海洋环境下浮动核电站控制棒落棒行为的建模与安全分析

针对海洋条件下浮动核电站(FNPP)控制棒(CR)落棒过程中面临的流体-结构耦合(FSI)非线性难题，研究团队通过建立相对坐标系下的简化Navier-Stokes方程模型，创新性提出双时间步辛算法(ATSEM)，结合小规模与全尺寸实验验证，系统分析了常规与极端海况下的CR落棒动力学特性，为海上核反应堆安全设计提供了关键技术支撑。

　　

在能源转型与海洋开发的背景下，浮动核电站(Floating Nuclear Power Plant, FNPP)因其清洁高效的特点成为国际关注焦点。然而，当这种"海上核堡垒"遭遇风浪时，其核心安全部件——控制棒(Control Rod, CR)的紧急落棒行为将面临前所未有的挑战。与陆地核电站不同，船舶的六自由度运动（包括横摇、纵摇等）会使CR与导向管(Guide Tube, GT)之间产生高频碰撞，流体场呈现强非线性特征，传统分析模型难以适用。更棘手的是，CR与GT间仅毫米级的狭缝间隙，使得数值模拟极易出现病态问题。如何建立高效精确的CR落棒动力学模型，成为保障FNPP安全运行必须攻克的技术壁垒。

针对这一难题，大连理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表重要成果。他们创新性地构建了"三坐标系转换体系"，将复杂的船舶运动转化为相对坐标系下的CR运动方程与流体控制方程。通过量纲分析和高阶小量忽略，将三维Navier-Stokes方程简化为可计算的一维形式。针对横向力强非线性、轴向力弱非对称的特点，开发了双时间步辛算法(Adaptive Time-stepping Symplectic Euler's Midpoint, ATSEM)，实现计算效率的突破性提升。研究还通过小规模台架实验和全尺寸CR组件(Control Rod Assembly, CRA)落棒测试双重验证模型可靠性。

关键技术方法
研究采用三大核心技术：1) 基于船舶六自由度运动建立相对坐标系转换模型；2) 结合CR大长径比特征，通过量纲分析简化Navier-Stokes方程；3) 开发ATSEM算法，对横向运动采用微秒级时间步，轴向运动采用毫秒级时间步。实验验证包含直径50mm的小型CR水气两相落棒测试，以及1:1 CRA在模拟海况下的性能验证。

主要研究结果
海洋条件下CR落棒与流体耦合模型
通过建立大地坐标系、船舶坐标系和CR局部坐标系的三重转换关系，推导出包含科里奥利力的CR运动方程。研究发现船舶横摇超过15°时，CR横向位移幅值会骤增300%，但加速弹簧能有效抑制这种不稳定振荡。

双时间步辛算法
ATSEM算法使计算耗时减少68%，而精度误差控制在3%以内。特别值得注意的是，该算法成功捕捉到CR与GT每秒钟高达200次的接触-分离瞬态过程，这是传统龙格-库塔法无法实现的。

模型与算法验证
小型实验显示模拟值与实测值的落棒时间偏差仅0.12秒；全尺寸测试中，带弹簧结构的CR在模拟8级海况下仍能保证1.8秒内完成落棒，完全满足核安全标准要求。

不同海况下的CR落棒分析
极端条件（浪高9米、风速24m/s）下，CR最大横向偏移量达4.7mm，但未发生GT卡涩现象。研究首次量化了船舶纵摇运动对落棒时间的非线性影响：纵摇频率每增加0.1Hz，落棒时间延长约5%。

结论与展望
该研究构建的耦合动力学模型和ATSEM算法，成功解决了海洋环境下CR落棒分析的"两难困境"——计算精度与效率难以兼得的问题。特别是提出的加速弹簧设计，使CR在极端海况下的落棒时间控制在2秒安全阈值内。这项成果不仅为FNPP安全设计提供了关键技术支撑，其创新的双时间步算法更为其他狭缝流固耦合问题（如心血管支架植入模拟）提供了方法论借鉴。未来研究可进一步考虑多CR协同落棒、两相流空泡效应等更复杂工况的耦合机制。