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摘要：核电站一回路中机械密封具有非常重要的作用，同时也是核电站的关键部位，其性能和应用情况直接影响核电站的运行安全。因此本文主要以核电站反应堆为例，对核电站一回路的机械密封进行介绍和分析。
关键词：核电站；一回路；机械密封
核电站当前正处于重要的发展阶段，通过核电站的建设有利于对温室气体排放的控制，符合低碳经济的发展趋势，因此我国也在加强对核电建设的发展和完善。从上世纪中期开始，第一批原型核电站开始建设，经过核电技术的发展逐渐向第一代、第二代等开始发展和迈进，当前已经进入到第四代阶段。而且核电站反应堆的类型众多，包括轻水堆、重水堆、中子增值堆以及石墨气冷堆等形式。核电站的热力系统可以分为单回路、双回路以及三回路等不同的系统，而无论哪种冷却系统都需要通过冷却剂将核变产生的热量带出进行后续发电，这个冷却回路也被称为一回路系统。
一、压水堆核主泵机械密封
压水堆是一种轻水堆类型，这种类型的压水堆主要是利用普通水为慢性剂以及冷却剂，通过加压的方式防止水在压水堆中产生沸腾。当前压水堆技术已经基本成熟，同时经济实用，运行安全。当前在压水堆核电站运行中，大部分为轴封型核主泵。随着核电技术的发展，压水堆轴封型核主泵主要为欧洲和美国两种技术风格。
（一）美式风格核主泵机械密封
美式风格轴封型核主泵系统主要为三轴承布局，由美国的Westinghouse公司研发，随后被法国以及日本相关公司引进，同时进行进一步的创新，但是轴密封总体风格变化小[1]。在主泵机械密封中采用三级串联方式，各个级别的负载以及结构都存在较大的差异。其中一级为流体静压型机械密封，因此在工作的过程中能够承担大部分的压力，因此三级串联机械密封也被称为流体静压核主泵密封。
其中一号密封中的2个密封环主要采用的为氮化硅陶瓷以及氧化铝材料，其中静止环密封端面存在一定的锥度，在密封的间隙中形成一个收敛的状况，从而导致工作会造成流体静压效应。同时动静环的端面会形成一定刚度比较强的流体润滑膜。一号密封是一种典型的流体静压非接触机械密封方式，正常情况下平均密封的间隙一般为15μm，所以会造成比较严重的泄露，泄露程度达到680L/h；二号密封副材料为表面喷涂以及碳石墨处理的不锈钢材质。一般情况下，二号密封承担的压差为0.17MPa，而且泄露的程度低，如果一级密封失效，二号密封能够在短时间启动，替代一号密封的功效[2]。二号密封动环的形状比较特殊，在进行全压承受的过程中，会由于内外压差导致密封环组件发生变形，环端面偏转，进行形成流体静压的效应，提升流体膜的承载力。三号密封采用的为外加压式的径向双端密封方式，密封的辅材料主要为碳石墨以及已经进行表面处理的不锈钢。同时在三号密封径环的端面需要设置两个凸台，将清水注入到两个凸台之间的槽洞，其中一路通过外坝与二号密封泄露的水融合，防止放射性液体进一步泄露。同时另一路的清洁水则需要通过内坝泄露管进行流出。
当前大部分的文献材料中都将二号以及三号密封设置为接触式机械密封，从运行参数分析来看，二号的密封差一般为0.17MPa，泄漏率为11.4升每小时，温度一般为55摄氏度；三号密封为0.06MPa泄露率为0.4升每小时，通过这些数据分析可知，两种密封的方式都为非接触式的运转方式。通过计算和推导可知，二号以及三号密封的间隙都大于4毫米，而且处于全膜润滑的状态。
在以上的分析中主要为流体静压型核主泵的密封方式，为法国公司的产品。日本公司在核主泵的密封结构设计中则存在一定的差异。一号密封主要采用的为日本的MHI产品，并对堆密封环进行加宽、加大。厚度达到传统产品的3倍左右，这种设计的意图使密封环即使在高压的情况下也不会降低，提升密封的效率。同时二号密封方面日本MHI的密封过程中采用的副材料主要为硬质合金以及碳石墨。
（二）流体动压式核主泵机械密封
这是一种欧式的轴封型核主泵轴系统，该系统中应用的为四轴布局的方式。其中核主泵的产品主要以德国、瑞士以及奥地利的产品为代表。主要特点表现在泵轴与的电机轴间采用的为柔性的联结方式，其优势表现为电机轴与泵轴对中的要求低，但是同时也存在一定的不足，机组的高度过高。核主泵密封采用的主要为流体动压机械密封方式，密封端面会产生流体波形以及动压槽等，进而形成流体动压。而且这种密封方式是一种串联的工作形式，各个级别的结构都基本相同，而且之间的压差相近，在发生事故后都能够承受全系统的压力。
奥地利公司的动压式核主泵密封主要为三级串联方式，每个级别的密封都存在相似的外形结构，可以进行互换。同时在运行的过程中，需要利用节流器堆全系统的压力进行均匀分担，每级系统承担的压差为整个系统的1/3，如果出现事故后，那么每级系统需要承担所有的压力[3]。该主泵的密封动静环材料主要为碳石墨以及硬质合金，形状主要为波形。波形区能够进行分解，分为周向周期以及锥度，径向锥度会产生静压效应，而轴向波形则会产生动压效应。同时三级密封的上部还会设置一个停车密封，能够在停车的情况下通过氮气的驱动使其发生闭合，这样可以泄压但是不会排水。
德国核主泵密封中主要采用的也为三级串联流体动压机械密封方式。在流程方面相似，但是其在核主泵密封三级间的压力不是进行均匀分配的，而是采用4：4：2的压力分担方式。同时密封环的波形端面也存在一定的差异，其核主泵密封环的动态效应主要式通过端面流体动压槽进行。流体动压槽具有多种类型，除了动压槽还有端面流体动压凸台等。
通过上述动压以及静压型核主泵密封的对比可知，动压型核主泵的压力不稳定，泄露量小，而且抗干扰能力强，转速变化反应明显，但是在低速运行条件下会产生磨损。同时设计以及制造的过程过于复杂。而静压核主泵对然泄露量相对较大，而且压力变化敏感，但是具有不依赖转速以及原理简单的优势。
二、高温气冷堆氦气风机机械密封
高温气冷堆式新一代的核能系统技术。这个系统具有良好的安全性，如果发生事故不会对公众的安全造成影响，可以与其他发电方式进行竞争，并具有建设期短的优势。高温气冷堆是一种以氦气为冷却剂，石墨为慢化剂。高温气冷堆一般设有单回路和双回路两种热力循环方式。其中单回路方式为氦气透平直接循环，主要是通过寒气冷却剂在堆芯加热后直接通过氦气轮机带动发电机进行发电，但是当前还存在一定的技术壁垒。双回路蒸汽透平循环方式是一种类似于压水堆的方式，反应堆的热量通过回路冷却剂向蒸发器带动，并由蒸发汽向二回路进行传输，进而推动汽轮进行发电。这种间接循环方式的效率相对较低，但是优势为技术成熟。
氦气透平直接循环方式PBMR系统中主要包括反应堆堆芯、回热气、氦气透平等装置和设备，其中氦气透平以及压缩机由一根主轴连接。氦气轮以及压缩机等设备都设置了干气密封装置，有效预防氦冷却剂的泄露。但是由于介质的温度高，现有干气密封无法直接承受，必须要先进行技术处理。
结语
核电站一回路系统中的机械密封都需要在高温、高压以及强辐射等条件下工作，因此对密封性的要求比较高。密封性能的好坏直接影响核电站的安全运行。因此我国核电站在一回路机械密封中不仅要加强对国外技术的引入，同时还需要加强自主研究和技术开发。
参考文献
[1]涂一.核电站一回路用机械密封研究[J].探索科学，2016（5）：41.
[2]黄宝东，王娜.核电站一回路用机械密封[J].引文版：工程技术，2015（038）：210.