圆孔，有利于模拟燃料组件的定位和固定。圆筒状中心测量柱按照1:3截面比例分成两部分，大的部分固定在大旋塞下端，小的部分固定在小旋塞下端，经过大旋塞、小旋塞及换料机三者复合运动，实现换料机抓手到达堆芯上方任意位置。
该验证装置工作流程包括模拟燃料组件出堆与进堆，进堆流程与出堆流程操作步骤刚好相反，出堆流程启动时，首先是定位，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模拟燃料组件正上方；然后是抓取，通过换料机各电机驱动，实现模拟燃料组件的抓取；再是运输，换料机将组件运输至升降机，升降机旋转槽在各电机驱动下将组件提升至堆外，堆外平移机构抓手抓取组件，将其平移至堆外暂存区放置，至此，出堆流程完成。最后是复位，即入堆流程，操作过程与出堆流程相反，将目标模拟燃料组件运回至初始位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)、该验证装置可以模拟冷态空气环境下液态重金属反应堆堆内换料系统的换料功能，实现堆芯所有组件的更换，并对ADS液态重金属反应堆堆内换料系统设计进行验证，根据验证结果校正设计参数。
2)、该验证装置结构简单，操作方便，可直观检验整个系统运行过程是否顺畅。同时该装置还具有广泛适用性，可以检验类似反应堆堆内换料关键设备及系统功能。
附图说明
图1为一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置正视图；
图2为一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置剖视图；
图3为一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置俯视图；
图4为本发明实施例2中定位抓取步骤的结构示意图；
图5为本发明实施例2中堆内运输步骤的结构示意图；
图6为本发明实施例2中堆外运输步骤的结构示意图。
图中附图标记含义为：
1.调平机构(4个)；2.容器罐；3.换料机抓手；4.法兰视窗(3个)；5.换料机主轴；6.护栏；7.堆顶盖；8.旋塞及驱动机构；9.大旋塞驱动电机；10.换料机旋转电机；11.换料机抓手电机；12.换料机；13.换料机升降电机；14.小旋塞；15.小旋塞驱动电机；16.大旋塞；17.平移机构抓手电机；18.平移机构抓手；19.平移导轨；20.横梁；21.平移驱动电机；22.堆外平移机构；23.堆外暂存区；24.支撑台架；25.中心测量柱；26.升降机；27.升降机旋转槽；28.模拟燃料组件；29.人孔；30.栅格板。
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。
实施例1：
如图1～3所示，本实施例说明一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置主要由容器罐2、堆顶盖7、旋塞及驱动机构8、换料机12、堆外平移机构22、升降机26、模拟燃料组件28和栅格板30组成。
旋塞及驱动机构8同心安装支撑在堆顶盖7上，主要由大旋塞16、大旋塞驱动电机9、小旋塞14、小旋塞驱动电机15及中心测量柱25组成，小旋塞14偏心安装在大旋塞16上。
换料机12偏心固定安装在小旋塞14上，主要由换料机主轴5、换料机抓手3、换料机旋转电机10、换料机抓手电机11及换料机升降电机13组成，用于堆内模拟燃料组件28的插拔和运输，通过大旋塞16、小旋塞14及换料机12三者复合运动实现换料机抓手3的定位。升降机26固定安装在堆顶盖5之上，用于模拟燃料组件28进出堆。
堆外平移机构22主要由平移机构抓手18、平移机构抓手电机17、平移导轨19、横梁20、平移驱动电机21、堆外暂存区23及支撑台架24组成，安装在容器罐2侧上方，可以实现模拟燃料组件28堆外暂存。
栅格板30同心安装在容器罐2底部，用于安放堆芯模拟燃料组件28。栅格板30采用双层板设计，上栅格板开设锥孔，下栅格板开圆孔，有利于模拟燃料组件28的定位和固定。
容器罐2底部边缘平均布置四个调平机构1，保证验证装置整体水平安装精度，容器罐2中上部上装有三个法兰视窗4，用于人员观察和实验，容器罐2下部开有一个人孔29，方便装置维修人员进出堆内。
该验证装置可以进行组件的出堆和进堆流程操作。
实施例2：
如图4～6所示，本实施例详细说明一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置工作流程步骤。
定位步骤：选定需要更换出堆的模拟组件后，大旋塞驱动电机9驱动大旋塞16旋转，小旋塞驱动电机15驱动小旋塞14旋转，换料机旋转电机10驱动换料机抓手3绕着换料机主轴5旋转，通过大小旋塞及换料机三者复合运动，实现换料机抓手3定位到目标模拟燃料组件28正上方，此时目标模拟燃料组件28放置在栅格板30上，停在升降机26上端的升降机旋转槽27向下运动至下端；
抓取步骤：换料机升降电机13驱动换料机主轴5向下运动，至模拟燃料组件28上端操作头位置停止，换料机抓手电机11驱动换料机抓手3的张开，换料机升降电机13再驱动换料机主轴5向上运动小段距离，使换料机抓手3卡紧组件操作头，实现模拟燃料组件28的抓取；
堆内运输步骤：抓紧组件后，再通过大小旋塞及换料机三者复合运动，将模拟燃料组件28运至升降机旋转槽27正上方，换料机升降电机13驱动换料机主轴5向下运动，使模拟燃料组件28下端管脚进入升降机旋转槽27内，然后同抓取步骤相反，释放模拟燃料组件28，升降机26电机驱动升降机旋转槽27向上运动，提升模拟燃料组件28至堆顶盖之上，此时，堆外平移机构22平移驱动电机21驱动平移机构抓手18达到升降机旋转槽27正上方；
堆外运输步骤：平移机构抓手18下降至模拟燃料组件28操作头内，堆外平移机构抓手电机17驱动平移机构抓手18张开，然后向上运行小段距离抓紧模拟燃料组件28，把组件提升至一定高度，平移驱动电机21驱动平移机构抓手18带动模拟燃料组件28沿着平移导轨19平移至堆外暂存区23正上方，向下运行使模拟燃料组件28下端管脚进入暂存区孔内，平移机构抓手电机17驱动平移机构抓手18释放模拟燃料组件28，向上运行至初始位置，至此，出料工作流程完成；
复位步骤：及进料工作流程，跟出料工作流程步骤相反，通过各机构配合运行工作，将模拟燃料组件28运回至初始位置，完成出进料，至此，该验证装置整个工作流程完成。

Claims (4)

1.一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，包括调平机构(1)、容器罐(2)、堆顶盖(7)、旋塞及驱动机构(8)、换料机(12)、堆外平移机构(22)、升降机(26)、模拟燃料组件(28)和栅格板(30)，其特征在于：
旋塞及驱动机构(8)同心安装支撑在堆顶盖(7)上，旋塞及驱动机构(8)由大旋塞(16)、大旋塞驱动电机(9)、小旋塞(14)、小旋塞驱动电机(15)及中心测量柱(25)组成，大旋塞驱动电机(9)驱动大旋塞(16)旋转，小旋塞驱动电机(15)驱动小旋塞(14)旋转，小旋塞(14)偏心安装在大旋塞(16)上；
换料机(12)偏心固定安装在小旋塞(14)上，换料机(12)由换料机主轴(5)、换料机抓手(3)、换料机旋转电机(10)、换料机抓手电机(11)及换料机升降电机(13)组成，换料机旋转电机(10)驱动换料机抓手(3)绕着换料机主轴(5)旋转，换料机升降电机(13)驱动换料机主轴(5)上下运动，换料机抓手电机(11)驱动换料机抓手(3)的开合，升降机(26)固定安装在堆顶盖(7)之上；
堆外平移机构(22)由平移机构抓手(18)、平移机构抓手电机(17)、平移导轨(19)、横梁(20)、平移驱动电机(21)、堆外暂存区(23)及支撑台架(24)组成，堆外平移机构(22)安装在容器罐(2)侧上方；平移机构抓手电机(17)驱动平移机构抓手(18)抓取模拟燃料组件(28)，平移驱动电机(21)驱动平移机构抓手(18)带动模拟燃料组件(28)平移至堆外暂存区(30)正上方，平移机构抓手电机(17)驱动平移机构抓手(18)释放模拟燃料组件(28)；
栅格板(30)同心安装在容器罐(2)底部，用于安放堆芯模拟燃料组件(28)。
2.根据权利要求1所述的一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，其特征在于：通过在容器罐(2)底部边缘平均布置四个调平机构(1)，实现验证装置整体水平安装精度，容器罐(2)中上部上装有三个法兰视窗(4)，用于人员观察和实验，容器罐(2)下部开有一个人孔(29)，方便装置维修人员进出堆内。
3.根据权利要求1所述的一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置，其特征在于：栅格板(30)采用双层板设计，上栅格板开设锥孔，下栅格板开圆孔，有利于模拟燃料组件(28)的定位和固定。
4.根据权利要求1所述一种用于液态重金属反应堆堆内换料系统的验证装置的工作方法，其操作步骤特征在于：
堆内定位步骤：选定需要更换的模拟组件后，大旋塞驱动电机(9)驱动大旋塞(16)旋转，小旋塞驱动电机(15)驱动小旋塞(14)旋转，换料机旋转电机(10)驱动换料机抓手(3)绕着换料机主轴(5)旋转，通过大/小旋塞及换料机三者复合运动，实现换料机抓手(3)定位到目标模拟燃料组件(28)正上方；堆内抓取步骤：换料机升降电机(13)驱动换料机主轴(5)上下运动，换料机抓手电机(11)驱动换料机抓手(3)的开合，实现模拟燃料组件(28)抓取；
堆内/外换料步骤：抓紧后，再通过大小旋塞及换料机三者复合运动，将模拟燃料组件(28)运至升降机旋转槽(27)正上方，同抓取步骤相反，释放模拟燃料组件(28)，然后被升降机(26)提升至堆顶盖之上，此时平移机构抓手电机(17)驱动平移机构抓手(18)抓取模拟燃料组件(28)，提升至一定高度，平移驱动电机(21)驱动平移机构抓手(18)带动模拟燃料组件(28)平移至堆外暂存区(30)正上方，平移机构抓手电机(17)驱动平移机构抓手(18)释放模拟燃料组件(28)，出料工作流程完成；
复位步骤：跟出料工作流程步骤相反，通过各机构运行工作，将模拟燃料组件(28)运回至初始位置，完成出进料过程。
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