“宁德首炉一体化含钆18个月换料研究与应用”项目由中广核集团自主研发和实施，项目完成单位有中科华核电技术研究院、宁德核电有限公司、中广核工程有限公司、中广核工程设计有限公司。项目于2005年开始前期调研，2007年底正式启动，历时四年完成包括堆芯设计、安全分析、源项与屏蔽设计、系统论证、设备周期性论证、启动物理试验设计等各项研究与论证工作，2011年12月通过国家核安全局安全委员会专家评审。2012年3月国家核安全局正式批准宁德1、2号机组实施18个月换料。宁德1号机组2012年12月首次达临界，2013年4月18日商运，各项设计参数满足要求。2014年4月宁德1号机组在稳定运行一个循环后顺利完成首次换料大修，换料堆芯设计得到验证。
“宁德首炉一体化含钆18个月换料研究与应用”项目历时八年最终获得预期成功，可实现核电厂能力因子提高3%～5%，单机组年发电量增加3～5 亿度，综合经济效益每台机组每年增加1.15 亿人民币。不同于核电厂在商运后通过电厂改造从年度换料过渡到18个月换料，宁德首炉含钆18个月换料项目首次在核电工程建设期间开展全新的初始堆芯设计和安全分析、系统以及设备设计论证，并完成安全分析报告，使得核电厂从首循环开始实现长周期换料先进燃料管理模式。项目共取得3项发明专利“压水堆核电站百万千瓦机组18个月换料方法（ZL 2007 1 0077351.2）”、“中国压水堆核电站百万千瓦机组首循环堆芯装载方法（ZL 2007 1 0124040.7）”、“压水堆核电站反应堆堆芯燃料组件换料方法（ZL 2011 1 0234207.1）”极大促进了国内自主高燃耗燃料管理、堆芯设计和安全分析能力的提升。
一、解决的主要技术难题
作为首次在核电工程建设期间实施长周期堆芯设计和燃料管理论证的项目，该项目在论证及实施过程中遇到了许多技术难点，经分析和研究都得以圆满解决。
1．首循环18个月换料先进燃料管理
首次在工程设计阶段从初始堆芯开始实现18个月换料先进燃料管理，在无成熟参考经验情况下，经大量研究工作，确定了首循环332EFPD，第二循环450EFPD，快速进入18个月，富集度从首循环3.1%直接跨越到平衡循环换料富集度4.45%，不采用过渡富集度，仅用2个过渡循环即达到平衡循环509EFPD。相比之下，EPR和AP1000燃料管理过渡到平衡循环都是经过了4个过渡循环。该项目燃料管理方案成功实现快速过渡，更快达到高燃耗循环。
2．首循环完全使用钆代替硼玻璃作为可燃毒物
传统压水堆首炉堆芯都采用硼玻璃可燃毒物，该项目从减少高放废物及节约成本角度，在首循环完全采用钆可燃毒物替代硼玻璃。钆快速消耗引起局部功率峰的特性，导致堆芯轴向功率控制相对困难，热点因子容易超限，经大量方案搜索及对比论证，确定了合理的Gd2O3重量百分比、含钆燃料棒235U的富集度、燃料组件中的钆棒数量以及含钆燃料组件数量及分布，并优化全寿期AO控制策略，满足了堆芯设计和运行控制的要求。
3．首炉含钆堆芯启动物理试验
首炉含钆堆芯启动物理试验为国际首例，缺乏参考经验，难度较大。经过近三年的研究，通过合理的试验方案设计、计算模型改进等，克服了参考电站控制棒价值偏差大易超限、N-1置换棒选择不合理安全风险大、部分试验无判据等难题，建立了一整套适用于首炉含钆堆芯的启动物理试验设计方法。宁德1号机首次启动物理试验结果偏差创同类机组历史最好水平。
4．工程建设期间的18个月换料周期性论证
工程建设期间开展周期性论证工作面临诸多困难，包括论证方法不完善、经验少、国产化设备比例高、经验反馈数据少等。针对上述困难，通过收集尽量多的经验反馈数据和厂家维修建议、建立故障模型、进行重要性和可靠性评价、建立PSA分析模型等多种手段，构建了一套较完备的论证方法。通过对宁德核电站300多个系统以及相关设备的论证分析，最终证明机电仪预防性维修、性能试验、定期试验、在役检查、土建检查等方面都可以满足18个月换料的要求，论证结果得到了NNSA（国家核安全局）的认可。
5．全面的安全分析
18个月换料燃料管理引起堆芯功率峰因子较年度换料增大，同时，项目热工水力设计流量偏低以及DCS及SOP的引入，给安全分析带来较大的挑战。通过采用成熟先进的安全分析方法，如三维功率能力、三维弹棒分析、确定现实的大破口分析方法和全统计DNB分析方法等，使项目的安全分析结论满足相关法规要求。
此外，由于钆棒热导率较低及熔化限值低等特性，含钆堆芯安全性受到广泛关注。一方面，通过合理的堆芯设计避免含钆燃料棒成为“热棒”，另一方面，建立了一套完整的含钆燃料棒安全分析方法，论证了钆棒在正常运行和事故工况下都有较大的安全裕量。
6．高度的运行灵活性
为了增加机组的运行灵活性，引入长期低功率运行（ELPO）和寿期末延伸运行（SO）。国内首次针对半速汽轮机开展延伸运行论证。通过分析论证，克服了半速机极限曲线较低等困难，实现了寿期末30EFPD的延伸运行能力。此外，通过大量二类瞬态下燃料棒PCI裕量分析，实现了75%FP平台下90天或50%FP平台下30天的ELPO运行能力。
7．一回路源项计算建模
M310传统设计中存在屏蔽和排放源项不统一、辐射源项过于保守、未开展C14等源项计算等问题，同时新版国标GB6249、GB18871对放射性排放源项及辐射防护提出了更加严格的要求。项目经过大量的研究，统一了屏蔽和排放两种源项，首次建立了18个月换料一回路源项模型，精确计算了氚和C14排放量，满足了安审要求。
8．复杂项目管理
该项目论证涉及堆芯设计、燃料设计、辐射屏蔽及源项分析、热工水力设计、安全分析、系统设计与论证、设备周期性论证、环境影响评价、调试启动等众多专业领域，参与单位多，并且在现场实施过程中涉及两套方案的切换，接口复杂，时间跨度长，系统集成度高，项目管理难度大。
二、主要技术创新点
1．首次在核电工程建设期间实施长周期堆芯设计和燃料管理研究及论证。
2．国际上压水堆核电厂首次实现从首循环开始即实现长周期换料先进燃料管理并成功投产。
3．国际上首次在首循环完全采用弥散性钆可燃毒物取代离散型硼玻璃可燃毒物组件，减少了核电厂高放废物量。
4．第二循环燃料换料富集度由3.2%直接提高到4.45%，循环长度达到17～19个月。
5．工程建设期间完成设备周期性论证，满足18个月换料大修要求。
6．针对FSAR开展全面的安全分析，编制安全分析报告。
7．针对含钆燃料棒开展专门安全分析，通过分析验证含轧燃料棒在事故下的安全性。
8．增加长期低功率运行（ELPO）和半速汽轮机寿期末延伸运行方式（Stretch-out），提高核电厂运行灵活性。
9．实现低中子泄漏堆芯装载，可延长压力容器寿命。
10．实现一回路源项的统一，按照新的国标在工程设计阶段进行排放源项的重新设计。
三、社会经济效益
该项目的应用可为核电业主带来良好的经济效益和社会效益。相比传统年度换料，项目可显著提高机组负荷因子3%～5%，折合每台机组每年收益增加1.15亿元人民币；首循环用钆替代硼玻璃可燃毒物棒，每台机组减少了68组硼玻璃可燃毒物组件，减少了高放废物；提高组件的卸料燃耗，可减少乏燃料处理量10%；采用低泄漏堆芯装载，可降低压力容器所受快中子注量30%；减少大修次数，从而大幅减少大修集体剂量及低放废物；压力容器寿命主要受快中子注量影响，实施本项目后，压力容器所受快中子注量减少30%，压力容器60 年寿命成为可能；增加了长期低功率运行（ELPO）和延伸运行（SO）的论证，这两种运行方式的增加可以大大提高运行灵活性，在原发电计划的基础上，业主可以灵活地进行大修安排、调峰安排以及应对特殊外部事件。
该项目首次在国内自主完成了长周期换料堆芯设计与安全分析及相关论证，提高了我国百万千瓦级核电厂自主化设计能力，并为后续国内自主三代堆的研发提供了有益的借鉴。同时，该项目的成功实施使得新建CPR1000核电厂在燃料管理方面具备三代特征。在中广核正在建设的核电机组中，开工晚于宁德1号机组的所有CPR1000和ACPR1000系列机组都采用了首炉一体化含钆18个月换料设计方案，包括宁德1-6号机组、阳江1-6号机组、红沿河5、6号机组和防城港1、2号机组。
