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换料系统的概念设计与分析

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1加速器驱动次临界堆换料系统概述

加速器驱动次临界反应堆由反应堆本体及其配套设施组成,其中反应堆本体由反应堆容器(主容器、安全容器)、堆顶盖、堆顶旋塞、堆内构件、堆内换料系统部件、控制棒驱动机构等组成。换料系统主要用于在反应堆堆容器内进行燃料组件的装卸、更换操作和反应堆堆容器外进行燃料组件的接收、检查、输运、清洗和贮存等操作,能够在反应堆容器完全封闭的情况下,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,且要保证换料机的操作范围完全覆盖堆芯的换料需求范围,换料时通过大小旋塞的复合旋转运动实现换料机的定位和寻址功能。

1.1换料系统组成

加速器驱动次临界堆的换料系统由堆内换料系统和堆外换料系统组成。堆内换料系统主要由旋塞系统、换料机、升降机和偏转桶等运动机构组成。堆外换料系统主要由转运室、清洗井、新燃料厂房和乏燃料水池等厂房及设备组成。

1.2换料流程简介

加速器驱动次临界堆的换料流程包括新燃料组件的入堆流程和乏燃料组件的出堆流程。新燃料组件的入堆流程:首先,新燃料组件输运装置从新燃料厂房接收新燃料组件并送至转运室,转运室内的转运机构再将组件送至升降机入口,由升降机将新燃料组件送至堆芯附近的中间转换位置;其次,小旋塞Ⅱ旋转带动偏转桶与加速器质子束管脱离,大旋塞和小旋塞Ⅰ依次动作,将换料机带到中间转换位置夹起组件;最后,大旋塞和小旋塞Ⅰ再依次动作将换料机对准堆芯上的换料位置,换料机动作,将组件插入堆芯。乏燃料组件的出堆流程:首先,小旋塞Ⅱ运动带动偏转桶与加速器质子束管脱离,大旋塞和小旋塞Ⅰ依次动作将换料机对准堆芯上的乏燃料组件,换料机动作将乏燃料组件提升出堆芯;其次,大旋塞、小旋塞Ⅰ和换料机依次动作将乏燃料组件送至中间转换位置,升降机从中间转换位置接收乏燃料组件并送至转运室;最后,乏燃料组件经过转运室到达清洗井、铅浴井处理之后被乏燃料组件输运装置送入乏燃料水池贮存。

2加速器驱动次临界堆换料系统的关键部件设计

2.1旋塞系统

旋塞系统是一个多级旋转机械组合,安装在堆顶盖上,通过各级旋转机械的运动能够将安装在旋塞系统上的换料机定位到任一坐标位置。旋塞系统由大旋塞、小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ组成。大旋塞是一级旋转装置,安装在堆顶盖的大旋塞安装孔中,通过超大型止推轴承支撑,大旋塞与堆顶盖同心,大旋塞中心被加速器质子束管穿过,能够绕质子束管转动,转动间隙采用易熔合金密封。小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ是二级旋转装置,分别安装在大旋塞的小旋塞安装孔中,支撑在大型止推轴承上,小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ均与大旋塞偏心,可以绕自身轴线转动,且不会触及加速器质子束管。小旋塞Ⅰ上安装有换料机,小旋塞Ⅱ连接着偏转桶。旋塞系统逐级运动,实现偏转桶的偏移和换料机的定位,各级旋转机构之间填充有易熔合金,旋转槽内埋有电加热丝,需转动时,电加热丝通电发热熔化合金,以实现旋转功能和密封功能。大旋塞内部填充材料分为三段,按照各段的温度和屏蔽要求分别填充不同的材料。

2.2换料机

换料机采用偏转臂样式,由换料机主轴、换料机手臂和换料机夹具头组成。换料机安装在小旋塞Ⅰ上且与小旋塞Ⅰ偏心,可以绕自身轴线转动。换料机手臂安装在换料机主轴上,可以沿着导槽做竖直方向上的运动。换料机的夹具头连接在换料机手臂的远端,是一个可以夹取和释放燃料组件的机械手。换料机主轴在小旋塞Ⅰ上的旋转槽也采用易熔合金密封,换料机的驱动电机安装在上部。换料机夹具头采用外抓式抓取燃料组件,夹具能够与组件安装操作头链接良好,保证在换料过程中组件的安全。

2.3升降机

升降机是一种支架类型的不可旋动机械,安装在大旋塞的升降机安装孔上。升降机的下部是一个组件置换装置,顶部是一个六角形的伸缩套管,用于组件的出入和调整组件的方位角。升降机伸缩套管驱动装置安装在上部,伸缩套管接收燃料组件后,可以带动燃料组件做竖直方向上的运动,实现组件的出堆和入堆。

2.4偏转桶

偏转桶是一个圆柱状机构,作用是在换料操作之前将堆内阻碍换料的机构偏移出堆芯正上方。偏转桶从轴线向外、从上到下开有一个弯曲的通槽用于和加速器质子束管脱离,并通过固支臂连接到小旋塞Ⅱ上。控制棒系统安装在偏转桶内。偏转桶下端埋有热电偶,可以监控堆芯组件的温度。堆运行时,偏转桶位于堆芯正上方,其内部的控制棒系统和堆芯测量系统能够正常工作。换料操作之前,小旋塞Ⅱ旋转带动偏转桶偏移堆芯中心,为换料机换堆芯中心的组件腾出空间。

3加速器驱动次临界堆换料系统结构设计特点分析

通过对换料系统结构设计进行分析,其主要有以下特点。

3.1换料系统的无障碍性

换料系统工作时,首先,大旋塞在换料过程中始终围绕着加速器质子束管转动,质子束管不会对其运动产生影响;其次,换料操作之前,小旋塞Ⅱ旋转带动偏转桶从堆芯的正上方移开,换料操作不会与埋置在偏转桶内的控制棒系统和堆芯测量系统碰触;最后,通过大旋塞、小旋塞Ⅰ和换料机的三级曲柄连杆机构运动,组件能够被放入和换出,换料过程中,所有可动部件逐级运动,相互之间不会碰撞。通过操作过程分析,换料系统运动具有无障碍性特点。

3.2换料系统的全覆盖性

加速器驱动次临界堆换料系统可以完成堆芯上所有组件的换料。首先,大旋塞的直径比堆芯的直径稍大,在范围上保证换料系统能够覆盖整个堆芯;其次,小旋塞Ⅱ旋转带动偏转桶内部的控制棒系统远离堆芯上方,换料机能够换到控制棒组件内圈的组件;再次,采用偏转臂式换料机,通过换料机的偏转臂,可以延伸换料的操作范围,可以覆盖到堆芯所有需换料范围;最后,通过开发的旋塞系统运动模型(为了将换料机夹具头定位到堆芯上某一坐标,大旋塞、小旋塞和换料机手臂依次需要转动多大的角度,模拟显示,通过计算可以得到以换料点坐标为参数的换料转动部件的旋转角度计算函数,理论上再次证明了换料系统的全覆盖性。

4结论与展望

本研究设计了一种加速器驱动次临界堆的换料系统,包括初步结构设计和换料流程设计,解决了加速器驱动次临界堆质子束管阻碍换料系统运动的难题。针对所设计换料系统中的关键部件,如旋塞系统、换料机和升降机等,进行了详细的结构设计。通过在大旋塞上安装两个小旋塞,小旋塞Ⅰ在换料操作前将堆芯上方阻碍换料的机构偏移出堆芯正上方,小旋塞Ⅱ能够与大旋塞和换料机组成三级曲柄连杆机构完成换料操作,换料系统具有无障碍性。通过开发的旋塞系统运动模型,大旋塞、小旋塞Ⅰ和换料机手臂依次转动指定的角度,即可将换料机夹具头对准堆芯上任一坐标位置,实现该位置处的换料,换料系统具有全覆盖性。下一步工作将开展换料系统关键运动部件的数值模拟,如换料机的模态响应分析,对系统设计进行优化,同时搭建换料系统原型验证装置开展实验研究,为加速器驱动次临界堆换料系统设计及优化提供理论和技术支持。

作者:姚曦宋勇汪卫华柏云清FDS团队单位:中国科学技术大学中国科学院核能安全技术研究所

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