“寧德首爐一體化含釓18個月?lián)Q料研究與應(yīng)用”項目由中廣核集團(tuán)自主研發(fā)和實施，項目完成單位有中科華核電技術(shù)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(shè)計有限公司。項目于2005年開始前期調(diào)研，2007年底正式啟動，歷時四年完成包括堆芯設(shè)計、安全分析、源項與屏蔽設(shè)計、系統(tǒng)論證、設(shè)備周期性論證、啟動物理試驗設(shè)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(zhǔn)寧德1、2號機(jī)組實施18個月?lián)Q料。寧德1號機(jī)組2012年12月首次達(dá)臨界，2013年4月18日商運，各項設(shè)計參數(shù)滿足要求。2014年4月寧德1號機(jī)組在穩(wěn)定運行一個循環(huán)后順利完成首次換料大修，換料堆芯設(shè)計得到驗證。
“寧德首爐一體化含釓18個月?lián)Q料研究與應(yīng)用”項目歷時八年最終獲得預(yù)期成功，可實現(xiàn)核電廠能力因子提高3%～5%，單機(jī)組年發(fā)電量增加3～5 億度，綜合經(jīng)濟(jì)效益每臺機(jī)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?lián)Q料，寧德首爐含釓18個月?lián)Q料項目首次在核電工程建設(shè)期間開展全新的初始堆芯設(shè)計和安全分析、系統(tǒng)以及設(shè)備設(shè)計論證，并完成安全分析報告，使得核電廠從首循環(huán)開始實現(xiàn)長周期換料先進(jìn)燃料管理模式。項目共取得3項發(fā)明專利“壓水堆核電站百萬千瓦機(jī)組18個月?lián)Q料方法（ZL 2007 1 0077351.2）”、“中國壓水堆核電站百萬千瓦機(jī)組首循環(huán)堆芯裝載方法（ZL 2007 1 0124040.7）”、“壓水堆核電站反應(yīng)堆堆芯燃料組件換料方法（ZL 2011 1 0234207.1）”極大促進(jìn)了國內(nèi)自主高燃耗燃料管理、堆芯設(shè)計和安全分析能力的提升。
一、解決的主要技術(shù)難題
作為首次在核電工程建設(shè)期間實施長周期堆芯設(shè)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(shù)難點，經(jīng)分析和研究都得以圓滿解決。
1．首循環(huán)18個月?lián)Q料先進(jìn)燃料管理
首次在工程設(shè)計階段從初始堆芯開始實現(xiàn)18個月?lián)Q料先進(jìn)燃料管理，在無成熟參考經(jīng)驗情況下，經(jīng)大量研究工作，確定了首循環(huán)332EFPD，第二循環(huán)450EFPD，快速進(jìn)入18個月，富集度從首循環(huán)3.1%直接跨越到平衡循環(huán)換料富集度4.45%，不采用過渡富集度，僅用2個過渡循環(huán)即達(dá)到平衡循環(huán)509EFPD。相比之下，EPR和AP1000燃料管理過渡到平衡循環(huán)都是經(jīng)過了4個過渡循環(huán)。該項目燃料管理方案成功實現(xiàn)快速過渡，更快達(dá)到高燃耗循環(huán)。
2．首循環(huán)完全使用釓代替硼玻璃作為可燃毒物
傳統(tǒng)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(jié)約成本角度，在首循環(huán)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(dǎo)致堆芯軸向功率控制相對困難，熱點因子容易超限，經(jīng)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(shù)量以及含釓燃料組件數(shù)量及分布，并優(yōu)化全壽期AO控制策略，滿足了堆芯設(shè)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(jīng)驗，難度較大。經(jīng)過近三年的研究，通過合理的試驗方案設(shè)計、計算模型改進(jìn)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(fēng)險大、部分試驗無判據(jù)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(shè)計方法。寧德1號機(jī)首次啟動物理試驗結(jié)果偏差創(chuàng)同類機(jī)組歷史最好水平。
4．工程建設(shè)期間的18個月?lián)Q料周期性論證
工程建設(shè)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(jīng)驗少、國產(chǎn)化設(shè)備比例高、經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)少等。針對上述困難，通過收集盡量多的經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)和廠家維修建議、建立故障模型、進(jìn)行重要性和可靠性評價、建立PSA分析模型等多種手段，構(gòu)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(tǒng)以及相關(guān)設(shè)備的論證分析，最終證明機(jī)電儀預(yù)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?lián)Q料的要求，論證結(jié)果得到了NNSA（國家核安全局）的認(rèn)可。
5．全面的安全分析
18個月?lián)Q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(shè)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(zhàn)。通過采用成熟先進(jìn)的安全分析方法，如三維功率能力、三維彈棒分析、確定現(xiàn)實的大破口分析方法和全統(tǒng)計DNB分析方法等，使項目的安全分析結(jié)論滿足相關(guān)法規(guī)要求。
此外，由于釓棒熱導(dǎo)率較低及熔化限值低等特性，含釓堆芯安全性受到廣泛關(guān)注。一方面，通過合理的堆芯設(shè)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(jī)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(nèi)首次針對半速汽輪機(jī)開展延伸運行論證。通過分析論證，克服了半速機(jī)極限曲線較低等困難，實現(xiàn)了壽期末30EFPD的延伸運行能力。此外，通過大量二類瞬態(tài)下燃料棒PCI裕量分析，實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計中存在屏蔽和排放源項不統(tǒng)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(biāo)GB6249、GB18871對放射性排放源項及輻射防護(hù)提出了更加嚴(yán)格的要求。項目經(jīng)過大量的研究，統(tǒng)一了屏蔽和排放兩種源項，首次建立了18個月?lián)Q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(fù)雜項目管理
該項目論證涉及堆芯設(shè)計、燃料設(shè)計、輻射屏蔽及源項分析、熱工水力設(shè)計、安全分析、系統(tǒng)設(shè)計與論證、設(shè)備周期性論證、環(huán)境影響評價、調(diào)試啟動等眾多專業(yè)領(lǐng)域，參與單位多，并且在現(xiàn)場實施過程中涉及兩套方案的切換，接口復(fù)雜，時間跨度長，系統(tǒng)集成度高，項目管理難度大。
二、主要技術(shù)創(chuàng)新點
1．首次在核電工程建設(shè)期間實施長周期堆芯設(shè)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(xiàn)從首循環(huán)開始即實現(xiàn)長周期換料先進(jìn)燃料管理并成功投產(chǎn)。
3．國際上首次在首循環(huán)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(huán)燃料換料富集度由3.2%直接提高到4.45%，循環(huán)長度達(dá)到17～19個月。
5．工程建設(shè)期間完成設(shè)備周期性論證，滿足18個月?lián)Q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(jī)壽期末延伸運行方式（Stretch-out），提高核電廠運行靈活性。
9．實現(xiàn)低中子泄漏堆芯裝載，可延長壓力容器壽命。
10．實現(xiàn)一回路源項的統(tǒng)一，按照新的國標(biāo)在工程設(shè)計階段進(jìn)行排放源項的重新設(shè)計。
三、社會經(jīng)濟(jì)效益
該項目的應(yīng)用可為核電業(yè)主帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。相比傳統(tǒng)年度換料，項目可顯著提高機(jī)組負(fù)荷因子3%～5%，折合每臺機(jī)組每年收益增加1.15億元人民幣；首循環(huán)用釓替代硼玻璃可燃毒物棒，每臺機(jī)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(shù)，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(fā)電計劃的基礎(chǔ)上，業(yè)主可以靈活地進(jìn)行大修安排、調(diào)峰安排以及應(yīng)對特殊外部事件。
該項目首次在國內(nèi)自主完成了長周期換料堆芯設(shè)計與安全分析及相關(guān)論證，提高了我國百萬千瓦級核電廠自主化設(shè)計能力，并為后續(xù)國內(nèi)自主三代堆的研發(fā)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(shè)的核電機(jī)組中，開工晚于寧德1號機(jī)組的所有CPR1000和ACPR1000系列機(jī)組都采用了首爐一體化含釓18個月?lián)Q料設(shè)計方案，包括寧德1-6號機(jī)組、陽江1-6號機(jī)組、紅沿河5、6號機(jī)組和防城港1、2號機(jī)組。
