摘 要：文章分析了快堆一回路動(dòng)設(shè)備密封設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，介紹了磁流體密封的原理、結(jié)構(gòu)、特性和適用條件，對(duì)快堆一回路動(dòng)設(shè)備使用磁流體密封的可行性進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：核電；快堆；泵；換料設(shè)備；磁流體密封

1 快堆及一回路主要設(shè)備

鈉冷快堆（Sodium-cooled Fast Reactor， SFR）是以鈉作為冷卻劑的快中子反應(yīng)堆，是世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的首選堆型?？於丫哂蟹贌叻砰L(zhǎng)壽命核廢料和實(shí)現(xiàn)核燃料增值的功能，可以從根本上解決世界能源的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展問(wèn)題。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（China Experimental Fast Reactor，CEFR）已于2014年12月18日實(shí)現(xiàn)滿功率穩(wěn)定運(yùn)行72小時(shí)。中國(guó)示范快堆（China Demonstrate Fast Reactor，CDFR）的建造也提上日程，計(jì)劃在2020年左右建成。[1]

快堆的反應(yīng)堆容器上裝有數(shù)量不等的各種設(shè)備，這些設(shè)備貫穿地安裝在反應(yīng)堆容器上，有的是靜設(shè)備：獨(dú)立熱交換、中間熱交換器等，有的是動(dòng)設(shè)備：燃料操作機(jī)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、一回路鈉泵、旋塞等。堆容器內(nèi)充有鈉作為一回路冷卻劑，冷卻劑上方一般用氬氣作為覆蓋氣體，覆蓋氣體的壓力在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)一般不超過(guò)0.1MPa，在反應(yīng)堆換料時(shí)約為0.005MPa。[2]堆容器作為一回路的壓力邊界既要防止堆容器內(nèi)的放射性氣體泄露，又要保證外部介質(zhì)不會(huì)進(jìn)入堆容器內(nèi)污染冷卻劑，因此要求堆容器具有良好的密封性，而堆容器上這些貫穿安裝的設(shè)備與堆容器之間的密封以及設(shè)備本身的密封是影響堆容器整體密封性的重要因素。

2 快堆一回路動(dòng)設(shè)備的密封

2.1 一回路鈉泵的密封

一回鈉泵的轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)1000r/min，密封一般采用油膜潤(rùn)滑的機(jī)械密封，靠動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的端面相互貼合并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，端面之間維持一層及薄的液體膜而達(dá)到密封的目的，這種密封應(yīng)用廣泛，用于密封各種氣體、液體，壽命可達(dá)25000小時(shí)，適用于軸徑5～2000mm，壓力10-6～45MPa，線速度150m/s。[3]由于機(jī)械密封需要油潤(rùn)滑，雖然設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了防范，但仍存在潤(rùn)滑油泄露進(jìn)一回路的風(fēng)險(xiǎn)。英國(guó)原型快堆曾發(fā)生過(guò)該類事故，35L潤(rùn)滑油漏入一回路，導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆18個(gè)月以進(jìn)行清理工作[4]。對(duì)一回路泵來(lái)說(shuō)，更換機(jī)械密封是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，需要拆除泵的電機(jī)、聯(lián)軸器等部件。

快堆對(duì)一回路鈉泵密封的要求：密封介質(zhì)為含有一定鈉蒸汽的氬氣，密封壓力較低，要求密封可持續(xù)工作，要求可靠無(wú)泄漏，特別是要防止外部介質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)堆，要求使用壽命長(zhǎng)。

2.2 燃料操作機(jī)的密封

燃料操作機(jī)在電機(jī)輸出軸處使用磁力耦合密封的聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給減速器，減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用端蓋靜密封[5]。磁力耦合密封的效果與靜密封相同，它本身還可以起到過(guò)載保護(hù)的作用。采用這種密封的缺點(diǎn)在于：

（1）磁力耦合密封傳遞的力矩較小，本身的結(jié)構(gòu)尺寸較大。（2）為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠動(dòng)作，這種密封結(jié)構(gòu)只能用在減速器的前端，這就導(dǎo)致減速器內(nèi)部與反應(yīng)堆容器內(nèi)腔相通，增加了一回路密封邊界泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使得減速器在維修時(shí)需采取措施保證不破壞一回路密封邊界以及保證對(duì)操作人員的防護(hù)。

2.3 旋塞的密封

旋塞的密封一般采用液態(tài)金屬密封[6]，以CEFR為列，液態(tài)金屬灌裝在密封槽里，在反應(yīng)堆換料時(shí)液態(tài)金屬處于融化狀態(tài)，密封裙板插在密封槽里的液態(tài)金屬中，液態(tài)金屬使用Sn和Bi的合金，其有著較低的熔點(diǎn)，密封裙板和密封槽的敷面使用N6鎳板，與Sn-Bi合金有著較好的浸潤(rùn)性。這種密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尺寸可以做的很大，對(duì)密封結(jié)構(gòu)件的加工精度要求不高，這比較適合旋塞尺寸大的特點(diǎn)（直徑可達(dá)5米以上）。液態(tài)金屬密封主要存在結(jié)構(gòu)尺寸大而復(fù)雜，需要設(shè)置電加熱系統(tǒng)，需要定期清除金屬內(nèi)的雜質(zhì)等缺點(diǎn)，當(dāng)堆容器內(nèi)壓力過(guò)大時(shí)還可能導(dǎo)致液態(tài)金屬溢出，導(dǎo)致反應(yīng)堆失密封。

3 磁流體密封簡(jiǎn)介

3.1 磁流體密封原理及結(jié)構(gòu)

磁流體又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，其研制始于20 世紀(jì)60 年代，最初應(yīng)用于航天領(lǐng)域。磁流體既具有液體的流動(dòng)性又具有固體磁性材料的磁性。是由直徑為納米量級(jí)的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。根據(jù)基載液的不同可分為酯基類、水基類、硅油基類等。

磁流體密封裝置由外殼、永磁鐵、磁極、轉(zhuǎn)軸和磁流體所組成[7]如圖1所示。其中磁極、轉(zhuǎn)軸為導(dǎo)磁性能好的軟磁材料，外殼為非導(dǎo)磁材料。磁極和轉(zhuǎn)軸之間的密封間隙內(nèi)充入磁流體，磁流體被磁場(chǎng)力吸附在極尖處，在密封間隙形成一道“O”形密封環(huán)。一般將整個(gè)密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多個(gè)磁流體密封圈，每個(gè)密封圈能承受15～25kPa的壓差，一般最多設(shè)計(jì)70～80級(jí)，大約能承受1～2MPa的壓差。

3.2 磁流體密封的特點(diǎn)

磁流體密封主要有以下特點(diǎn)：（1）密封性好：真空密封時(shí)能達(dá)到10-7Pa的真空度，泄漏率可小于10-12m3/（Pa.s）。（2）結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單緊湊，不需要外加潤(rùn)滑。（3）可靠性高：即使過(guò)壓擊穿時(shí)，由于具有濺射特性（圖2），能自身“愈合”，當(dāng)壓力降低到密封可以承受的程度時(shí)，密封效果依然能夠保持。（4）無(wú)方向性：密封件的左右兩側(cè)都能承受壓力。（5）適應(yīng)性好：允許的密封間隙可達(dá)0.2mm，允許從靜止到較高的線速度，對(duì)軸的表面粗糙度要求不高。（6）低摩擦：由于采用液體密封，摩擦力小、發(fā)熱低，功率損失小。（7）使用壽命長(zhǎng)：磁性載液一般具有惰性、穩(wěn)定、低蒸汽壓等特點(diǎn)，揮發(fā)消耗量極低，壽命一般在10年以上，且更換添加磁流體后還可繼續(xù)使用。（8）環(huán)境友好：由于密封件本身不存在機(jī)械磨損，磁性液體飽和蒸汽壓極低，即使在高真空狀態(tài)下也不會(huì)產(chǎn)生污染。（9）要求被密封介質(zhì)與磁流體載液互相不溶合。（10）不適合會(huì)造成磁流體蒸發(fā)和磁鐵退磁的場(chǎng)合。（11）不適合較高溫度的使用場(chǎng)合。溫度升高會(huì)導(dǎo)致磁流體退磁和加速其蒸發(fā)，一般磁流體溫度不應(yīng)高于105℃，否則應(yīng)采取冷卻措施，其最低溫度為-20℃。（12）適應(yīng)的密封壓力一般不高于2MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

由磁流體密封的特點(diǎn)可以看出，磁流體低泄漏率、環(huán)境友好、摩擦力小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)特別適用于快堆一回路設(shè)備的密封?？於褖毫Σ桓撸芊獠课坏臏囟群头派湫运蕉疾桓?，密封介質(zhì)為氬氣，設(shè)備的轉(zhuǎn)速不高，使用磁流體密封是可行的。特別是一回路鈉泵的密封，目前印度正在開(kāi)發(fā)一種采用磁流體密封的無(wú)油鈉泵[8]。對(duì)于旋塞，由于其尺寸較大，需要調(diào)研密封面的加工精度能否滿足磁流體密封的要求。對(duì)于燃料操作機(jī)，可以將磁流體密封用在設(shè)備減速機(jī)的后端，這樣可以減少一回路的密封邊界，提高設(shè)備的可維修性。

由于核能的特殊性，工程上要求采用成熟的經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)，考慮到磁流體密封的巨大優(yōu)勢(shì)，建議盡快開(kāi)展磁流體密封的堆上環(huán)境考驗(yàn)試驗(yàn)。早日將磁流體密封技術(shù)用在快堆一回路動(dòng)設(shè)備的密封上。

參考文獻(xiàn)

[1]張東輝.中國(guó)示范快堆技術(shù)選擇探討[J].中國(guó)核電，2008，1（2）：5.

[2]王明政.中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆換料系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)[J].核科學(xué)與工程，2008，28（3）：9.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

[4]IAEA TECDOC-1180，1998. Unusual occurrences during LMFBR operation. In：Proceedings of Technical Committee Meeting， Vienna，9-13 November.

[5]IAEA TECDOC-1569，2007. Liquid Metal Cooled Reactors：Experience in Design and Operation：4.2.4.Reactor core and refueling equipment： design and operating experience.

[6]孫彥權(quán).中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆小旋塞密封裝置[J].一重技術(shù)，2003，3.

[7]袁林生.磁流體密封技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2011，27（3）.

[8]B.K. Sreedhar，Development of active magnetic bearings and ferrofluid seals toward oil free sodium pumps，Nuclear Engineering and Design，Volume 265，December 2013，Pages 1166-1174.

作者簡(jiǎn)介：于團(tuán)結(jié)（1981-），男，江蘇豐縣人，在中國(guó)原子能科學(xué)研究院從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。