CN110600144A - 一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构，包括：堆芯栅格板，其上开设有贯穿孔洞，该孔洞内壁沿周向开有若干个锁紧槽；下管座，用于定位插入堆芯栅格板的孔洞中，下管座在插入堆芯栅格板的区域内沿周向开设有若干个球锚孔；浮动滑筒，同轴设置在下管座内并能够随浮力进行竖直轴向移动，浮动滑筒的下部外壁面上形成有多段滑槽；球锚，若干个球锚分别限制于下管座的球锚孔与浮动滑筒的多段滑槽之间，并仅可沿下管座的球锚孔进行水平轴向移动。本发明通过浮力使球锚在浮动滑筒的多段滑槽推动下，通过下管座通孔被外推卡入堆芯栅格板的锁紧槽，由此球锚以挡销的形式位于堆芯栅格板、下管座及浮动滑筒之间，限制三者相互移动。

Description

一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构

技术领域

本发明涉及一种反应堆燃料组件，特别是关于一种能够完成在堆芯栅格板上锁紧的铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构。

背景技术

铅基反应堆是一种以熔融的铅或铅铋合金为冷却剂的快中子反应堆，其采用闭式燃料循环，可在常压、高温条件下运行。铅基反应堆具有优良的燃料转换能力，可以有效地提高铀、钍资源利用率，提高燃料的可持续性，也可以用来焚烧现有轻水堆乏燃料中的长寿命锕系元素，从而更加清洁地利用核能。此外，铅基反应堆中惰性和低压的冷却剂系统进一步增强了反应堆的安全性。

铅和铅铋合金特点在于：铅和铅铋合金在常温下为固态，铅的熔点为327.5℃，而铅铋合金的熔点125℃，铅基反应堆冷却剂需在高温下熔化流动；铅熔液与空气接触后产生固态物质的氧化铅，氧化铅如果随液态铅流动则会损伤及堵塞反应堆堆内设备；而铅铋合金熔液则需要控制其内部氧气含量以降低对反应堆堆内设备金属材料的腐蚀，同时铅铋合金熔液中的铋元素和中子反应后会产生微量的剧毒物质钋(P-210)。因此铅基反应堆必须保持高度的保温及密封，并采用有效的处理净化系统来确保环境和人员安全，因此与传统的压水堆开盖换料方式不同，铅基反应堆需要堆内换料方式。但堆内换料方式中的燃料组件没有上部压紧固定装置，而是通过设计锁紧机构固定在堆芯栅格板上，换料时需采用换料机来解锁燃料组件的锁紧机构并与燃料组件上端座固定连接，然后将燃料组件提出堆芯。

众所周知，铅的密度为11.34g/cm³，铅铋合金的密度为10.5g/cm³，钢材的密度7.9g/cm³，由于钢材材质的燃料组件整体平均密度小于铅基冷却剂(为便于下文的描述中，对铅熔液和铅铋合金熔液统称为铅基冷却剂)密度，因此当燃料组件浸泡在铅基冷却剂中时，燃料组件会受到向上的浮力，导致无法放置在铅基反应堆内。为了解决这个问题，现有的燃料组件设计中一般采用两种方法：第一种为在燃料组件的上部或下部添加金属钨或贫铀制成的配重，这两种金属的密度大于铅基冷却剂，可以使燃料组件克服浮力插入到堆芯栅格板孔洞中，但添加配重会影响燃料组件内部的流道设计；第二种为在燃料组件的下管座上设计锁紧机构，当下管座插入与堆芯栅格板孔洞后，启动锁紧机构，使燃料组件固定在堆芯栅格板上。由于单纯依靠锁紧机构使燃料组件固定在堆芯栅格板上，铅基冷却剂的浮力会对于锁紧机构产生较大载荷，降低锁紧机构的可靠性，因此当前的国内外设计中是将配重和锁紧机构同时使用，使燃料组件稳定固定在堆芯栅格板上。由于燃料组件的锁紧机构大多数为动部件，而铅基冷却剂环境复杂，不仅对燃料组件的腐蚀和冲蚀作用较大，而且氧化铅和腐蚀产物会堵塞动部件。因此，锁紧机构的简洁性和可靠性非常重要，必须采用适当的锁紧机构来确保正常工况和其它工况下燃料组件有效地固定在堆芯栅格板上并实现灵活换料。

目前，已知的铅基反应堆内的燃料组件采用锁紧机构的设计方案为欧盟的XADS方案。在该方案中，在燃料组件的下管座内部安装簧片式锁紧机构，通过抽出燃料组件中心处的一根燃料棒，然后在内部放置一根推杆，推杆上部与上管座传动机构连接，下部与下管座内簧片卡头连接。上管座在换料机抓头推动机构作用下，使得推杆可以上下移动，推杆驱使簧片卡头弹性变形伸出燃料组件的下管座外套管，然后簧片卡头和堆芯栅格板下表面卡合，由此实现燃料组件的锁紧。但这种簧片式锁紧机构的簧片卡头比较薄，难以承受铅基冷却剂长期的腐蚀和冲蚀作用，同时在铅基反应堆的高辐照环境下，该簧片式锁紧机构的材料会发生辐照脆化，因此簧片式锁紧机构极容易发生断裂，该方案的可靠性有待评估。

已知的铅基反应堆内的燃料组件采用锁紧机构的设计方案还有类似于自动圆珠笔的笔芯升降方案。具体地说，在锁紧状态下，锁紧机构借助自身的浮力卡合在圆周齿槽中；在进行解锁时，提升机构将燃料组件向下推，使锁死滑块沿着圆周齿槽滑动至解锁位置，由此实现解锁。虽然这种锁紧机构利用了液态铅铋合金的浮力较大的特点，但并没有实现真正意义上的燃料组件锁紧，燃料组件仍然存在上下运动的可能性，尤其在地震工况下极易出现燃料组件的上下窜动，致使锁死滑块滑向解锁位置，导致燃料组件解锁。

如上所述，现有的燃料组件难以承受铅基反应堆内的液态铅铋冷却剂的高温、高腐蚀、堆内高辐照环境以及地震载荷的综合作用。因此，设计开发性能更可靠、操作更简便以及更充分地利用液态铅铋合金的高浮力特性的燃料组件是很有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构，该下管座浮力锁紧机构能够轻松实现在堆芯栅格板上锁紧的功能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构，包括：堆芯栅格板，所述堆芯栅格板上开设有贯穿孔洞，所述堆芯栅格板的孔洞内壁沿周向开有若干个锁紧槽；下管座，为筒形壳体并形成所述下管座浮力锁紧机构的外边界，用于定位插入所述堆芯栅格板的孔洞中，所述下管座在插入所述堆芯栅格板的区域内沿周向开设有若干个球锚孔；浮动滑筒，为变截面筒体，同轴设置在所述下管座内并能够随浮力进行竖直轴向移动，所述浮动滑筒的下部外壁面上形成有多段滑槽；球锚，若干个所述球锚分别限制于所述下管座的球锚孔与所述浮动滑筒的多段滑槽之间，并仅可沿所述下管座的球锚孔进行水平轴向移动。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，若干个所述球锚孔沿所述下管座的环向等角度间距排布，每一所述球锚孔的直径略大于所述球锚的直径，所述球锚的直径约为所述下管座壁厚的三倍，所述球锚孔的外侧边缘呈向内的弧形收口，且所述弧形收口的弧度与所述球锚的表面相契合，以防止所述球锚沿球锚孔进行水平轴向移动时掉出所述下管座。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，在所述下管座的外壁面上形成有限位凸台，且所述限位凸台的直径大于所述堆芯栅格板的孔洞直径，用于约束所述下管座向下的插入深度。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，该下管座浮力锁紧机构还包括推杆，若干根推杆的下端与浮动滑筒连接。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，所述浮动滑筒的内腔为等直径通孔，且所述浮动滑筒的上部和下部壁面较厚，中部壁面较薄。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，所述浮动滑筒的上端面开有环向等角度间距排布的若干个螺纹口，用于与所述推杆下端连接。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，所述多段滑槽自上而下分为5段：第一段为第一垂直滑槽，第二段为坡面滑槽，第三段为过渡滑槽，第四段为第二垂直滑槽，第五段为球面槽，且所述球面槽的直径等于所述球锚的直径。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，在所述下管座的内壁面上形成有导向支撑环，所述导向支撑环的内壁面与所述浮动滑筒的上部外壁面相接触并形成滑动副，以对所述浮动滑筒形成径向支撑。

所述的下管座浮力锁紧机构，优选的，在位于所述浮动滑筒下方的所述下管座的内壁面上还形成有所述下部挡环，用于限制所述浮动滑筒竖直向下移动距离。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明充分利用了液态铅铋合金密度大的特点，在利用浮力及下管座浮力锁紧机构使得燃料组件牢固地锁紧在堆芯栅格板上，比现有技术中的圆周齿槽结构更加安全可靠。2、本发明采用球锚浮力锁紧的方法，通过浮力使球锚在浮动滑筒的多段滑槽推动下，通过下管座通孔被外推卡入堆芯栅格板的锁紧槽，由此球锚以挡销的形式位于堆芯栅格板、下管座及浮动滑筒之间，限制三者相互移动；同时，浮动滑筒采用多段滑槽的设计，能够用于防止球锚受堆芯栅格板的孔洞壁面挤压后缩进下管座球锚孔的现象。与传统的利用弹性变形的簧片式锁紧机构相比，本发明能够更有效地避免由于腐蚀、冲蚀作用以及结构材料的辐照脆化作用而造成的锁紧失效。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明球锚与球锚孔之间的约束关系示意图；

图3为本发明浮动滑筒的轴测图；

图4为本发明浮动滑筒的剖视图；

图5为本发明未放入铅基反应堆堆芯时的状态图；

图6为本发明放入铅基反应堆堆芯过程中的状态图；

图7为本发明放入铅基反应堆堆芯后的状态图；

图8为本发明下管座被锁紧在堆芯栅格板上时的状态图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本发明提供的铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构，包括：堆芯栅格板5，堆芯栅格板5上开设有贯穿孔洞，堆芯栅格板5的孔洞内壁沿周向开有若干个锁紧槽；下管座2，为筒形壳体并形成下管座浮力锁紧机构100的外边界，用于定位插入堆芯栅格板5的孔洞中，下管座2在插入堆芯栅格板5的区域内沿周向开设有若干个球锚孔；浮动滑筒7，为变截面筒体，同轴设置在下管座2内并能够随浮力进行竖直轴向移动，浮动滑筒7的下部外壁面上形成有多段滑槽；球锚6，若干个球锚6分别限制于下管座2的球锚孔与浮动滑筒7的多段滑槽之间，并仅可沿下管座2的球锚孔进行水平轴向移动。由此，下管座浮力锁紧机构100通过浮力使浮动滑筒7上移将球锚6部分推出下管座2的球锚孔，嵌入到堆芯栅格板5的锁紧槽内，使球锚6以挡销的方式限制下管座2与堆芯栅格板5相互位移，从而将下管座2锁紧在堆芯栅格板5上。

在上述实施例中，优选的，如图1、图2所示，若干个球锚孔沿下管座2的环向等角度间距排布，每一球锚孔的直径略大于球锚6的直径，球锚6的直径约为下管座2壁厚的三倍，球锚孔的外侧边缘呈向内的弧形收口，且弧形收口的弧度与球锚6的表面相契合，可防止球锚6沿球锚孔进行水平轴向移动时掉出下管座2。

在上述实施例中，优选的，在下管座2的外壁面上形成有限位凸台，且该限位凸台的直径大于堆芯栅格板5的孔洞直径，用于约束下管座2向下的插入深度。

在上述实施例中，优选的，该下管座浮力锁紧机构还包括推杆1，若干根推杆1的下端与浮动滑筒7连接。

在上述实施例中，优选的，如图3、图4所示，浮动滑筒7的内腔为等直径通孔，且浮动滑筒7的上部和下部壁面较厚，中部壁面较薄。

在上述实施例中，优选的，浮动滑筒7的上端面开有环向等角度间距排布的若干个螺纹口，用于与推杆1下端连接。

在上述实施例中，优选的，多段滑槽自上而下分为5段：第一段为第一垂直滑槽Ⅰ，第二段为坡面滑槽Ⅱ，第三段为过渡滑槽Ⅲ，第四段为第二垂直滑槽Ⅳ，第五段为球面槽Ⅴ，且该球面槽Ⅴ的直径等于球锚6的直径。

在上述实施例中，优选的，如图2所示，在下管座2的内壁面上形成有导向支撑环3，导向支撑环3的内壁面与浮动滑筒7的上部外壁面相接触并形成滑动副，以对浮动滑筒7形成径向支撑。

在上述实施例中，优选的，在位于浮动滑筒7下方的下管座2的内壁面上还形成有下部挡环4，用于限制浮动滑筒7竖直向下移动距离。

本发明在使用时，下管座浮力锁紧机构100的浮力锁紧过程如下：

当燃料组件未放入铅基反应堆堆芯时，浮动滑筒7因受重力作用，会向下移动至下部挡环4的上表面，然后通过换料抓头机构300传递一个轴向向下的推力，再经推杆1传递给浮动滑筒7，将浮动滑筒7压紧在下部挡环4上，其推力大于浮动滑筒7和推杆1在铅基冷却剂中所受到的浮力。而此时球锚6位于浮动滑筒7的第一垂直滑槽Ⅰ和下管座2的球锚孔组成的空间内，该空间可以使球锚6收缩在下管座2的球锚孔内，使球锚6不承受任何外载(该状态如图5所示)。

当燃料组件插入铅基反应堆堆芯时，由于燃料组件内部有配重，可使燃料组件沉入铅基冷却剂中，而浮动滑筒7由于有之前施加向下的推力，不会向上浮动。当下管座2插入堆芯栅格板5的孔洞一定深度后，下管座2外部的限位凸台卡在堆芯栅格板5的孔洞上表面，阻止下管座2继续下沉，同时球锚6也与堆芯栅格板5上的锁紧槽位置相对应。此时，换料抓头机构300撤去推力，浮动滑筒7在铅基冷却剂的浮力作用下，开始向上浮动，当球锚6与多段滑槽的坡面滑槽Ⅱ接触时，坡面滑槽Ⅱ逐渐给球锚6施加一个向外的推力，球锚6从缩进球锚孔的状态逐渐开始被推出球锚孔(该状态如图6所示)。当多段滑槽的过渡滑槽Ⅲ平稳滑过球锚6后，球锚6与多段滑槽的第二垂直滑槽Ⅳ接触，此时球锚6的外侧部分被顶出球锚孔，该外侧部分嵌入到堆芯栅格板5上的锁紧槽内(该状态如图7所示)。

浮动滑筒7继续向上浮动，当球锚6与多段滑槽的球面槽Ⅴ接触时，球锚6卡住浮动滑筒7，使其不再向上浮动。此时，球锚6贯穿下管座2的球锚孔，周向受到球锚孔壁面的约束，若球锚6沿着球锚孔轴向外移，则会受到球锚孔的外侧边缘弧形收口的阻碍。当球锚6受到堆芯栅格板5上的锁紧槽壁面挤压时，会沿着下管座2的球锚孔轴向缩进，将一个垂直挤压力作用在多段滑槽的第二垂直滑槽Ⅳ上，而不会对浮动滑筒7产生任何向上或向下的推力，由于导向支撑环3的约束作用，浮动滑筒7不会在径向有任何移动，因此球锚6沿着球锚孔的轴向缩进也被约束。在浮力作用下，多段滑槽的球面槽Ⅴ始终保持给球锚6下表面一个向上的推力，故而球锚6的位置受浮力锁定，该位置的球锚6位于堆芯栅格板5的孔洞、下管座2的球锚孔和浮动滑筒7之间，以挡销的形式限制了堆芯栅格板5与下管座2之间的相互移动，使得下管座2因浮力而锁紧在堆芯栅格板5上(该状态如图8所示)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，包括：

堆芯栅格板(5)，所述堆芯栅格板(5)上开设有贯穿孔洞，所述堆芯栅格板(5)的孔洞内壁沿周向开有若干个锁紧槽；

下管座(2)，为筒形壳体并形成所述下管座浮力锁紧机构(100)的外边界，用于定位插入所述堆芯栅格板(5)的孔洞中，所述下管座(2)在插入所述堆芯栅格板(5)的区域内沿周向开设有若干个球锚孔；

浮动滑筒(7)，为变截面筒体，同轴设置在所述下管座(2)内并能够随浮力进行竖直轴向移动，所述浮动滑筒(7)的下部外壁面上形成有多段滑槽；

球锚(6)，若干个所述球锚(6)分别限制于所述下管座(2)的球锚孔与所述浮动滑筒(7)的多段滑槽之间，并仅可沿所述下管座(2)的球锚孔进行水平轴向移动。

2.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，若干个所述球锚孔沿所述下管座(2)的环向等角度间距排布，每一所述球锚孔的直径略大于所述球锚(6)的直径，所述球锚(6)的直径约为所述下管座(2)壁厚的三倍，所述球锚孔的外侧边缘呈向内的弧形收口，且所述弧形收口的弧度与所述球锚(6)的表面相契合，以防止所述球锚(6)沿球锚孔进行水平轴向移动时掉出所述下管座(2)。

3.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，在所述下管座(2)的外壁面上形成有限位凸台，且所述限位凸台的直径大于所述堆芯栅格板(5)的孔洞直径，用于约束所述下管座(2)向下的插入深度。

4.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，该下管座浮力锁紧机构还包括推杆(1)，若干根推杆(1)的下端与浮动滑筒(7)连接。

5.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，所述浮动滑筒(7)的内腔为等直径通孔，且所述浮动滑筒(7)的上部和下部壁面较厚，中部壁面较薄。

6.根据权利要求4所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，所述浮动滑筒(7)的上端面开有环向等角度间距排布的若干个螺纹口，用于与所述推杆(1)下端连接。

7.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，所述多段滑槽自上而下分为5段：第一段为第一垂直滑槽(Ⅰ)，第二段为坡面滑槽(Ⅱ)，第三段为过渡滑槽(Ⅲ)，第四段为第二垂直滑槽(Ⅳ)，第五段为球面槽(Ⅴ)，且所述球面槽(Ⅴ)的直径等于所述球锚(6)的直径。

8.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，在所述下管座(2)的内壁面上形成有导向支撑环(3)，所述导向支撑环(3)的内壁面与所述浮动滑筒(7)的上部外壁面相接触并形成滑动副，以对所述浮动滑筒(7)形成径向支撑。

9.根据权利要求1所述的下管座浮力锁紧机构，其特征在于，在位于所述浮动滑筒(7)下方的所述下管座(2)的内壁面上还形成有所述下部挡环(4)，用于限制所述浮动滑筒(7)竖直向下移动距离。