阅读说明：本技术 一种铅基反应堆燃料组件锁紧结构 (Lead-based reactor fuel assembly locking structure ) 是由 刘璐 顾龙 朱彦雷 盛鑫 王大伟 李金阳 彭天骥 张璐 于锐 唐延泽 秦长平 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铅基反应堆燃料组件锁紧结构,包括：上环腔筒,其上沿与堆顶盖的下底面固定连接；上支撑板,固定连接在上环腔筒的下沿,其上形成有若干燃料组件第一定位孔,用于与上管座封头轴向接触；上支撑导向板,固定连接在上支撑板的下底面,其上形成有若干燃料组件第二定位孔,用于与上管座封头径向接触；下环腔筒,设置在上环腔筒下方且与上支撑板和上支撑导向板固定连接；上栅格板,固定连接在下环腔筒的下沿,其上形成有若干燃料组件第三定位孔,用于与上管座套管径向接触；钩爪,主体为等截面杆件,钩爪旋转后固定在上支撑导向板,完成自锁动作。本发明在保证反应堆安全性和经济性的前提下,利用重金属浮力固定燃料组件,有效避免燃料组件弹出事故。(The invention relates to a locking structure of a lead-based reactor fuel assembly, which comprises: the upper edge of the upper ring cavity cylinder is fixedly connected with the lower bottom surface of the pile top cover; the upper supporting plate is fixedly connected to the lower edge of the upper ring cavity barrel, and a plurality of first fuel assembly positioning holes are formed in the upper supporting plate and are used for being in axial contact with the upper pipe base seal head; the upper support guide plate is fixedly connected to the lower bottom surface of the upper support plate, and a plurality of second fuel assembly positioning holes are formed in the upper support guide plate and used for radially contacting with the upper pipe base sealing head; the lower ring cavity cylinder is arranged below the upper ring cavity cylinder and is fixedly connected with the upper support plate and the upper support guide plate; the upper grid plate is fixedly connected to the lower edge of the lower annular cavity cylinder, and a plurality of third fuel assembly positioning holes are formed in the upper grid plate and used for radially contacting with the upper pipe seat sleeve; the main body of the hook claw is a rod piece with a uniform cross section, and the hook claw is fixed on the upper supporting guide plate after rotating to complete self-locking action. According to the invention, on the premise of ensuring the safety and economy of the reactor, the fuel assembly is fixed by using the heavy metal buoyancy, so that the fuel assembly popping accident is effectively avoided.)

一种铅基反应堆燃料组件锁紧结构

技术领域

本发明涉及一种铅基反应堆燃料组件结构，特别是关于一种利用重金属冷却剂浮力作用固定燃料组件的铅基反应堆燃料组件锁紧结构。

背景技术

铅基反应堆是一种以熔融的金属铅或铅铋合金为冷却剂的快中子反应堆。铅基反应堆中子能量高、能谱硬，相比常规的压水反应堆具有较高的钍铀反应率，从而提高燃料的利用率，优化燃料利用的可持续性。同时铅基反应堆具有较好的嬗变能力，可以焚烧压水堆乏燃料中的次锕系元素，进而推进清洁核能发展。

在铅基反应堆运行时，铅的密度为11.34g/cm³，铅铋合金的密度为10.5g/cm³，而钢材的密度为7.9g/cm³，钢材材质的燃料组件平均密度小于铅基冷却剂密度，因此当燃料组件浸没在重金属铅基冷却剂中时，燃料组件受到的浮力大于重力，其合力竖直向上，因此要解决燃料组件在重金属浮力作用下的轴向固定问题。

目前铅基堆燃料组件的固定方案都是以克服组件浮力为出发点，具体实施方案有两种，分别是增加配重和设计组件锁紧机构。第一种方法为在燃料棒束中增加配重，配重的材料通常为金属钨和贫铀，增加配重使得组件自身的重力大于浮力，但该种方法大幅增加组件长度，降低堆芯功率密度，降低铅基快堆的经济性。另一种方法为设计燃料组件锁紧机构，利用锁紧机构限制组件上浮，锁紧部件承受的应力较大，而通常的锁紧机构中都有长杆结构，推动杆件完成锁紧动作，但由于铅基冷却剂的腐蚀和冲蚀作用以及堆芯高辐照环境，细长结构会产生变形问题，会造成锁紧部件失效。基于以上克服浮力的思想固定燃料组件的方案，燃料组件的经济性和安全性不能得兼。

综上所述，现有的铅基燃料组件固定方法难以承受堆内高腐蚀及高辐照环境，因此在保证反应堆安全性和经济性的前提下，巧妙利用重金属冷却剂浮力，设计合理的铅基堆芯及燃料组件结构尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用重金属冷却剂浮力作用固定燃料组件的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，该铅基反应堆燃料组件结构能够有效实现燃料组件在堆芯上支撑结构中固定及自锁的功能。

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锁紧结构，包括：上环腔筒，其上沿与堆顶盖的下底面固定连接；上支撑板，固定连接在所述上环腔筒的下沿，其上形成有若干与燃料组件的上管座封头上部外形相契合的第一定位孔，用于与所述上管座封头轴向接触，实现对所述上管座封头的轴向定位；上支撑导向板，固定连接在所述上支撑板的下底面，其上形成有若干与所述上管座封头下部外形相契合的第二定位孔，用于与所述上管座封头径向接触，实现对所述上管座封头的径向定位；下环腔筒，设置在所述上环腔筒下方且所述下环腔筒的上沿同时与所述上支撑板和上支撑导向板固定连接；上栅格板，固定连接在所述下环腔筒的下沿，其上形成有若干与所述燃料组件的上管座套管外形相契合的第三定位孔，用于与所述上管座套管径向接触，实现对所述上管座套管的径向定位。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述上管座封头为上部呈圆台形、下部呈圆柱形的回转壳体，在每一所述上管座封头内均设置有能够在所述燃料组件上浮时与所述上支撑板和上支撑导向板共同配合完成自锁的锁紧机构。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述锁紧机构包括：浮漂，其内部中空；钩爪转动部件，固定连接在所述浮漂的下底面；钩爪，与所述钩爪转动部件转动连接，以使所述钩爪可在一定角度范围内旋转，且所述钩爪被配置成在所述浮漂上浮时完成对所述钩爪转动部件的径向固定；操作头，通过销轴转动连接在所述上管座封头内，以使所述操作头可在一定角度范围内旋转，且所述操作头被配置成在初始状态下与所述浮漂相接触以限制所述浮漂向上移动，在所述燃料组件上浮时与所述浮漂分离以解除对所述浮漂向上移动的限制。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述钩爪的主体为等截面杆件，所述钩爪的头部为一侧贴焊锚筋，所述钩爪的头部被限制在开设于所述上管座封头下部的矩形通孔内，且所述钩爪的头部被配置成在初始状态下未伸出至所述上管座封头的壳体外，但在所述浮漂上浮时伸出至所述上管座封头的壳体外；所述钩爪的尾部为尖劈，楔入所述钩爪转动部件的转动轴处。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述操作头的主体为等厚度杆件，所述操作头的头部为与所述操作头的主体成一定角度的椭圆形弯钩，所述操作头的头部被限制在开设于所述上管座封头上部的矩形通孔内，且所述操作头的头部被配置成在初始状态下伸出至所述上管座封头的壳体外；所述操作头的尾部为与所述操作头的主体成一定角度的长方形弯钩，且所述操作头的尾部被配置成在初始状态下与所述浮漂的上表面相接触，以限制所述浮漂向上移动。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，在所述上管座封头的内部设置有向下延伸的定位柱，所述定位柱的下端面位置处为所述浮漂向上移动的最大限制，并在该位置处使所述钩爪转动至水平位置。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述上支撑板的上表面形成有环状的上柱台，且所述上环腔筒下部向内延伸的内端面与所述上支撑板的上柱台外侧面固定；同时，所述上支撑板的下底面形成有环状的下柱台，且所述上支撑板的下柱台外侧面直径等于所述上环腔筒的外端面直径。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述上支撑导向板设置在所述上支撑板的下柱台限制的范围内，且所述上支撑导向板的外侧面与所述上支撑板的下柱台内侧面固定，所述上支撑导向板的上表面与所述上支撑板的下底面固定；所述下环腔筒的上沿同时与所述上支撑板的下柱台下端面和所述上支撑导向板的下底面固定，且所述下环腔筒的外径等于所述上支撑板的下柱台外侧面直径，所述下环腔筒的内径等于所述上栅格板的外径。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述上环腔筒和下环腔筒上均沿周向开设有若干通孔，所述上管座套管的上部为等直径圆管，所述上管座套管的下部为直径渐大的变直径圆管，所述上管座套管上沿周向开设有若干椭圆形通孔。

所述的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，优选地，所述上支撑板上的第一定位孔为与所述上管座封头的上部外形相契合的变直径通孔，所述上支撑导向板上的第二定位孔为与所述上管座封头的下部外形相契合的等直径通孔，所述上栅格板上的第三定位孔为与所述上管座套管的外形相契合的变直径通孔。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于重金属铅基冷却剂密度大的特点，充分利用燃料组件浮力大于重力，所受合力竖直向上这一性质，打破常规燃料组件布置方案，将燃料组件向上***至堆芯上栅格结构中，利用向上的合力完成燃料组件固定，没有通过增加配重的方式平衡浮力，避免因增加组件长度而造成的组件经济性下降的后果。2、本发明利用浮漂在重金属冷却剂中的浮力转动钩爪，使得钩爪固定在上支撑导向板下端面完成浮力自锁，结构精巧并且避免使用细长推杆，有效地避免由于重金属腐蚀、冲蚀作用以及结构材料的辐照脆化作用，造成的锁紧结构失效而引发的组件弹出事故。3、本发明的上支撑板、上支撑导向板以及钩爪结构均可以轴向固定燃料组件，上支撑导向板、上支撑板以及上栅格板均可以径向固定燃料组件，多重结构共同完成燃料组件的固定功能，有效避免反应堆在极端工况下，由于单个结构失效造成燃料组件弹出的严重后果。本发明在保证反应堆经济性前提下，能够更有效地避免由于反应堆高腐蚀和高辐照环境下造成的燃料组件弹出事故，进而保证反应堆的安全运行。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的局部剖视图；

图3为本发明锁紧机构的初始状态图；

图4为本发明锁紧机构完成自锁动作的状态图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“轴向”、“径向”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、图2所示，本发明提供的铅基反应堆燃料组件锁紧结构，包括：上环腔筒5，上环腔筒5的上沿与堆顶盖1的下底面固定连接；上支撑板8，固定连接在上环腔筒5的下沿，其上形成有若干与燃料组件4的上管座封头41上部外形相契合的第一定位孔，用于与上管座封头41轴向接触，实现对上管座封头41的轴向定位；上支撑导向板9，固定连接在上支撑板8的下底面，其上形成有若干与燃料组件4的上管座封头41下部外形相契合的第二定位孔，用于与上管座封头41径向接触，实现对上管座封头41的径向定位；下环腔筒6，同轴设置在上环腔筒5下方且下环腔筒6的上沿同时与上支撑板8和上支撑导向板9固定连接；上栅格板7，固定连接在下环腔筒6的下沿，其上形成有若干与燃料组件4的上管座套管42外形相契合的第三定位孔，用于与上管座套管42径向接触，实现对上管座套管42的径向定位。

在上述实施例中，优选地，上管座封头41为上部呈圆台形、下部呈圆柱形的回转壳体，在每一上管座封头41内均设置有可以在燃料组件4上浮时与上支撑板8和上支撑导向板9共同配合完成自锁的锁紧机构。

在上述实施例中，优选地，如图3、图4所示，锁紧机构包括：浮漂51，其内部中空；钩爪转动部件52，固定连接在浮漂51的下底面；钩爪53，与钩爪转动部件52转动连接，以使钩爪53可在一定角度范围内旋转，且钩爪53被配置成在浮漂51上浮时完成对钩爪转动部件52的径向固定；操作头55，通过销轴54转动连接在上管座封头41内，以使操作头55可在一定角度范围内旋转，且操作头55被配置成在初始状态下与浮漂51相接触以限制浮漂51向上移动，在燃料组件4上浮时与浮漂51分离以解除对浮漂51向上移动的限制。

在上述实施例中，优选地，钩爪53的主体为等截面杆件，钩爪53的头部为一侧贴焊锚筋，钩爪53的头部被限制在开设于上管座封头41下部的矩形通孔内，且钩爪53的头部被配置成在初始状态下未伸出至上管座封头41的壳体外，但在浮漂51上浮时伸出至上管座封头41的壳体外；钩爪53的尾部为尖劈，楔入钩爪转动部件52的转动轴处。

在上述实施例中，优选地，操作头55的主体为等厚度杆件，操作头55的头部为与操作头55的主体成一定角度的椭圆形弯钩，操作头55的头部被限制在开设于上管座封头41上部的矩形通孔内，且操作头55的头部被配置成在初始状态下伸出至上管座封头41的壳体外；操作头55的尾部为与操作头55的主体成一定角度的长方形弯钩，且操作头55的尾部被配置成在初始状态下与浮漂51的上表面相接触，以限制浮漂51向上移动。

图3展示了上管座封头41未***至上支撑板8时的状态图，此时浮漂51未上浮，操作头55的头部伸出至上管座封头41的壳体外，操作头55的尾部处于水平位置，限制浮漂51向上移动；同时，钩爪转动部件52向下拉动钩爪53的尾部，钩爪53的头部未伸出至上管座封头41的壳体外，燃料组件4整体可以穿过上栅格板7的第三定位孔以及上支撑导向板9的第二定位孔。

图4展示了上管座封头41***至上支撑板8时的状态图，由于上支撑板8的第一定位孔与上管座封头41的上部外形相契合，上支撑板8推动伸出的操作头55，使得操作头55顺时针旋转，操作头55的尾部旋转后解除对浮漂51向上移动的限制，此时浮漂51在重金属铅基冷却剂作用下上浮，进而拉动钩爪转动部件52上移，钩爪转动部件52带动钩爪53逆时针旋转，钩爪53的头部伸出至上管座封头41的壳体外，当钩爪53转动至水平位置时，钩爪53的头部上端面与上支撑导向板9的下底面完成刚性固定，从而完成浮力自锁动作。

在上述实施例中，优选地，在上管座封头41的内部设置有向下延伸的定位柱，该定位柱的下端面位置处为浮漂51向上移动的最大限制，并在该位置处使钩爪53转动至水平位置。

在上述实施例中，优选地，上支撑板8的上表面形成有环状的上柱台，且上环腔筒5下部向内延伸的内端面与上支撑板8的上柱台外侧面固定；同时，上支撑板8的下底面形成有环状的下柱台，且上支撑板8的下柱台外侧面直径等于上环腔筒5的外端面直径。

在上述实施例中，优选地，上支撑导向板9设置在上支撑板8的下柱台限制的范围内，且上支撑导向板9的外侧面与上支撑板8的下柱台内侧面固定，上支撑导向板9的上表面与上支撑板8的下底面固定；下环腔筒6的上沿同时与上支撑板8的下柱台下端面和上支撑导向板9的下底面固定，且下环腔筒6的外径等于上支撑板8的下柱台外侧面直径，下环腔筒6的内径等于上栅格板7的外径。

在上述实施例中，优选地，上环腔筒5和下环腔筒6上均沿周向开设有若干通孔，上管座套管42的上部为等直径圆管，上管座套管42的下部为直径渐大的变直径圆管，上管座套管42上沿周向开设有若干椭圆形通孔。

在上述实施例中，优选地，上支撑板8上的第一定位孔为与上管座封头41的上部外形相契合的变直径通孔，上支撑导向板9上的第二定位孔为与上管座封头41的下部外形相契合的等直径通孔，上栅格板7上的第三定位孔为与上管座套管42的外形相契合的变直径通孔。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。