摘 要：文章分析了快堆一回路动设备密封设计的特点，介绍了磁流体密封的原理、结构、特性和适用条件，对快堆一回路动设备使用磁流体密封的可行性进行探讨。
关键词：核电；快堆；泵；换料设备；磁流体密封
1 快堆及一回路主要设备
钠冷快堆（Sodium-cooled Fast Reactor， SFR）是以钠作为冷却剂的快中子反应堆，是世界上第四代先进核能系统的首选堆型。快堆具有焚烧高放长寿命核废料和实现核燃料增值的功能，可以从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。中国实验快堆（China Experimental Fast Reactor，CEFR）已于2014年12月18日实现满功率稳定运行72小时。中国示范快堆（China Demonstrate Fast Reactor，CDFR）的建造也提上日程，计划在2020年左右建成。[1]
快堆的反应堆容器上装有数量不等的各种设备，这些设备贯穿地安装在反应堆容器上，有的是静设备：独立热交换、中间热交换器等，有的是动设备：燃料操作机、控制棒驱动机构、一回路钠泵、旋塞等。堆容器内充有钠作为一回路冷却剂，冷却剂上方一般用氩气作为覆盖气体，覆盖气体的压力在反应堆运行时一般不超过0.1MPa，在反应堆换料时约为0.005MPa。[2]堆容器作为一回路的压力边界既要防止堆容器内的放射性气体泄露，又要保证外部介质不会进入堆容器内污染冷却剂，因此要求堆容器具有良好的密封性，而堆容器上这些贯穿安装的设备与堆容器之间的密封以及设备本身的密封是影响堆容器整体密封性的重要因素。
2 快堆一回路动设备的密封
2.1 一回路钠泵的密封
一回钠泵的转速一般不超过1000r/min，密封一般采用油膜润滑的机械密封，靠动环和静环的端面相互贴合并作相对转动，端面之间维持一层及薄的液体膜而达到密封的目的，这种密封应用广泛，用于密封各种气体、液体，寿命可达25000小时，适用于轴径5～2000mm，压力10-6～45MPa，线速度150m/s。[3]由于机械密封需要油润滑，虽然设计从结构上进行了防范，但仍存在润滑油泄露进一回路的风险。英国原型快堆曾发生过该类事故，35L润滑油漏入一回路，导致反应堆停堆18个月以进行清理工作[4]。对一回路泵来说，更换机械密封是一项比较繁琐的工作，需要拆除泵的电机、联轴器等部件。
快堆对一回路钠泵密封的要求：密封介质为含有一定钠蒸汽的氩气，密封压力较低，要求密封可持续工作，要求可靠无泄漏，特别是要防止外部介质进入反应堆，要求使用寿命长。
2.2 燃料操作机的密封
燃料操作机在电机输出轴处使用磁力耦合密封的联轴器将转动传递给减速器，减速器的转动轴采用端盖静密封[5]。磁力耦合密封的效果与静密封相同，它本身还可以起到过载保护的作用。采用这种密封的缺点在于：
（1）磁力耦合密封传递的力矩较小，本身的结构尺寸较大。（2）为保证执行机构可靠动作，这种密封结构只能用在减速器的前端，这就导致减速器内部与反应堆容器内腔相通，增加了一回路密封边界泄漏的风险，同时使得减速器在维修时需采取措施保证不破坏一回路密封边界以及保证对操作人员的防护。
2.3 旋塞的密封
旋塞的密封一般采用液态金属密封[6]，以CEFR为列，液态金属灌装在密封槽里，在反应堆换料时液态金属处于融化状态，密封裙板插在密封槽里的液态金属中，液态金属使用Sn和Bi的合金，其有着较低的熔点，密封裙板和密封槽的敷面使用N6镍板，与Sn-Bi合金有着较好的浸润性。这种密封结构的优点是，环境适应性强，尺寸可以做的很大，对密封结构件的加工精度要求不高，这比较适合旋塞尺寸大的特点（直径可达5米以上）。液态金属密封主要存在结构尺寸大而复杂，需要设置电加热系统，需要定期清除金属内的杂质等缺点，当堆容器内压力过大时还可能导致液态金属溢出，导致反应堆失密封。
3 磁流体密封简介
3.1 磁流体密封原理及结构
磁流体又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，其研制始于20 世纪60 年代，最初应用于航天领域。磁流体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒、基载液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。根据基载液的不同可分为酯基类、水基类、硅油基类等。
磁流体密封装置由外壳、永磁铁、磁极、转轴和磁流体所组成[7]如图1所示。其中磁极、转轴为导磁性能好的软磁材料，外壳为非导磁材料。磁极和转轴之间的密封间隙内充入磁流体，磁流体被磁场力吸附在极尖处，在密封间隙形成一道“O”形密封环。一般将整个密封系统设计为多个磁流体密封圈，每个密封圈能承受15～25kPa的压差，一般最多设计70～80级，大约能承受1～2MPa的压差。
3.2 磁流体密封的特点
磁流体密封主要有以下特点：（1）密封性好：真空密封时能达到10-7Pa的真空度，泄漏率可小于10-12m3/（Pa.s）。（2）结构较简单紧凑，不需要外加润滑。（3）可靠性高：即使过压击穿时，由于具有溅射特性（图2），能自身“愈合”，当压力降低到密封可以承受的程度时，密封效果依然能够保持。（4）无方向性：密封件的左右两侧都能承受压力。（5）适应性好：允许的密封间隙可达0.2mm，允许从静止到较高的线速度，对轴的表面粗糙度要求不高。（6）低摩擦：由于采用液体密封，摩擦力小、发热低，功率损失小。（7）使用寿命长：磁性载液一般具有惰性、稳定、低蒸汽压等特点，挥发消耗量极低，寿命一般在10年以上，且更换添加磁流体后还可继续使用。（8）环境友好：由于密封件本身不存在机械磨损，磁性液体饱和蒸汽压极低，即使在高真空状态下也不会产生污染。（9）要求被密封介质与磁流体载液互相不溶合。（10）不适合会造成磁流体蒸发和磁铁退磁的场合。（11）不适合较高温度的使用场合。温度升高会导致磁流体退磁和加速其蒸发，一般磁流体温度不应高于105℃，否则应采取冷却措施，其最低温度为-20℃。（12）适应的密封压力一般不高于2MPa。
4 结束语
由磁流体密封的特点可以看出，磁流体低泄漏率、环境友好、摩擦力小、寿命长的特点特别适用于快堆一回路设备的密封。快堆压力不高，密封部位的温度和放射性水平都不高，密封介质为氩气，设备的转速不高，使用磁流体密封是可行的。特别是一回路钠泵的密封，目前印度正在开发一种采用磁流体密封的无油钠泵[8]。对于旋塞，由于其尺寸较大，需要调研密封面的加工精度能否满足磁流体密封的要求。对于燃料操作机，可以将磁流体密封用在设备减速机的后端，这样可以减少一回路的密封边界，提高设备的可维修性。
由于核能的特殊性，工程上要求采用成熟的经验证过的技术，考虑到磁流体密封的巨大优势，建议尽快开展磁流体密封的堆上环境考验试验。早日将磁流体密封技术用在快堆一回路动设备的密封上。
参考文献
[1]张东辉.中国示范快堆技术选择探讨[J].中国核电，2008，1（2）：5.
[2]王明政.中国实验快堆换料系统的验证试验[J].核科学与工程，2008，28（3）：9.
[3]成大先.机械设计手册（第五版）[M].化学工业出版社.
[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]孙彦权.中国实验快堆小旋塞密封装置[J].一重技术，2003，3.
[7]袁林生.磁流体密封技术[J].电子机械工程，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.
作者简介：于团结（1981-），男，江苏丰县人，在中国原子能科学研究院从事机械设计工作。
