技术领域
[0001] 本
发明属于
放射性核
废物处理技术领域，具体涉及一种加速器驱动次临界堆（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）分体式中心测量柱系统，涉及到加速器驱动次临界堆中心测量柱、旋塞系统与换料系统。
背景技术
[0002] 核废料处理，尤其是长寿命核废料的最终处理是一个世界性难题，“分离-嬗变”法是核废料处理的一种新途径，即通过化学分离把高
放射性废物中的MA和LLFP分离出来，利用核反应装置（如反应堆，加速器）把长寿命核素转变成短寿命核素或稳定核素。加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）是目前致
力于嬗变放射性核废物、有效利用核资源及产出核能的理想装置。国际
原子能机构（IAEA）将ADS嬗变堆列入新型核能系统中，称为“新出现的核废物嬗变及
能量产生的核能系统”。
[0003] ADS系统由质子加速器、液态重金属
散裂靶与嬗变核废料次临界反应堆组成。加速器产生的质子束流轰击重金属散裂靶件产生高能快
中子，进入次临界
堆芯内嬗变核废料、生产核
燃料并兼顾发电。高能质子打到重金属原子核上产生散裂反应，轰击出的的中子增殖比可达到30左右。液态铅铋（PbBi）
合金由于具有优良的中子增殖率、低溶点与高沸点和良好的载
热能力被选为该堆型的散裂靶材料和冷却剂。由于依靠散裂中子源驱动堆芯核废料嬗变，且处于次临界，因此不具有维持自持链式反应的能力，如果关闭加速器，堆芯中的中子会逐渐越少，因此该堆具有较好的固有安全特性。
[0004] 随着堆内燃料燃耗的加深，需要在一定的周期更换
燃料组件。由于产生散裂中子源的质子束管位于堆芯中央，且不能产生任何移动，堆芯上部液态铅铋
温度测量
导管、堆
反应性与安全
控制棒等设置于中心测量柱内。中心测量柱的功能是防止其内质子束管、控制棒导管、测量导管等由于液态铅铋流动产生的流致振动，是堆内重要部件。如果采用整体式测量柱，则堆内燃料组件由于中心测量柱及其内部部件的阻碍无法进行更换，因此需要发明一种创新性中心测量柱，通过其与换料系统配合，完成将新组件装入堆芯和乏燃料组件的卸出，且保证换料不影响对反应堆的控制与测量。对于这种特殊条件下的换料要求，是以往反应堆所没有的，这种由加速器质子束管、控制棒导管和温度测量导管等带来的ADS反应堆的换料问题亟需解决。
[0005] 目前，用于核废料嬗变的
快中子次临界堆有美国的ATW计划，欧盟的EFIT计划，日本的OMEGA计划，韩国的HAPPY计划以及中国的CLEAR-III计划。由于以上都是DEMO概念设计方案，有关堆芯换料问题均还没有考虑。现有的钠冷快中子堆如俄罗斯的BN600堆、BN800堆，法国的“
风凰”堆，日本的“文殊”堆和中国的CEFR堆等，由于堆芯无加速器质子束管，控制棒驱动机构安装在小旋塞上，换料时通过偏心移动小旋塞即可完成对堆芯燃料组件的更换，换料后小旋塞运动回堆芯同心
位置确保控制棒驱动机构功能。比利时设计的加速器驱动铅铋冷却快中子嬗变堆MYRRHA，与CLEAR-I堆结构与功能相似，为解决换料问题，其设计方案是堆芯采用吊篮式，堆底部留出一个燃料组件以上的空间（大于2米）用于更换燃料组件。由于堆底部2米以上的空间需要多注入数百吨液态铅铋，如果采用强迫
对流驱动铅铋流动是可行的，若采用自然循环，随着堆芯高度的增加，循环压降增加导致流速下降或循环中断，且从堆下部换料路线增长导致换料系统复杂性增加。
[0006] 基于以上技术背景，依据CLEAR-I堆的换料、控制与测量需求，特提出本发明
专利。
发明内容
[0007] 本发明的目的：针对加速器驱动次临界反应堆的换料、控制与测量需求，给出分体式中心测量柱方案，解决由于堆芯加速器质子束管、控制棒驱动机构、测量导管所设的整体式中心测量柱妨碍换料的难题，通过大小旋塞的复合运动带动分体式中心测量柱移动形成换料通道，可较好地完成对堆芯燃料组件的更换而不影响其他系统的正常工作。
[0008] 本发明采用的技术方案为：一种加速器驱动次临界堆分体式中心测量柱系统，包括大旋塞，小旋塞，反应堆顶盖支承颈，
焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段，焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段，堆芯，大旋塞上七根控制棒驱动机构、质子束管、测量导管，小旋塞上单根控制棒驱动机构和换料机；大旋塞利用支承颈同心地安装在堆顶盖中心，并位于堆芯上；小旋塞偏心地安装在大旋塞上；换料机偏心地安装在小旋塞上；质子束管贯穿大旋塞中心，伸入堆芯中心；中心测量柱主扇段和分扇段分别焊接于大旋塞和小旋塞下方；小旋塞上单根控制棒驱动机构，与大旋塞上的七根控制棒驱动机构共同实现对堆反应性、安全性的控制；中心测量柱由焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段，焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段组成，焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段为周向260~300度，焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段为周向100~60度，位于中心测量柱下端的测量导管能够上下移动，用于
定位测量
传感器；换料系统通过大旋塞和小旋塞围绕其几何中心的旋转，换料机悬臂的旋转及上下运动，精确定位到反应堆堆芯任意一盒燃料组件上，实现对燃料组件的安装与拆卸。
[0009] 其中，所述的大旋塞和小旋塞均为圆柱形
箱体结构，能够绕几何中心进行双向旋转，大旋塞由反应堆顶盖支承颈支承，小旋塞由大旋塞支承，大旋塞和小旋塞上部边缘设置
锡铋合金密封装置，用于支承的部件上设有环形槽，槽内填充液态锡铋合金，在被支承部件上对应安装裙板，裙板插入环形槽，浸没在液态锡铋合金中形成密封。
[0010] 其中，所述的周向260~300度中心测量柱主扇段焊接于大旋塞下部，周向100~60度中心测量柱分扇段焊接于小旋塞下端，堆运行状态时大小旋塞下扇段闭合形成全周向中心测量柱，中心测量柱上部开有三排圆形孔以保证柱内液态铅铋的循环流动。
[0011] 其中，所述换料机换料期间，控制棒提升杆与控制棒脱离，由大旋塞上控制棒驱动机构和单根控制棒驱动机构上提为换料留出足够的空间。
[0013] （1）与现行钠冷快中子堆换料、控制与测量技术相比，本发明解决了由于堆芯加速器质子束管、控制棒驱动机构、测量导管及所设的中心测量柱妨碍换料所带来的技术难题，燃料组件更换后，能保证质子束管、控制棒驱动机构、测量导管功能不受影响。
[0014] （2）与MYRRHA从堆底部换料相比，本发明通过分体式中心导体柱的优化组合，实现了从堆芯上部换料，减少了堆内铅铋的容量，经济性好；另外，堆高度减少，降低了用于排出堆芯热量的铅铋自然循环的循环高度，可增加自然循环流速。
附图说明
[0015] 图1加速器驱动次临界堆分体式中心测量柱系统俯视图；
[0016] 图2加速器驱动次临界堆分体式中心测量柱系统正视图；
[0017] 图3加速器驱动次临界堆分体式中心测量柱系统仰视图。
[0018] 图中，1为大旋塞，2为小旋塞，3为反应堆顶盖支承颈，4为焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段，5为焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段，6为堆芯，7为换料机，8为测量导管，9为质子束管，10为小旋塞上单根控制棒驱动机构，11为大旋塞上控制棒驱动机构。
具体实施方式
[0019] 下面结合图说明分体式中心测量柱的具体实施方式。
[0020] 如图1~3所示，加速器驱动次临界堆分体式中心测量柱系统，包括大旋塞1，小旋塞2，反应堆顶盖支承颈3，焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段4，焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段5，堆芯6，大旋塞上七根控制棒驱动机构11、质子束管9、测量导管8，小旋塞上单根控制棒驱动机构10和换料机7。大旋塞1安装于堆顶盖中心，小旋塞2偏心地安装在大旋塞1上，换料机7偏心设置于小旋塞2上，质子束管9从大旋塞中心贯穿，一直延伸至堆芯6；中心测量柱主扇段4和分扇段5分别焊接于大旋塞1和小旋塞2下方。小旋塞2上设置单根控制棒驱动机构10，与大旋塞1上的七根控制棒驱动机构11组成对堆反应性、安全性的控制。测量导管8位于中心测量柱下端，用于定位
测量传感器；
[0021] 所述的大旋塞1和小旋塞2均为圆柱形箱体结构，能够绕几何中心进行双向旋转。大旋塞1由反应堆顶盖支承颈3支承，小旋塞2由大旋塞1支承。大旋塞1和小旋塞2上部边缘设置锡铋合金密封装置。用于支承的部件上设有环形槽，槽内填充液态锡铋合金，在被支承部件上对应安装裙板，裙板插入环形槽，浸没在液态锡铋合金中形成密封；
[0022] 所述的中心测量柱由焊接于大旋塞下中心测量柱主扇段4（周向260~300度），焊接于小旋塞下中心测量柱分扇段5（周向100~60度）组成。堆运行状态时大小旋塞下扇段闭合形成全周向中心测量柱，中心测量柱主扇段4和分扇段5上部开有三排园形孔以保证柱内液态铅铋的循环流动；
[0023] 所述的换料机换料机7，偏心安装于小旋塞2上，换料机7的驱动机构
电机安装于堆外，换料机操作头可以完成上下运动和绕
主轴旋转；
[0024] 所述的控制棒驱动机构11和10由
驱动电机，传动机构和抓取装置组成，下方的抓取装置可以抓取控制棒，进行上下移动。
[0025] 换料期间，控制棒驱动机构11和10将提升杆与控制棒脱离，由驱动机构上提提升杆为换料留出足够的空间。大旋塞1和小旋塞2与堆顶盖之间采用液态金属密封，加热液态金属使之
熔化，可使大旋塞1和小旋塞2转动。大旋塞1与小旋塞2的绕轴自转将换料机7定位至燃料组件上方区域。换料机7设置于小旋塞2上并与小旋塞2偏心，通过换料机7的换料手臂进行精确定位。换料时小旋塞按程序转动，中心测量柱分扇段5跟随小旋塞转动，移出堆芯6上方，使换料机7获得进入堆芯6中心区域的通道，完成对堆芯燃料组件的更换；小旋塞上设置单根控制棒，与大旋塞上的七根控制棒组成对反应性、安全性的控制。
[0026] （1）ADS反应堆停堆换料前，关闭加速器停堆，中断高能质子束进入散裂靶，散裂反应逐渐终止；控制棒驱动机构11与小旋塞上单根控制棒10将提升杆下端夹持的控制棒组件松开并脱离，使其固定于堆芯6，对反应性实施控制以保证堆安全。
[0027] （2）按程序操纵控制棒驱动机构11与小旋塞上单根控制棒10将提升杆上提至中心测量柱上端，确保为换料机7提供足够的换料运动空间。
[0028] （3）加热堆顶盖与旋塞密闭的锡铋合金使之融化，按程序控制大小旋塞转动至需要更换燃料组件的方位，小旋塞偏心转动，其下部测量柱扇段移出，换料机7移动至堆芯上部，准备更换燃料组件。
[0029] （4）乏组件的出堆：大旋塞1和小旋塞2复合旋转运动，将换料机7上的换料机夹具对准堆芯6上需换料的组件位置，换料机7上的换料机夹具沿着导槽向下运动，换料机7夹具夹起乏组件之后，沿导槽向堆顶盖3方向运动，再经过大旋塞1和小旋塞2复合旋转运动，将夹着乏组件的换料机7运动到组件出堆位置。
[0030] （5）新组件的入堆：换料机7的夹具从组件入堆的位置（和组件出堆的位置相同）夹取新组件，经过大旋塞1和小旋塞2的复合旋转运动，将换料机7所夹组件对准堆芯6上需换料的位置（乏燃料组件已卸出），换料机7夹具沿着导槽向堆芯6方向运动，将新组件装入堆芯6，大旋塞1和小旋塞2再复合旋转运动，将换料机7移到换料前的位置。
[0031] （6）大小旋塞转动至换料前位置，再偏心转动小旋塞，使其下中心测量柱扇段与大旋塞中心测量柱扇段闭合，组成全周向中心测量柱。
[0032] （7）控制棒驱动机构3与小旋塞上单根控制棒4提升杆下降，使下端的夹具夹持堆内控制棒组件，完成燃料组件的更换。
[0033] 目前世界上有关加速器驱动铅铋冷却反应堆中心测量柱系统的研究比较少，分体式中心测量柱还未见报道。
