[发明专利]一种用于铅基反应堆燃料组件的换料抓头机构

说明书

本发明涉及一种用于铅基反应堆燃料组件的换料抓头机构，用于与该铅基反应堆燃料组件的下管座浮力锁紧机构和上管座自锁机构相互配合工作，该换料抓头机构包括：外推筒，用于向下推动自锁勾爪箱以完成解锁；中推筒，同轴滑动设置在外推筒内，用于向下推动勾爪圆环；锁紧勾爪，若干个锁紧勾爪转动设置在中推筒上，用于中推筒向下移动时勾住上管座自锁机构的上管座；内推筒，同轴滑动设置在中推筒内；滚轮箱，用于内推筒上下移动时驱动锁紧勾爪转动。本发明在装料和卸料时采用同一换料抓头机构，其只需三段轴向移动，即可以完成下管座与堆芯栅格板、自锁勾爪箱的锁紧或解锁、锁紧勾爪与上管座的分离或连接，不仅结构简单，而且可靠性强。

技术领域

本发明涉及一种铅基反应堆组件，特别是关于一种能够完成燃料组件在堆芯栅格板上锁紧、解锁以及抓取提升的用于铅基反应堆燃料组件的换料抓头机构。

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。