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1加速器驅動次臨界堆換料系統概述

加速器驅動次臨界反應堆由反應堆本體及其配套設施組成，其中反應堆本體由反應堆容器（主容器、安全容器）、堆頂蓋、堆頂旋塞、堆內構件、堆內換料系統部件、控制棒驅動機構等組成。換料系統主要用于在反應堆堆容器內進行燃料組件的裝卸、更換操作和反應堆堆容器外進行燃料組件的接收、檢查、輸運、清洗和貯存等操作，能夠在反應堆容器完全封閉的情況下，在高溫液態重金屬冷卻劑環境中從堆芯上方完成燃料組件的裝卸操作，且要保證換料機的操作范圍完全覆蓋堆芯的換料需求范圍，換料時通過大小旋塞的復合旋轉運動實現換料機的定位和尋址功能。

1．1換料系統組成

加速器驅動次臨界堆的換料系統由堆內換料系統和堆外換料系統組成。堆內換料系統主要由旋塞系統、換料機、升降機和偏轉桶等運動機構組成。堆外換料系統主要由轉運室、清洗井、新燃料廠房和乏燃料水池等廠房及設備組成。

1．2換料流程簡介

加速器驅動次臨界堆的換料流程包括新燃料組件的入堆流程和乏燃料組件的出堆流程。新燃料組件的入堆流程：首先，新燃料組件輸運裝置從新燃料廠房接收新燃料組件并送至轉運室，轉運室內的轉運機構再將組件送至升降機入口，由升降機將新燃料組件送至堆芯附近的中間轉換位置；其次，小旋塞Ⅱ旋轉帶動偏轉桶與加速器質子束管脫離，大旋塞和小旋塞Ⅰ依次動作，將換料機帶到中間轉換位置夾起組件；最后，大旋塞和小旋塞Ⅰ再依次動作將換料機對準堆芯上的換料位置，換料機動作，將組件插入堆芯。乏燃料組件的出堆流程：首先，小旋塞Ⅱ運動帶動偏轉桶與加速器質子束管脫離，大旋塞和小旋塞Ⅰ依次動作將換料機對準堆芯上的乏燃料組件，換料機動作將乏燃料組件提升出堆芯；其次，大旋塞、小旋塞Ⅰ和換料機依次動作將乏燃料組件送至中間轉換位置，升降機從中間轉換位置接收乏燃料組件并送至轉運室；最后，乏燃料組件經過轉運室到達清洗井、鉛浴井處理之后被乏燃料組件輸運裝置送入乏燃料水池貯存。

2加速器驅動次臨界堆換料系統的關鍵部件設計

2．1旋塞系統

旋塞系統是一個多級旋轉機械組合，安裝在堆頂蓋上，通過各級旋轉機械的運動能夠將安裝在旋塞系統上的換料機定位到任一坐標位置。旋塞系統由大旋塞、小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ組成。大旋塞是一級旋轉裝置，安裝在堆頂蓋的大旋塞安裝孔中，通過超大型止推軸承支撐，大旋塞與堆頂蓋同心，大旋塞中心被加速器質子束管穿過，能夠繞質子束管轉動，轉動間隙采用易熔合金密封。小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ是二級旋轉裝置，分別安裝在大旋塞的小旋塞安裝孔中，支撐在大型止推軸承上，小旋塞Ⅰ和小旋塞Ⅱ均與大旋塞偏心，可以繞自身軸線轉動，且不會觸及加速器質子束管。小旋塞Ⅰ上安裝有換料機，小旋塞Ⅱ連接著偏轉桶。旋塞系統逐級運動，實現偏轉桶的偏移和換料機的定位，各級旋轉機構之間填充有易熔合金，旋轉槽內埋有電加熱絲，需轉動時，電加熱絲通電發熱熔化合金，以實現旋轉功能和密封功能。大旋塞內部填充材料分為三段，按照各段的溫度和屏蔽要求分別填充不同的材料。

2．2換料機

換料機采用偏轉臂樣式，由換料機主軸、換料機手臂和換料機夾具頭組成。換料機安裝在小旋塞Ⅰ上且與小旋塞Ⅰ偏心，可以繞自身軸線轉動。換料機手臂安裝在換料機主軸上，可以沿著導槽做豎直方向上的運動。換料機的夾具頭連接在換料機手臂的遠端，是一個可以夾取和釋放燃料組件的機械手。換料機主軸在小旋塞Ⅰ上的旋轉槽也采用易熔合金密封，換料機的驅動電機安裝在上部。換料機夾具頭采用外抓式抓取燃料組件，夾具能夠與組件安裝操作頭鏈接良好，保證在換料過程中組件的安全。

2．3升降機

升降機是一種支架類型的不可旋動機械，安裝在大旋塞的升降機安裝孔上。升降機的下部是一個組件置換裝置，頂部是一個六角形的伸縮套管，用于組件的出入和調整組件的方位角。升降機伸縮套管驅動裝置安裝在上部，伸縮套管接收燃料組件后，可以帶動燃料組件做豎直方向上的運動，實現組件的出堆和入堆。

2．4偏轉桶

偏轉桶是一個圓柱狀機構，作用是在換料操作之前將堆內阻礙換料的機構偏移出堆芯正上方。偏轉桶從軸線向外、從上到下開有一個彎曲的通槽用于和加速器質子束管脫離，并通過固支臂連接到小旋塞Ⅱ上。控制棒系統安裝在偏轉桶內。偏轉桶下端埋有熱電偶，可以監控堆芯組件的溫度。堆運行時，偏轉桶位于堆芯正上方，其內部的控制棒系統和堆芯測量系統能夠正常工作。換料操作之前，小旋塞Ⅱ旋轉帶動偏轉桶偏移堆芯中心，為換料機換堆芯中心的組件騰出空間。

3加速器驅動次臨界堆換料系統結構設計特點分析

通過對換料系統結構設計進行分析，其主要有以下特點。

3．1換料系統的無障礙性

換料系統工作時，首先，大旋塞在換料過程中始終圍繞著加速器質子束管轉動，質子束管不會對其運動產生影響；其次，換料操作之前，小旋塞Ⅱ旋轉帶動偏轉桶從堆芯的正上方移開，換料操作不會與埋置在偏轉桶內的控制棒系統和堆芯測量系統碰觸；最后，通過大旋塞、小旋塞Ⅰ和換料機的三級曲柄連桿機構運動，組件能夠被放入和換出，換料過程中，所有可動部件逐級運動，相互之間不會碰撞。通過操作過程分析，換料系統運動具有無障礙性特點。

3．2換料系統的全覆蓋性

加速器驅動次臨界堆換料系統可以完成堆芯上所有組件的換料。首先，大旋塞的直徑比堆芯的直徑稍大，在范圍上保證換料系統能夠覆蓋整個堆芯；其次，小旋塞Ⅱ旋轉帶動偏轉桶內部的控制棒系統遠離堆芯上方，換料機能夠換到控制棒組件內圈的組件；再次，采用偏轉臂式換料機，通過換料機的偏轉臂，可以延伸換料的操作范圍，可以覆蓋到堆芯所有需換料范圍；最后，通過開發的旋塞系統運動模型（為了將換料機夾具頭定位到堆芯上某一坐標，大旋塞、小旋塞和換料機手臂依次需要轉動多大的角度，模擬顯示，通過計算可以得到以換料點坐標為參數的換料轉動部件的旋轉角度計算函數，理論上再次證明了換料系統的全覆蓋性。

4結論與展望

本研究設計了一種加速器驅動次臨界堆的換料系統，包括初步結構設計和換料流程設計，解決了加速器驅動次臨界堆質子束管阻礙換料系統運動的難題。針對所設計換料系統中的關鍵部件，如旋塞系統、換料機和升降機等，進行了詳細的結構設計。通過在大旋塞上安裝兩個小旋塞，小旋塞Ⅰ在換料操作前將堆芯上方阻礙換料的機構偏移出堆芯正上方，小旋塞Ⅱ能夠與大旋塞和換料機組成三級曲柄連桿機構完成換料操作，換料系統具有無障礙性。通過開發的旋塞系統運動模型，大旋塞、小旋塞Ⅰ和換料機手臂依次轉動指定的角度，即可將換料機夾具頭對準堆芯上任一坐標位置，實現該位置處的換料，換料系統具有全覆蓋性。下一步工作將開展換料系統關鍵運動部件的數值模擬，如換料機的模態響應分析，對系統設計進行優化，同時搭建換料系統原型驗證裝置開展實驗研究，為加速器驅動次臨界堆換料系統設計及優化提供理論和技術支持。

作者：姚曦宋勇汪衛華柏云清FDS團隊單位：中國科學技術大學中國科學院核能安全技術研究所