快堆一回路設備使用磁流體密封的可行性探討

摘 要：文章分析了快堆一回路動設備密封設計的特點，介紹了磁流體密封的原理、結構、特性和適用條件，對快堆一回路動設備使用磁流體密封的可行性進行探討。

關鍵詞：核電；快堆；泵；換料設備；磁流體密封

1 快堆及一回路主要設備

鈉冷快堆（Sodium-cooled Fast Reactor， SFR）是以鈉作為冷卻劑的快中子反應堆，是世界上第四代先進核能系統的首選堆型。快堆具有焚燒高放長壽命核廢料和實現核燃料增值的功能，可以從根本上解決世界能源的可持續發展和綠色發展問題。中國實驗快堆（China Experimental Fast Reactor，CEFR）已于2014年12月18日實現滿功率穩定運行72小時。中國示范快堆（China Demonstrate Fast Reactor，CDFR）的建造也提上日程，計劃在2020年左右建成。[1]

快堆的反應堆容器上裝有數量不等的各種設備，這些設備貫穿地安裝在反應堆容器上，有的是靜設備：獨立熱交換、中間熱交換器等，有的是動設備：燃料操作機、控制棒驅動機構、一回路鈉泵、旋塞等。堆容器內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堆運行時一般不超過0.1MPa，在反應堆換料時約為0.005MPa。[2]堆容器作為一回路的壓力邊界既要防止堆容器內的放射性氣體泄露，又要保證外部介質不會進入堆容器內污染冷卻劑，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備與堆容器之間的密封以及設備本身的密封是影響堆容器整體密封性的重要因素。

2 快堆一回路動設備的密封

2.1 一回路鈉泵的密封

一回鈉泵的轉速一般不超過1000r/min，密封一般采用油膜潤滑的機械密封，靠動環和靜環的端面相互貼合并作相對轉動，端面之間維持一層及薄的液體膜而達到密封的目的，這種密封應用廣泛，用于密封各種氣體、液體，壽命可達25000小時，適用于軸徑5～2000mm，壓力10-6～45MPa，線速度150m/s。[3]由于機械密封需要油潤滑，雖然設計從結構上進行了防范，但仍存在潤滑油泄露進一回路的風險。英國原型快堆曾發生過該類事故，35L潤滑油漏入一回路，導致反應堆停堆18個月以進行清理工作[4]。對一回路泵來說，更換機械密封是一項比較繁瑣的工作，需要拆除泵的電機、聯軸器等部件。

快堆對一回路鈉泵密封的要求：密封介質為含有一定鈉蒸汽的氬氣，密封壓力較低，要求密封可持續工作，要求可靠無泄漏，特別是要防止外部介質進入反應堆，要求使用壽命長。

2.2 燃料操作機的密封

燃料操作機在電機輸出軸處使用磁力耦合密封的聯軸器將轉動傳遞給減速器，減速器的轉動軸采用端蓋靜密封[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載保護的作用。采用這種密封的缺點在于：

（1）磁力耦合密封傳遞的力矩較小，本身的結構尺寸較大。（2）為保證執行機構可靠動作，這種密封結構只能用在減速器的前端，這就導致減速器內部與反應堆容器內腔相通，增加了一回路密封邊界泄漏的風險，同時使得減速器在維修時需采取措施保證不破壞一回路密封邊界以及保證對操作人員的防護。

2.3 旋塞的密封

旋塞的密封一般采用液態金屬密封[6]，以CEFR為列，液態金屬灌裝在密封槽里，在反應堆換料時液態金屬處于融化狀態，密封裙板插在密封槽里的液態金屬中，液態金屬使用Sn和Bi的合金，其有著較低的熔點，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性。這種密封結構的優點是，環境適應性強，尺寸可以做的很大，對密封結構件的加工精度要求不高，這比較適合旋塞尺寸大的特點（直徑可達5米以上）。液態金屬密封主要存在結構尺寸大而復雜，需要設置電加熱系統，需要定期清除金屬內的雜質等缺點，當堆容器內壓力過大時還可能導致液態金屬溢出，導致反應堆失密封。

3 磁流體密封簡介

3.1 磁流體密封原理及結構

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60 年代，最初應用于航天領域。磁流體既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。是由直徑為納米量級的磁性固體顆粒、基載液（也叫媒體）以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀液體。根據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、轉軸和磁流體所組成[7]如圖1所示。其中磁極、轉軸為導磁性能好的軟磁材料，外殼為非導磁材料。磁極和轉軸之間的密封間隙內充入磁流體，磁流體被磁場力吸附在極尖處，在密封間隙形成一道“O”形密封環。一般將整個密封系統設計為多個磁流體密封圈，每個密封圈能承受15～25kPa的壓差，一般最多設計70～80級，大約能承受1～2MPa的壓差。

3.2 磁流體密封的特點

磁流體密封主要有以下特點：（1）密封性好：真空密封時能達到10-7Pa的真空度，泄漏率可小于10-12m3/（Pa.s）。（2）結構較簡單緊湊，不需要外加潤滑。（3）可靠性高：即使過壓擊穿時，由于具有濺射特性（圖2），能自身“愈合”，當壓力降低到密封可以承受的程度時，密封效果依然能夠保持。（4）無方向性：密封件的左右兩側都能承受壓力。（5）適應性好：允許的密封間隙可達0.2mm，允許從靜止到較高的線速度，對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、發熱低，功率損失小。（7）使用壽命長：磁性載液一般具有惰性、穩定、低蒸汽壓等特點，揮發消耗量極低，壽命一般在10年以上，且更換添加磁流體后還可繼續使用。（8）環境友好：由于密封件本身不存在機械磨損，磁性液體飽和蒸汽壓極低，即使在高真空狀態下也不會產生污染。（9）要求被密封介質與磁流體載液互相不溶合。（10）不適合會造成磁流體蒸發和磁鐵退磁的場合。（11）不適合較高溫度的使用場合。溫度升高會導致磁流體退磁和加速其蒸發，一般磁流體溫度不應高于105℃，否則應采取冷卻措施，其最低溫度為-20℃。（12）適應的密封壓力一般不高于2MPa。

4 結束語

由磁流體密封的特點可以看出，磁流體低泄漏率、環境友好、摩擦力小、壽命長的特點特別適用于快堆一回路設備的密封。快堆壓力不高，密封部位的溫度和放射性水平都不高，密封介質為氬氣，設備的轉速不高，使用磁流體密封是可行的。特別是一回路鈉泵的密封，目前印度正在開發一種采用磁流體密封的無油鈉泵[8]。對于旋塞，由于其尺寸較大，需要調研密封面的加工精度能否滿足磁流體密封的要求。對于燃料操作機，可以將磁流體密封用在設備減速機的后端，這樣可以減少一回路的密封邊界，提高設備的可維修性。

由于核能的特殊性，工程上要求采用成熟的經驗證過的技術，考慮到磁流體密封的巨大優勢，建議盡快開展磁流體密封的堆上環境考驗試驗。早日將磁流體密封技術用在快堆一回路動設備的密封上。

參考文獻

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

[2]王明政.中國實驗快堆換料系統的驗證試驗[J].核科學與工程，2008，28（3）：9.

[3]成大先.機械設計手冊（第五版）[M].化學工業出版社.

[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.中國實驗快堆小旋塞密封裝置[J].一重技術，2003，3.

[7]袁林生.磁流體密封技術[J].電子機械工程，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.

作者簡介：于團結（1981-），男，江蘇豐縣人，在中國原子能科學研究院從事機械設計工作。