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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到了不同應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率，并通過對穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力之間的量化關(guān)系，得到了此溫度下蠕變本構(gòu)方程中的應(yīng)力指數(shù)及材料常數(shù)值。通過計算得到加熱體鎢管不同部位連接段所受的應(yīng)力值，再將應(yīng)力值代入蠕變本構(gòu)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(shù)據(jù)相對比，發(fā)現(xiàn)相差僅0.1mm，與實驗結(jié)果較為吻合。計算得到加熱體鎢管在設(shè)計壽命3000h內(nèi)的蠕變量為4.6mm，為安全考慮，預(yù)留裕量設(shè)計為8mm。

關(guān)鍵詞：加熱體鎢管 蠕變速率 預(yù)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(yīng)堆電源是利用熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)將反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置，其具有比功率高、無機械轉(zhuǎn)動等優(yōu)點，是國際上最具優(yōu)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(yīng)堆電源中的重要部件，是集熱離子反應(yīng)堆的釋熱元件和熱電轉(zhuǎn)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(jié)熱離子燃料元件與多節(jié)熱離子燃料元件兩類，單節(jié)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(fā)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(huán)境、性能試驗等都進行了描述，國內(nèi)也參照國外相關(guān)資料設(shè)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(fā)現(xiàn)加熱體鎢管因在2000℃高溫下產(chǎn)生蠕變會導(dǎo)致其軸向增長，一旦與下端的定位陶瓷相接觸會導(dǎo)致加熱體鎢管彎曲，因此需要在兩者之間留有足夠的預(yù)留裕量。本研究通過計算得到加熱體鎢管在設(shè)計壽命期3000h后的蠕變量，進而確定電加熱器下端的預(yù)留裕量。

1 TOPAZ-II型熱離子燃料元件用電加熱器介紹

根據(jù)TOPAZ II型熱離子燃料元件發(fā)射極結(jié)構(gòu)限制，電加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計為與核燃料一致的圓管狀結(jié)構(gòu)[6]，熱離子發(fā)電元件試驗用電加熱器的結(jié)構(gòu)包括：有效加熱體、支撐定位組件、膨脹節(jié)補償組件、定位導(dǎo)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(fā)熱部分；膨脹節(jié)補償組件主要起到軸向補償高溫蠕變變形，釋放應(yīng)力的作用，避免電加熱器發(fā)生彎曲變形；支撐定位組件由內(nèi)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(fā)射極進行絕緣；當電加熱器垂直插入發(fā)射極內(nèi)腔后，定位套管處的陶瓷端座與發(fā)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(gòu)成閉合回路。

有效加熱體是電加熱器的發(fā)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(fā)熱量，采用周向切槽方式來增加其阻值，從而增大發(fā)熱量。高溫下長時間工作加熱體鎢管會產(chǎn)生蠕變與熱膨脹，由于內(nèi)外部件選用的材料及溫度對應(yīng)一致，故內(nèi)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(gòu)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)蠕變階段，用于描述金屬材料單軸應(yīng)力下蠕變行為的本構(gòu)模型可以分為冪指數(shù)函數(shù)形式和雙曲正弦函數(shù)形式兩種[8]，Bailey 和Norton提出的冪指數(shù)函數(shù)形式的本構(gòu)模型中，蠕變應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系如下：

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