阅读说明：本技术 一种铅基反应堆燃料组件的锁紧、解锁及抓取提升装置 (Locking, unlocking and grabbing lifting device for lead-based reactor fuel assembly ) 是由 盛鑫 顾龙 于锐 朱彦雷 刘璐 王大伟 李金阳 彭天骥 张璐 唐延泽 秦长平 于 2019-10-10 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的锁紧、解锁及抓取提升装置,包括下管座浮力锁紧机构、上管座自锁机构以及换料抓头机构；下管座浮力锁紧机构利用浮力使浮动滑筒上移将球锚推出下管座,嵌入到堆芯栅格板的锁紧槽内,使球锚以挡销的方式限制下管座与堆芯栅格板相互位移,从而将下管座锁紧在堆芯栅格板上；上管座自锁机构用于防止浮动滑筒下移造成的球锚脱锁；换料抓头机构用于解锁下管座浮力锁机结构和上管座自锁机构,同时也用于连接上管座提升燃料组件。本发明的三部分相互配合,可以共同完成在提料工况下使燃料组件轻松解锁,并将燃料组件提升至铅基反应堆堆芯外,在装料及运行工况下,将燃料组件牢固地锁紧在堆芯栅格板上。(The invention relates to a locking, unlocking and grabbing lifting device for a lead-based reactor fuel assembly, which comprises a lower pipe seat buoyancy locking mechanism, an upper pipe seat self-locking mechanism and a refueling grabbing head mechanism, wherein the lower pipe seat buoyancy locking mechanism is connected with the upper pipe seat self-locking mechanism; the lower pipe seat buoyancy locking mechanism utilizes buoyancy to enable the floating slide cylinder to move upwards to push the ball anchor out of the lower pipe seat and embed the ball anchor into the locking groove of the reactor core grid plate, so that the ball anchor limits the mutual displacement of the lower pipe seat and the reactor core grid plate in a stop pin mode, and the lower pipe seat is locked on the reactor core grid plate; the upper pipe seat self-locking mechanism is used for preventing the ball anchor from being unlocked due to downward movement of the floating sliding cylinder; the refueling grabbing head mechanism is used for unlocking the buoyancy locking mechanism of the lower tube seat and the self-locking mechanism of the upper tube seat, and is also used for connecting the upper tube seat and lifting the fuel assembly. The three parts of the invention are mutually matched, so that the fuel assembly can be unlocked easily under the working condition of material lifting, lifted out of the core of the lead-based reactor, and locked on the grid plate of the core firmly under the working conditions of material loading and operation.)

一种铅基反应堆燃料组件的锁紧、解锁及抓取提升装置

技术领域

本发明涉及一种铅基反应堆组件，特别是关于一种铅基反应堆燃料组件的锁紧、解锁及抓取提升装置。

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***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***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的锁紧、解锁及抓取提升装置是很有必要的。

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锁紧、解锁及抓取提升装置，该装置能够轻松实现燃料组件在堆芯栅格板上的锁紧、解锁以及抓取提升组件的功能。

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锁紧、解锁及抓取提升装置，包括下管座浮力锁紧机构、上管座自锁机构和换料抓头机构；

其中，所述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***所述堆芯栅格板的孔洞中，所述下管座在***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；推杆，若干根所述推杆的下端与所述浮动滑筒连接；

所述上管座自锁机构包括：上管座，为筒形壳体并形成所述上管座自锁机构的外边界；自锁勾爪箱，若干个所述自锁勾爪箱设置在所述上管座内；勾爪圆环，滑动设置在所述上管座内并与所述推杆的上端连接，用于与所述自锁勾爪箱配合以实现自锁；

所述换料抓头机构包括：外推筒，所述外推筒的下端可与所述自锁勾爪箱相接触，用于向下推动自锁勾爪箱以完成解锁；中推筒，同轴滑动设置在所述外推筒内，所述中推筒的下端可与所述勾爪圆环相接触，用于向下推动所述勾爪圆环；锁紧勾爪，若干个所述锁紧勾爪转动设置在所述中推筒上，用于所述中推筒向下移动时勾住所述上管座；内推筒，同轴滑动设置在所述中推筒内；滚轮箱，若干个所述滚轮箱设置在所述内推筒并与所述锁紧勾爪一一对应，用于所述内推筒上下移动时驱动所述锁紧勾爪转动。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，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；

同时，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***深度。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，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。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，若干个所述自锁勾爪箱沿所述上管座的环向等角度间隔排布，每一所述自锁勾爪箱包括：勾爪箱体，所述勾爪箱体的内侧开有自锁勾爪安装槽，所述勾爪箱体的下部开有第一滑槽；自锁勾爪，放置在所述勾爪箱体的自锁勾爪安装槽内，所述自锁勾爪的上端通过所述自锁勾爪销轴与所述勾爪箱体转动连接，所述自锁勾爪的下端形成所述突出勾爪箱体的勾头；下底座，用于紧固连接所述勾爪箱体的下端和上管座的上端；滑块，滑动设置在所述勾爪箱体下部的第一滑槽内，其内侧可与所述自锁勾爪相接触，用于阻挡所述自锁勾爪向外转动；弹性机构，连接在所述下底座和滑块之间，用于驱动所述滑块在所述勾爪箱体的第一滑槽内上下移动。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，在位于所述自锁勾爪外侧的勾爪箱体上设置有一挡销，用于限制所述自锁勾爪围绕着所述自锁勾爪销轴向外侧转动的幅度；所述自锁勾爪的内壁面上形成有突出所述勾爪箱体的凸起部，且所述凸起部的位置低于所述自锁勾爪销轴的位置，所述凸起部受推力作用时可使所述自锁勾爪围绕着所述自锁勾爪销轴向外侧转动。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，所述勾爪箱体的下部左右及外侧均开有所述第一滑槽，所述滑块的左右及外侧具有三个侧耳，所述滑块的三个所述侧耳分别滑动设置在所述勾爪箱体的三个所述第一滑槽内；所述勾爪箱体的自锁勾爪安装槽上端具有一台阶面，所述自锁勾爪的上端具有一凸台，所述凸台与所述台阶面配合可限制所述自锁勾爪围绕所述自锁勾爪销轴向内侧转动；同时所述滑块的内侧上部形成一由外向内倾斜的内侧坡面，所述滑块的内侧下部形成一竖直的内侧平面。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，所述弹性机构包括：导向销，至少一根所述导向销的下端紧固连接在所述下底座上，上端贯穿所述滑块的所述侧耳后与所述勾爪箱体紧固连接；弹簧，套设在所述下底座和所述滑块的所述侧耳之间的所述导向销上。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，在所述上管座的上部内壁面上开有环向等角度间隔排布的若干个勾槽，用于连接所述换料抓头机构；在所述上管座的中部开有环向等角度间隔排布的若干个自锁勾爪箱安装槽，用于安装所述自锁勾爪箱；所述勾爪圆环的下端面开有环向等角度间距排布的螺纹孔，用于与所述推杆的上端螺纹连接；

同时，所述自锁勾爪的勾头下端面亦呈弧形过渡，所述勾爪圆环的上端面外边缘亦呈弧形过渡，用于向上移动时外推所述自锁勾爪的勾头下端面。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，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；

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；

同时，在位于所述浮动滑筒上方的所述上管座的内壁面上形成有推杆支撑环，所述推杆支撑环上开有比所述推杆直径略大的导向孔，所述推杆贯穿该导向孔，以对所述推杆形成径向支撑。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，其特征在于，在所述内推筒的下部开有环向等角度间隔排布的若干个滚轮箱安装槽，每一所述滚轮箱包括：滚轮箱体，安装在所述内推筒的滚轮箱安装槽内；滚轮，通过所述滚轮销轴转动设置在所述滚轮箱体内，所述滚轮的外侧部分突出所述滚轮箱体且与所述锁紧勾爪的内壁面相接触；

同时，在所述中推筒的中部开有环向等角度间隔排布的若干个锁紧勾爪安装槽，所述锁紧勾爪通过所述锁紧勾爪销轴转动连接在所述锁紧勾爪安装槽内；所述锁紧勾爪的下部形成向外侧突出的勾头，该勾头用于***所述上管座的勾槽中；所述锁紧勾爪的内壁面上端为倾斜向内的弧面，内壁面下端为竖直的平面。

所述的锁紧、解锁及抓取提升装置，优选的，在所述外推筒的下端面开有与所述滑块的三个所述侧耳相配合的豁口，便于推动所述滑块的侧耳；在所述外推筒的内壁面上形成有一环形凸台，所述环形凸台与所述中推筒的外壁面相接触，用于对所述中推筒形成径向支撑；在位于所述环形凸台上方的所述外推筒上开有环向等角度间隔排布的若干个第二滑槽，所述第二滑槽内放置有第一滑动销钉，所述第一滑动销钉的外端滑动设置在所述第二滑槽内，所述第一滑动销钉的内端与所述中推筒紧固连接，由此限制所述外推筒和中推筒之间的相互转动以及轴向移动距离；

同时，在所述中推筒的上部开有环向等角度间隔排布的若干个第三滑槽，所述第三滑槽内放置有所述第二滑动销钉，所述第二滑动销钉的外端滑动设置在所述第三滑槽内，所述第二滑动销钉的内端与所述内推筒紧固连接，由此限制所述中推筒和内推筒之间的相互转动以及轴向移动距离。

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和上管座自锁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、本发明的下管座浮力锁紧机构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，该下管座浮力锁紧机构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。3、本发明在上管座自锁机构中设置了具备自锁功能的自锁勾爪箱，通过自锁勾爪约束勾爪圆环向下移动，从而限制浮动滑筒向下移动，使浮动滑筒位置固定，保持对球锚约束状态，从而保证在地震工况下，球锚不会脱锁，是球锚浮力锁紧的安全保障。相比于常见的类似于自动圆珠笔的笔芯浮力升降锁紧方法，该上管座自锁机构有效的避免了由于地震载荷下浮力锁紧装置浮动从而引起燃料组件脱锁的问题。4、本发明的燃料组件装料和卸料采用同一换料抓头机构，换料抓头机构只需三段轴向移动，即可以完成下管座与堆芯栅格板的锁紧或解锁、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，且该换料抓头机构与现有换料抓头的移动加转动解锁方案相比，结构简单，可靠性强。

附图说明

图1为本发明的整体剖视图；

图2为本发明下管座浮力锁紧机构的剖视图；

图3为本发明球锚与球锚孔之间的约束关系示意图；

图4为本发明浮动滑筒的轴测图；

图5为本发明浮动滑筒的剖视图；

图6为燃料组件未放入铅基反应堆堆芯时下管座锁紧机的状态图；

图7为燃料组件放入铅基反应堆堆芯过程中下管座浮力锁紧机构的状态图；

图8为燃料组件放入铅基反应堆堆芯后下管座浮力锁紧机构的状态图；

图9为本发明下管座被锁紧在堆芯栅格板上时下管座浮力锁紧机构的状态图；

图10为本发明上管座自锁机构的剖视图；

图11为本发明自锁勾爪箱的轴测图；

图12为本发明自锁勾爪箱的剖视图；

图13为本发明滑块、弹性机构和下底座的结构示意图；

图14为本发明滑块的轴测图；

图15为燃料组件未放入铅基反应堆堆芯时上管座自锁机构的状态图；

图16为燃料组件放入铅基反应堆堆芯过程中上管座自锁机构的状态图；

图17为燃料组件放入铅基反应堆堆芯后上管座自锁机构的状态图；

图18为本发明下管座被锁紧在堆芯栅格板上时上管座自锁机构的状态图；

图19为本发明换料抓头机构的半剖轴测图；

图20为本发明换料抓头机构的剖视图；

图21为本发明提料前的状态图；

图22为本发明进行提料第一步时的状态图；

图23为本发明进行提料第二步时的状态图；

图24为本发明进行提料第三步时的状态图；

图25为本发明进行提料第四步时的状态图；

图26为本发明装料前的状态图；

图27为本发明进行装料第一步时的状态图；

图28为本发明进行装料第二步时的状态图；

图29为本发明进行装料第三步时的状态图；

图30为本发明进行装料第四步时的状态图。

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。

图1展示了根据本发明提供的铅基反应堆燃料组件的锁紧、解锁及抓取提升装置，该装置包括主要由下管座浮力锁紧机构100和上管座自锁机构200组成的燃料组件以及换料抓头机构300。

其中，如图2所示，下管座浮力锁紧机构100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***堆芯栅格板5的孔洞中，下管座2在***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；推杆1，若干根推杆1的下端与浮动滑筒7连接。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2、图3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；同时在下管座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***深度。

在上述实施例中，优选的，如图4、图5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，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；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1、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；同时，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6所示)。

当燃料组件***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***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7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8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9所示)。

如上文描述，要保证下管座2锁紧在堆芯栅格板5上，需浮动滑筒7在浮力作用下向上压住球锚6，以限制球锚6的位移并保持浮动滑筒7的位置不变。在正常工况下，浮动滑筒7仅承受浮力，可保持位置不变。但在地震工况下，铅基冷却剂的晃动，有可能使浮动滑筒7向下浮动，从而导致球锚6内侧不受约束，造成燃料组件脱锁现象，因此本发明设计了上管座自锁机构200用于限制浮动滑筒7在地震工况中向下浮动的问题。

如图10所示，该上管座自锁机构200包括：上管座8，为筒形壳体并形成上管座自锁机构200的外边界；自锁勾爪箱9，若干个自锁勾爪箱9设置在上管座8内；勾爪圆环11，滑动设置在上管座8内并与推杆1的上端连接，用于与自锁勾爪箱9配合以实现自锁。

在上述实施例中，优选的，如图11、图12所示，若干个自锁勾爪箱9沿上管座8的环向等角度间隔排布，每一自锁勾爪箱9包括：勾爪箱体91，勾爪箱体91的内侧开有自锁勾爪安装槽，勾爪箱体91的下部开有第一滑槽；自锁勾爪93，放置在勾爪箱体91的自锁勾爪安装槽内，自锁勾爪93的上端通过自锁勾爪销轴92与勾爪箱体91转动连接，自锁勾爪93的下端形成突出勾爪箱体91的勾头；下底座94，用于紧固连接勾爪箱体91的下端和上管座8的上端；滑块96，滑动设置在勾爪箱体91下部的第一滑槽内，其内侧可与自锁勾爪93相接触，用于阻挡自锁勾爪93向外转动；弹性机构95，连接在下底座94和滑块96之间，用于驱动滑块96在勾爪箱体91的第一滑槽内上下移动。

在上述实施例中，优选的，在位于自锁勾爪93外侧的勾爪箱体91上设置有一挡销97，当自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向外侧转动时，由于浮力的作用，会给自锁勾爪93一个翻转力矩，使其转动较大的角度并与勾爪箱体91的内壁面碰撞，挡销97的位置可以限制为自锁勾爪93向外侧转动的幅度，同时使自锁勾爪93位于滑块96向上推动的一个合适角度。自锁勾爪93的内壁面上形成有突出勾爪箱体91的凸起部，且该凸起部的位置低于自锁勾爪销轴92的位置，当推力作用在该凸起部时，可使自锁勾爪93围绕着自锁勾爪销轴92向外侧转动。

如图11至图14所示，勾爪箱体91的下部左右及外侧均开有第一滑槽，滑块96的左右及外侧具有三个侧耳961，滑块96的三个侧耳961分别滑动设置在勾爪箱体91的三个第一滑槽内，三个侧耳961用于承受外载并可使受力均匀，避免滑块96因受力不均而出现卡死的现象。勾爪箱体91的自锁勾爪安装槽上端具有一台阶面，自锁勾爪93的上端具有一凸台，该凸台与台阶面配合可限制自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向内侧转动；同时滑块96的内侧上部形成一由外向内倾斜的内侧坡面962，滑块96的内侧下部形成一竖直的内侧平面963。

在上述实施例中，优选的，弹性机构95包括：导向销952，至少一根导向销952的下端紧固连接在下底座94上，上端贯穿滑块96的侧耳961后与勾爪箱体91紧固连接；弹簧951，套设在下底座94和滑块96的侧耳961之间的导向销952上。导向销952的作用是对滑块96进行移动约束，使滑块96在外力的作用下，只能沿导向销952作轴向上下的滑动；同时也对弹簧951进行定位约束，使其沿着导向销952轴向弯曲变形，弹簧951作用是在滑块96上承受的外力撤除后，通过其回复力将滑块96向上推动至自锁位置。由于滑块96同时受到弹簧951向上的回复力和铅基冷却剂的浮力，即使是地震工况下，滑块96也很难向下移动，滑块96始终保持约束自锁勾爪93的位置状态，如此自锁勾爪箱9便能够保持着对浮动滑筒7向下移动的约束。

同时，如图10所示，在位于浮动滑筒7上方的上管座8的内壁面上形成有推杆支撑环10，推杆支撑环10上开有比推杆1直径略大的导向孔，推杆1贯穿该导向孔，以对推杆1形成径向支撑。

在上述实施例中，优选的，在上管座8的上部内壁面上开有环向等角度间隔排布的若干个勾槽，用于连接换料抓头机构300；在上管座8的中部开有环向等角度间隔排布的若干个自锁勾爪箱安装槽，用于安装自锁勾爪箱9。勾爪圆环11的下端面开有环向等角度间距排布的螺纹孔，用于与推杆1的上端螺纹连接。同时，自锁勾爪93的勾头下端面亦呈弧形过渡，勾爪圆环11的上端面外边缘亦呈弧形过渡，用于向上移动时外推自锁勾爪93的勾头下端面。

本发明在使用时，上管座自锁机构200的浮力自锁过程如下：

当燃料组件未放入铅基反应堆堆芯时，勾爪圆环11、推杆1及浮动滑筒7组成的活动部件因受重力作用向下移动，通过换料抓头机构300给勾爪圆环11一个向下的推力F₁，然后通过推杆1将浮动滑筒7压紧在下部挡环4上；同时，换料抓头机构300也给自锁勾爪箱9中的滑块96的侧耳961向下的推力F₂，使滑块96沿着导向销952下移并压缩弹簧951，此时滑块96不对自锁勾爪93有约束作用(该状态如图15所示)。

当燃料组件***堆芯栅格板孔洞5后，撤去换料抓头机构300作用在勾爪圆环11的推力F₁，勾爪圆环11、推杆1及浮动滑筒7在浮力开始向上移动。勾爪圆环11的上端弧面在接触到自锁勾爪93的勾头下端弧面后，会推动自锁勾爪93围绕着自锁勾爪销轴92向外侧转动。同时，球锚6也在浮动滑筒7向上移动中，被渐渐横向推出(该状态如附16所示)。

随着勾爪圆环11、推杆1及浮动滑筒7组成的活动部件在浮力作用下继续向上移动，当球锚6与浮动滑筒7上的球面槽Ⅴ接触后，浮动滑筒7被球锚6卡住，活动部件停止向上移动，下管座2完成了浮力锁紧。此时勾爪圆环11正好位于自锁勾爪93的勾头上端，但浮动滑筒7向下移动尚未约束。当下管座2锁紧完成后，撤去换料抓头机构300作用在滑块96的侧耳961向下的推力F₂，此时滑块96受到弹簧951的回复力和铅基冷却剂的浮力开始沿着导向销952向上移动(该状态如图17所示)。

当向上移动的滑块96的内侧坡面962与自锁勾爪93的勾头下端面接触后，推动自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向内侧转动，随着滑块96继续上移到达最大行程，滑块96的内侧平面963与自锁勾爪93的外侧平面平行接触，此时滑块96顶住自锁勾爪93，限制其围绕自锁勾爪销轴92向外侧转动；同时，自锁勾爪93的上端凸台也与勾爪箱壳体91的自锁勾爪安装槽上端台阶面接触，限制其围绕自锁勾爪销轴92向内侧转动，由此自锁勾爪93实现位置锁定。此时，自锁勾爪93的勾头位于勾爪圆环11的下表面，限制了勾爪圆环11向下移动，由于勾爪圆环11与浮动滑筒7通过推杆1连接在一起，因此浮动滑筒7向下移动也被约束，之前下管座2浮力锁紧时，球锚6已经约束浮动滑筒7向上移动，自此浮动滑筒7也被完全约束(该状态如图18所示)。

本发明的燃料组件在换料过程中需要换料抓头机构300来实现下管座浮力锁紧机构100和上管座自锁机构200的锁紧和解锁。如图19、图20所示，该换料抓头机构300包括：外推筒17，外推筒17的下端可与自锁勾爪箱9的滑块96相接触，用于向下推动滑块96以完成自锁勾爪箱9的解锁；中推筒18，同轴滑动设置在外推筒17内，中推筒18的下端可与勾爪圆环11相接触，用于向下推动勾爪圆环11；锁紧勾爪15，若干个锁紧勾爪15转动设置在中推筒18上，用于中推筒18向下移动时勾住上管座8；内推筒12，同轴滑动设置在中推筒18内；滚轮箱16，若干个滚轮箱16设置在内推筒12并与锁紧勾爪15一一对应，用于内推筒12上下移动时驱动锁紧勾爪15转动。

在上述实施例中，优选的，在内推筒12的下部开有环向等角度间隔排布的若干个滚轮箱安装槽，每一滚轮箱16包括：滚轮箱体163，安装在内推筒12的滚轮箱安装槽内；滚轮161，通过滚轮销轴162转动设置在滚轮箱体163内，滚轮161的外侧部分突出滚轮箱体163且与锁紧勾爪15的内壁面相接触。同时，在中推筒18的中部开有环向等角度间隔排布的若干个锁紧勾爪安装槽，锁紧勾爪15通过锁紧勾爪销轴14转动连接在锁紧勾爪安装槽内。锁紧勾爪15的下部形成向外侧突出的勾头，该勾头用于***上管座8的勾槽中；锁紧勾爪15的内壁面上端为倾斜向内的弧面，内壁面下端为竖直的平面，由此通过滚轮161上下移动接触锁紧勾爪15的弧面和平面推动锁紧勾爪15转动以实现收爪和伸爪的功能：当内推筒12向下移动时，滚轮161接触锁紧勾爪15的内壁面下端平面，推动锁紧勾爪15围绕锁紧勾爪销轴14向外侧转动，实现伸爪功能；当内推筒12向上移动时，滚轮161接触锁紧勾爪15的内壁面上端弧面，推动锁紧勾爪15围绕锁紧勾爪销轴14向内侧转动，实现收爪功能。此外，在锁紧勾爪15的上部有通过勾爪滚轮销轴152转动连接一勾爪滚轮151，当锁紧勾爪15伸爪时勾爪滚轮151与内推筒12的外壁面接触，而此时滚轮箱16的滚轮161与锁紧勾爪15的内壁面下端平面接触，由此滚轮161和勾爪滚轮151共同限制锁紧勾爪15的转动，使其保持固定位置。

在上述实施例中，优选的，在外推筒17的下端面开有与滑块96的三个侧耳961相配合的豁口，便于推动滑块96的侧耳961；在外推筒17的内壁面上形成有一环形凸台，该环形凸台与中推筒18的外壁面相接触，用于对中推筒18形成径向支撑；在位于该环形凸台上方的外推筒17上开有环向等角度间隔排布的若干个第二滑槽，该第二滑槽内放置有第一滑动销钉13，第一滑动销钉13的外端滑动设置在第二滑槽内，第一滑动销钉13的内端与中推筒18紧固连接，由此限制外推筒17和中推筒18之间的相互转动以及轴向移动距离。同时，在中推筒18的上部开有环向等角度间隔排布的若干个第三滑槽，该第三滑槽内放置有第二滑动销钉19，第二滑动销钉19的外端滑动设置在第三滑槽内，第二滑动销钉19的内端与内推筒12紧固连接，由此限制中推筒18和内推筒12之间的相互转动以及轴向移动距离。

由此，本发明的下管座浮力锁紧机构100、上管座自锁机构200和换料抓头机构300三部分相互配合，可以共同完成在提料工况下使燃料组件轻松解锁，并将燃料组件提升至铅基反应堆堆芯外，在装料及运行工况下，将燃料组件牢固地锁紧在堆芯栅格板5上的功能。

下面通过将乏燃料组件提料出堆和新燃料组件入堆装料两个实施例来分别描述下管座浮力锁紧机构100、上管座自锁机构200和换料抓头机构300相互配合完成燃料组件锁紧、解锁以及抓取提升组件的功能。

实施例一：

提料时，需将乏燃料组件从堆芯栅格板5解锁并提出铅基反应堆堆芯(提料前状态如图21所示)，其步骤包括：

第一步，换料抓头机构300移动至上管座自锁机构200上方，换料抓头机构300的外推筒17向下移动，与勾爪箱体91内的滑块96的侧耳961相接触，使其克服弹簧951阻力及铅基冷却剂的浮力，顺着导向销952向下移动，解除了滑块96对自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向外侧转动的约束(该状态如图22所示)；

第二步，换料抓头机构300的中推筒18向下移动，首先，中推筒18下端外边缘会推动自锁勾爪93内壁面上的凸起部，使自锁勾爪93下围绕着自锁勾爪销轴92向外侧转动，解除了自锁勾爪93对勾爪圆环11下端面阻挡作用；然后，中推筒18克服浮力向下推动勾爪圆环11，通过推杆1的连接，将浮动滑筒7压紧在下部挡环4上；此时中推筒18上的锁紧勾爪15与上管座8上端内壁面的勾槽位置也相对应，并且球锚6与堆芯栅格板5的锁紧解除(该状态如图23所示)；

第三步，换料抓头机构300的内推筒12向下移动，当滚轮箱16的滚轮161移动至锁紧勾爪15的内壁面下端平面时，推动锁紧勾爪15围绕锁紧勾爪销轴14向外侧转动，锁紧勾爪15的勾头***上管座8上端内壁面的勾槽中，由此完成了换料抓头机构300与上管座自锁机构200的固定连接(该状态如图24所示)；

第四步，通过提升换料机抓头机构300将乏燃料组件提出铅基反应堆堆芯(该状态如图25所示)。

实施例二：

装料时，则需将新燃料组件放置到铅基反应堆堆芯中，装料时换料抓头机构300要与上管座自锁机构200连接在一起，通过换料抓头机构300带动新燃料组件向下移动至堆芯栅格板5(该状态如图26所示)，其步骤为包括：

第一步，将下管座2***堆芯栅格板5的孔洞中，当下管座2外部的限位凸台与堆芯栅格板5接触后，新燃料组件整体竖直向下移动受到约束，停止下沉(该状态如图27所示)；

第二步，将换料抓头机构300的内推筒12向上移动，滚轮箱16的滚轮161移动至锁紧勾爪15的内壁面上端弧面，使锁紧勾爪15围绕锁紧勾爪销轴14向内侧转动，此时换料抓头机构300的锁紧勾爪15与上管座8之间的连接解除(该状态如附图28所示)；

第三步，将换料抓头机构300的中推筒18向上移动，撤去对勾爪圆环11的推力，勾爪圆环11、推杆1及浮动滑筒7在浮力作用下竖直向上移动；浮动滑筒7上的多段滑槽逐渐对球锚6产生一个向外的推力，球锚6的外侧部分逐渐被推出下管座2的球锚孔；在勾爪圆环11向上浮动时，其上表面边缘的弧面会推动自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向外侧转动；当浮动滑筒7上的球形槽Ⅴ与球锚6接触时，球锚6卡住浮动滑筒7，使其停止向上移动；此时，球锚6的外侧部分伸出下管座2并嵌入到堆芯栅格板5的孔洞内壁面的锁紧槽内，中间部分位于下管座2的球锚孔内，内侧部分则与浮动话筒7的第二垂直滑槽Ⅳ及球面槽Ⅴ接触，球锚6作为一个挡销位于堆芯栅格板5、下管座2和浮动滑筒7之间，限制其相互移动；勾爪圆环11在浮动滑筒7停止上移后，位于自锁勾爪93的勾头上部(该状态如图29所示)；

第四步，将换料抓头机构300的外推筒17向上移动，自锁勾爪箱体91内的滑块96上部推力解除，滑块96受到铅基冷却剂的浮力和弹簧951的回复力，使其沿着导向销952向上移动，在移动的过程中，滑块96的内侧斜面962会推动自锁勾爪93围绕自锁勾爪销轴92向内侧转动；当滑块96向上移动到达最大行程时，滑块96的内侧平面963正好与自锁勾爪93的外侧平面平行接触，使自锁勾爪93无法围绕自锁勾爪销轴92向外侧转动。同时，自锁勾爪93的上端凸台也与勾爪箱壳体91的自锁勾爪安装槽上端台阶面接触，限制其围绕自锁勾爪销轴92向内侧转动，由此自锁勾爪93实现位置锁定。而此时自锁勾爪93的勾头正好位于勾爪圆环11的下端面，使勾爪圆环11无法向下运动，由于推杆1的连接作用，浮动滑筒7向下移动亦被约束，这样浮动滑筒7在上下移动方向都有约束，使其位置固定，浮动滑筒7将球锚6牢固的推向外侧，球锚6的外侧部分稳定地嵌入到堆芯栅格板5的孔洞内壁面的锁紧槽内，由此新燃料组件被锁紧在堆芯栅格板5上，最后分离提出换料抓头机构300即可(该状态如图30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。