加熱體鎢管的蠕變量計算及預留裕量的選定

薛超宇　鄭劍平　鐘武燁　張國棟

摘 要：利用加熱體鎢管在2000℃下的應力應變關系得到了不同應力下的穩態蠕變速率，并通過對穩態蠕變速率與應力之間的量化關系，得到了此溫度下蠕變本構方程中的應力指數及材料常數值。通過計算得到加熱體鎢管不同部位連接段所受的應力值，再將應力值代入蠕變本構方程，得到不同部位連接段的蠕變量，通過求和得到加熱體鎢管的蠕變量，并將1000h及2000h后計算得到的加熱體蠕變量與實驗數據相對比，發現相差僅0.1mm，與實驗結果較為吻合。計算得到加熱體鎢管在設計壽命3000h內的蠕變量為4.6mm，為安全考慮，預留裕量設計為8mm。

關鍵詞：加熱體鎢管 蠕變速率 預留裕量

中圖分類號：TF532 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0107-03

Abstract： The creep rate under different stresses is obtained by using the stress-strain relationship of the tungsten tube at 2000 C. The stress exponents and material constants in the creep constitutive equation at this temperature are obtained by analyzing the relationship between the steady-state creep rate and stress. Substituting the stress values into the creep constitutive equation， thus the creep values of different parts of the tungsten tube are obtained. the creep values are calculated after 1000 h and 2000 h ，and compared with the experimental data. The difference is only 0.1 mm， which is consistent with the experimental data. The creep of the tungsten tube is calculated to be 4.6 mm within the design life of 3000 h. For safety consideration， the reserved distance is designed to be 8 mm.

Key Words： Heater tungsten tube； Creep rate； Allowance margin

熱離子反應堆電源是利用熱離子轉換技術將反應堆裂變產生的熱能直接轉變為電能的能量轉換裝置，其具有比功率高、無機械轉動等優點，是國際上最具優勢的高效空間核電源之一[1-2]。熱離子燃料元件是熱離子反應堆電源中的重要部件，是集熱離子反應堆的釋熱元件和熱電轉換元件于一體的一種器件[3]，熱離子燃料元件可以分為單節熱離子燃料元件與多節熱離子燃料元件兩類，單節熱離子燃料元件可以用電加熱器代替核燃料作為釋熱元件，進行熱離子燃料元件的發電演練[4]。J.Richard Venabled等[5]對用于模擬TOPAZ-II型熱離子燃料元件的電加熱器的工作環境、性能試驗等都進行了描述，國內也參照國外相關資料設計出了TOPAZ-II型熱離子燃料元件用電加熱器，但在進行堆外電加熱試驗中發現加熱體鎢管因在2000℃高溫下產生蠕變會導致其軸向增長，一旦與下端的定位陶瓷相接觸會導致加熱體鎢管彎曲，因此需要在兩者之間留有足夠的預留裕量。本研究通過計算得到加熱體鎢管在設計壽命期3000h后的蠕變量，進而確定電加熱器下端的預留裕量。

1 TOPAZ-II型熱離子燃料元件用電加熱器介紹

根據TOPAZ II型熱離子燃料元件發射極結構限制，電加熱器結構設計為與核燃料一致的圓管狀結構[6]，熱離子發電元件試驗用電加熱器的結構包括：有效加熱體、支撐定位組件、膨脹節補償組件、定位導向陶瓷、定位套管和電極等，如圖1所示[7]。有效加熱體為電加熱器主要發熱部分；膨脹節補償組件主要起到軸向補償高溫蠕變變形，釋放應力的作用，避免電加熱器發生彎曲變形；支撐定位組件由內外兩部分組成，由陶瓷定位和絕緣，外部電極管上鑲嵌陶瓷對發射極進行絕緣；當電加熱器垂直插入發射極內腔后，定位套管處的陶瓷端座與發射極上端接觸配合，定位和固定整個電加熱器；電極分別接電源兩極，使整個電加熱器構成閉合回路。

有效加熱體是電加熱器的發熱段，其工作溫度在2000℃左右，為保證加熱體可以獲得較高的發熱量，采用周向切槽方式來增加其阻值，從而增大發熱量。高溫下長時間工作加熱體鎢管會產生蠕變與熱膨脹，由于內外部件選用的材料及溫度對應一致，故內外的熱膨脹量正好相互抵消，因此加熱體的軸向增長量即為其蠕變增長量。

2 蠕變本構方程的選定

金屬的蠕變過程可以按蠕變速率的變化情況可以分為三個階段，分別為減速蠕變階段、穩態蠕變階段及加速蠕變階段，加熱體鎢管蠕變由于減速蠕變階段時間較短，故忽略其減速蠕變階段。對于穩態蠕變階段，用于描述金屬材料單軸應力下蠕變行為的本構模型可以分為冪指數函數形式和雙曲正弦函數形式兩種[8]，Bailey 和Norton提出的冪指數函數形式的本構模型中，蠕變應變速率與應力的關系如下：

冪指數型本構方程的形式較為簡單且待定材料常數少，因此此模型得到了廣泛應用，但是這種模型一般應用于低應力下的蠕變過程，對于應力較高且發生應力變化的過程，冪指數型模型并不適用。