“寧德首爐一體化含釓18個月換料研究與應用”項目由中廣核集團自主研發和實施，項目完成單位有中科華核電技術研究院、寧德核電有限公司、中廣核工程有限公司、中廣核工程設計有限公司。項目于2005年開始前期調研，2007年底正式啟動，歷時四年完成包括堆芯設計、安全分析、源項與屏蔽設計、系統論證、設備周期性論證、啟動物理試驗設計等各項研究與論證工作，2011年12月通過國家核安全局安全委員會專家評審。2012年3月國家核安全局正式批準寧德1、2號機組實施18個月換料。寧德1號機組2012年12月首次達臨界，2013年4月18日商運，各項設計參數滿足要求。2014年4月寧德1號機組在穩定運行一個循環后順利完成首次換料大修，換料堆芯設計得到驗證。
“寧德首爐一體化含釓18個月換料研究與應用”項目歷時八年最終獲得預期成功，可實現核電廠能力因子提高3%～5%，單機組年發電量增加3～5 億度，綜合經濟效益每臺機組每年增加1.15 億人民幣。不同于核電廠在商運后通過電廠改造從年度換料過渡到18個月換料，寧德首爐含釓18個月換料項目首次在核電工程建設期間開展全新的初始堆芯設計和安全分析、系統以及設備設計論證，并完成安全分析報告，使得核電廠從首循環開始實現長周期換料先進燃料管理模式。項目共取得3項發明專利“壓水堆核電站百萬千瓦機組18個月換料方法（ZL 2007 1 0077351.2）”、“中國壓水堆核電站百萬千瓦機組首循環堆芯裝載方法（ZL 2007 1 0124040.7）”、“壓水堆核電站反應堆堆芯燃料組件換料方法（ZL 2011 1 0234207.1）”極大促進了國內自主高燃耗燃料管理、堆芯設計和安全分析能力的提升。
一、解決的主要技術難題
作為首次在核電工程建設期間實施長周期堆芯設計和燃料管理論證的項目，該項目在論證及實施過程中遇到了許多技術難點，經分析和研究都得以圓滿解決。
1．首循環18個月換料先進燃料管理
首次在工程設計階段從初始堆芯開始實現18個月換料先進燃料管理，在無成熟參考經驗情況下，經大量研究工作，確定了首循環332EFPD，第二循環450EFPD，快速進入18個月，富集度從首循環3.1%直接跨越到平衡循環換料富集度4.45%，不采用過渡富集度，僅用2個過渡循環即達到平衡循環509EFPD。相比之下，EPR和AP1000燃料管理過渡到平衡循環都是經過了4個過渡循環。該項目燃料管理方案成功實現快速過渡，更快達到高燃耗循環。
2．首循環完全使用釓代替硼玻璃作為可燃毒物
傳統壓水堆首爐堆芯都采用硼玻璃可燃毒物，該項目從減少高放廢物及節約成本角度，在首循環完全采用釓可燃毒物替代硼玻璃。釓快速消耗引起局部功率峰的特性，導致堆芯軸向功率控制相對困難，熱點因子容易超限，經大量方案搜索及對比論證，確定了合理的Gd2O3重量百分比、含釓燃料棒235U的富集度、燃料組件中的釓棒數量以及含釓燃料組件數量及分布，并優化全壽期AO控制策略，滿足了堆芯設計和運行控制的要求。
3．首爐含釓堆芯啟動物理試驗
首爐含釓堆芯啟動物理試驗為國際首例，缺乏參考經驗，難度較大。經過近三年的研究，通過合理的試驗方案設計、計算模型改進等，克服了參考電站控制棒價值偏差大易超限、N-1置換棒選擇不合理安全風險大、部分試驗無判據等難題，建立了一整套適用于首爐含釓堆芯的啟動物理試驗設計方法。寧德1號機首次啟動物理試驗結果偏差創同類機組歷史最好水平。
4．工程建設期間的18個月換料周期性論證
工程建設期間開展周期性論證工作面臨諸多困難，包括論證方法不完善、經驗少、國產化設備比例高、經驗反饋數據少等。針對上述困難，通過收集盡量多的經驗反饋數據和廠家維修建議、建立故障模型、進行重要性和可靠性評價、建立PSA分析模型等多種手段，構建了一套較完備的論證方法。通過對寧德核電站300多個系統以及相關設備的論證分析，最終證明機電儀預防性維修、性能試驗、定期試驗、在役檢查、土建檢查等方面都可以滿足18個月換料的要求，論證結果得到了NNSA（國家核安全局）的認可。
5．全面的安全分析
18個月換料燃料管理引起堆芯功率峰因子較年度換料增大，同時，項目熱工水力設計流量偏低以及DCS及SOP的引入，給安全分析帶來較大的挑戰。通過采用成熟先進的安全分析方法，如三維功率能力、三維彈棒分析、確定現實的大破口分析方法和全統計DNB分析方法等，使項目的安全分析結論滿足相關法規要求。
此外，由于釓棒熱導率較低及熔化限值低等特性，含釓堆芯安全性受到廣泛關注。一方面，通過合理的堆芯設計避免含釓燃料棒成為“熱棒”，另一方面，建立了一套完整的含釓燃料棒安全分析方法，論證了釓棒在正常運行和事故工況下都有較大的安全裕量。
6．高度的運行靈活性
為了增加機組的運行靈活性，引入長期低功率運行（ELPO）和壽期末延伸運行（SO）。國內首次針對半速汽輪機開展延伸運行論證。通過分析論證，克服了半速機極限曲線較低等困難，實現了壽期末30EFPD的延伸運行能力。此外，通過大量二類瞬態下燃料棒PCI裕量分析，實現了75%FP平臺下90天或50%FP平臺下30天的ELPO運行能力。
7．一回路源項計算建模
M310傳統設計中存在屏蔽和排放源項不統一、輻射源項過于保守、未開展C14等源項計算等問題，同時新版國標GB6249、GB18871對放射性排放源項及輻射防護提出了更加嚴格的要求。項目經過大量的研究，統一了屏蔽和排放兩種源項，首次建立了18個月換料一回路源項模型，精確計算了氚和C14排放量，滿足了安審要求。
8．復雜項目管理
該項目論證涉及堆芯設計、燃料設計、輻射屏蔽及源項分析、熱工水力設計、安全分析、系統設計與論證、設備周期性論證、環境影響評價、調試啟動等眾多專業領域，參與單位多，并且在現場實施過程中涉及兩套方案的切換，接口復雜，時間跨度長，系統集成度高，項目管理難度大。
二、主要技術創新點
1．首次在核電工程建設期間實施長周期堆芯設計和燃料管理研究及論證。
2．國際上壓水堆核電廠首次實現從首循環開始即實現長周期換料先進燃料管理并成功投產。
3．國際上首次在首循環完全采用彌散性釓可燃毒物取代離散型硼玻璃可燃毒物組件，減少了核電廠高放廢物量。
4．第二循環燃料換料富集度由3.2%直接提高到4.45%，循環長度達到17～19個月。
5．工程建設期間完成設備周期性論證，滿足18個月換料大修要求。
6．針對FSAR開展全面的安全分析，編制安全分析報告。
7．針對含釓燃料棒開展專門安全分析，通過分析驗證含軋燃料棒在事故下的安全性。
8．增加長期低功率運行（ELPO）和半速汽輪機壽期末延伸運行方式（Stretch-out），提高核電廠運行靈活性。
9．實現低中子泄漏堆芯裝載，可延長壓力容器壽命。
10．實現一回路源項的統一，按照新的國標在工程設計階段進行排放源項的重新設計。
三、社會經濟效益
該項目的應用可為核電業主帶來良好的經濟效益和社會效益。相比傳統年度換料，項目可顯著提高機組負荷因子3%～5%，折合每臺機組每年收益增加1.15億元人民幣；首循環用釓替代硼玻璃可燃毒物棒，每臺機組減少了68組硼玻璃可燃毒物組件，減少了高放廢物；提高組件的卸料燃耗，可減少乏燃料處理量10%；采用低泄漏堆芯裝載，可降低壓力容器所受快中子注量30%；減少大修次數，從而大幅減少大修集體劑量及低放廢物；壓力容器壽命主要受快中子注量影響，實施本項目后，壓力容器所受快中子注量減少30%，壓力容器60 年壽命成為可能；增加了長期低功率運行（ELPO）和延伸運行（SO）的論證，這兩種運行方式的增加可以大大提高運行靈活性，在原發電計劃的基礎上，業主可以靈活地進行大修安排、調峰安排以及應對特殊外部事件。
該項目首次在國內自主完成了長周期換料堆芯設計與安全分析及相關論證，提高了我國百萬千瓦級核電廠自主化設計能力，并為后續國內自主三代堆的研發提供了有益的借鑒。同時，該項目的成功實施使得新建CPR1000核電廠在燃料管理方面具備三代特征。在中廣核正在建設的核電機組中，開工晚于寧德1號機組的所有CPR1000和ACPR1000系列機組都采用了首爐一體化含釓18個月換料設計方案，包括寧德1-6號機組、陽江1-6號機組、紅沿河5、6號機組和防城港1、2號機組。
