加速器驱动次临界铅基反应堆是一种先进的核燃料增殖、核废料嬗变以及能量产生的系统。该反应堆的一个重要特点是加速器质子束流管通过反应堆顶盖垂直进入堆内,与位于堆芯中央靶连接,这将导致反应堆容器内堆芯上部构造复杂,换料机构的工作空间及运行受限制。因此,换料系统与加速器质子束管及控制棒驱动机构的良好耦合,以及在高温密封不透明液态铅基合金环境下实现全堆芯组件遍历换料安全操作,是实现加速器驱动铅基堆堆内自动换料功能的关键技术。本论文针对加速器驱动铅基堆参考方案中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ堆内换料需求,设计了双旋塞定位及垂直进出的堆内换料系统,通过运动学理论与分析,结合计算机仿真模拟以及换料原理样机,实现了全堆芯组件遍历功能验证与测试,显示换料系统结构与其他堆内部件耦合良好;针对关键部件换料抓手,通过有限元数值仿真模拟及工程样机测试,验证了堆内换料系统结构设计的合理可行性,为加速器驱动嬗变系统ADS换料工程应用提供结构参数和依据。本论文的主要研究内容和创新点如下:提出一种基于大小旋塞复合旋转定位的方法。针对堆内换料流程的详细操作步骤及动作要求,设计了五自由度连杆机构堆内燃料组件垂直提升的换料系统方案;通过计算机仿真模拟,实现了全堆芯所有组件遍历的验证,解决了加速器质子束管无法移走而导致的全堆芯自动装卸料运动受阻碍的问题,同时满足了紧凑型一体化ADS铅基堆实验灵活性的要求。设计了一种L型多连杆传动与压紧自锁结构的换料抓手。对典型工作环境下换料抓手的结构进行了数值模拟研究,选择关键结构参数进行静力学分析,对换料抓手进行运动学分析与仿真模拟,结果表明换料抓手在整个运动过程中,各运动参数始终能够保持平稳变化,无冲击及振动产生,解决高温液态重金属不透明环境下换料抓取稳定性及可靠性问题,确保组件在运输过程中的安全。研制了加速器驱动铅基堆堆内换料机构一体化验证与测试平台。在理论分析与仿真基础上,研制了铅基堆堆内换料机构原理样机及工程样机,进行了定位、遍历、抓取、高温等关键技术实验与测试。测试结果显示,机构能精确定位并更换堆芯所有组件,高温铅铋环境下的抓取性能良好。初步解决了加速器驱动铅基堆全堆芯换料关键技术问题,为未来ADS铅基堆换料机构工程化实施打下基础。