壓水堆核電廠乏燃料后處理平準(zhǔn)成本分析

張小枝, 何 輝, 鄭衛(wèi)芳, 葉國安

（中國原子能科學(xué)研究院, 北京 102413）

壓水堆核電廠乏燃料后處理平準(zhǔn)成本分析

張小枝, 何 輝, 鄭衛(wèi)芳, 葉國安

（中國原子能科學(xué)研究院, 北京 102413）

基于壓水堆核電廠乏燃料后處理工廠的規(guī)模與建設(shè)費(fèi)用的半定量關(guān)系，以年處理能力為800 t的商用后處理廠為例，采用自上而下的方法，重點(diǎn)分析了隔夜成本、建造期和建造期間的利率，對采用PUREX流程的后處理工廠的建設(shè)費(fèi)用影響；并用與建造期相同的利率，計算了UOX乏燃料后處理的平準(zhǔn)成本。

壓水堆乏燃料; PUREX流程; 核電平準(zhǔn)成本

伴隨著我國核電規(guī)模化、系列化和商業(yè)化的進(jìn)程，核電廠乏燃料的最終處置或處理進(jìn)行市場運(yùn)作是必然的。核燃料閉合循環(huán)是我國核電基本政策[1]，乏燃料后處理是閉合循環(huán)后段的主要環(huán)節(jié)。因此，乏燃料后處理平準(zhǔn)成本是核電全成本的重要組成部分。

以PUREX為主要流程的輕水堆乏燃料后處理技術(shù)是國際公認(rèn)成熟的商業(yè)化技術(shù)。然而，后處理技術(shù)自身的難度和復(fù)雜程度，使得其工廠的建造、運(yùn)行和退役有較大的不確定性。以商業(yè)為目的建設(shè)和運(yùn)行后處理廠的公司只有AREVA和BNFL[2]。

乏燃料后處理技術(shù)涉及國際、國內(nèi)不同領(lǐng)域的政策和法規(guī)，也受地方法規(guī)的影響，加之不可預(yù)測的自然災(zāi)害，為了保障核能長期穩(wěn)定的發(fā)展，世界核電大國一直持續(xù)開展核電廠乏燃料后處理的經(jīng)濟(jì)分析工作[4-6]。

1 乏燃料后處理平準(zhǔn)成本的主要構(gòu)成

乏燃料后處理的經(jīng)濟(jì)分析是基于后處理廠的建設(shè)規(guī)模、后處理廠自身建設(shè)、運(yùn)行、融資結(jié)構(gòu)、退役等5項關(guān)鍵因素而開展的[3-4，9]。這5項因素的費(fèi)用同時決定了后處理的平準(zhǔn)成本。如果注重閉合循環(huán)，通常還計算乏燃料的中間儲存（濕法或干法）費(fèi)用和高放廢液玻璃固化體的地質(zhì)處置費(fèi)用。前者已經(jīng)充分市場化，后者國際上另有專門的研究報告。在核電總平準(zhǔn)成本計算中，從鈾礦開采到放射性廢物的最終處置，每一環(huán)節(jié)被分割為獨(dú)立核算單元，每個單元又被分割為模塊。模塊、單元之間的費(fèi)用是線性加和關(guān)系[6-8]。因此中間儲存和高放玻璃固化體地質(zhì)處置費(fèi)用的變化或調(diào)整，能夠用相應(yīng)的單位電價表述。這里重點(diǎn)關(guān)注后處理廠建設(shè)規(guī)模、隔夜成本（基本建設(shè)投資）和建設(shè)期間利息3項主要因素對乏燃料后處理平準(zhǔn)成本的影響。

1.1 乏燃料后處理廠的建設(shè)規(guī)模與投資強(qiáng)度的關(guān)系

對于工業(yè)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)能力，可以降低產(chǎn)品的單位成本，實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。生產(chǎn)能力與單位成本的關(guān)系可以用拇指定律（Thumb Law）定量描述：

其中，年處理能力為M0的工廠需要投資C0，γ在0.1～0.9取值。

橡樹嶺實驗室根據(jù)后處理廠的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了生產(chǎn)能力與單位成本的關(guān)系[9]。對于UOX乏燃料，當(dāng)C≤500 HMT/a時，γ接近0.1，其物理意義在于年生產(chǎn)能力在幾十噸和500 t之間時，后處理廠的投資費(fèi)用相差不大；當(dāng)C≥5 000 HMT/a時，γ接近0.9，意為工廠生產(chǎn)能力增加1倍，投資費(fèi)用幾乎翻翻。呈顯規(guī)模效益的工廠，其能力在500～5 000 HMT/a，實現(xiàn)單位成本最小的工廠生產(chǎn)能力為2 500 HMT/a。建設(shè)兩座2 500 t/a后處理設(shè)施的費(fèi)用，比建設(shè)一座生產(chǎn)能力為5 000 HMT/a的費(fèi)用高30%，但降低了偶然因素導(dǎo)致全部后處理能力喪失的風(fēng)險。這是美國在20世紀(jì)60年代建立1 500 t商用廠和21世紀(jì)初GNEP倡議建立2 500 t后處理廠的依據(jù)之一。波斯頓咨詢集團(tuán)（BCG）受AREVA委托，在對美國壓水堆乏燃料后處理做經(jīng)濟(jì)分析時，同樣采用年2 500 t的生產(chǎn)能力。值得注意的是在BCG的報告中，工廠的生產(chǎn)規(guī)模主要是通過增加主工藝生產(chǎn)線的數(shù)量得到提高，而不是提高單一生產(chǎn)線的年處理能力, 采用的工藝也由PUREX流程改為COEX流程。

事實上，目前商業(yè)化的后處理廠年處理能力仍為800 t。UOX乏燃料的處理速度還要受到被分離钚的使用情況所限。否則，多余钚及其他超鈾物質(zhì)的管控會增加燃料循環(huán)后段的費(fèi)用。

1.2 乏燃料后處理廠的建設(shè)成本

后處理廠的成本可分為建設(shè)成本、運(yùn)行成本和退役費(fèi)用。在沒能夠直接獲取運(yùn)行成本和退役費(fèi)用時，經(jīng)常按照建設(shè)成本的一定比例計提后兩項，乏燃料后處理成本的核心是建設(shè)成本。

建設(shè)成本Ccap受4項因素決定：后處理廠建設(shè)的隔夜成本Cb、建設(shè)期間的利息IDC（Interest During Construction）、投入商業(yè)運(yùn)行前的其他費(fèi)用和不可預(yù)測費(fèi):式中：Fidc——建設(shè)期間利息系數(shù)；

Fpreop——工廠滿負(fù)荷運(yùn)行前的其他費(fèi)用系數(shù)；

Fcont——不可預(yù)見費(fèi)用系數(shù)。

1.2.1 后處理廠建設(shè)的隔夜成本

國際上關(guān)于采用PUREX流程處理輕水堆乏燃料工廠的建設(shè)費(fèi)用的研究一直不斷。2007年，GIF對以前的報告進(jìn)行了匯總。在對先進(jìn)核燃料循環(huán)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析時，GIF提出了模塊化、單元化的“自上而下”（Top-Down）和“自下而上”(Bottom-Up)的大型核設(shè)施建設(shè)成本估算方法[10]。

自下而上的估算方法與施工前的工程預(yù)算相似。基于施工設(shè)計或三維模型，造價工程師根據(jù)主要工藝單元的布置圖能夠準(zhǔn)備出詳細(xì)的基本預(yù)算，它包括設(shè)備清單及各個物項的特征描述，以及物品單價和工時費(fèi)用。施工單位根據(jù)項目進(jìn)度要求做出現(xiàn)場間接費(fèi)用預(yù)算。所有物項最終用2位或3位財會成本代碼COA（Code of Accounts）匯總計算。顯然，該方法主要適用于具備核設(shè)施設(shè)計建設(shè)能力的公司進(jìn)行成本核算，自下而上核算出的成本中的不可預(yù)測費(fèi)用的比例也可以控制得比較低。

在早期研發(fā)階段，能夠獲得的信息是非常有限的。對這類項目進(jìn)行成本分析時，一般采用自上而下的成本核算策略。在至上而下的方法中，選擇和設(shè)計好參考目標(biāo)是重點(diǎn)。大型設(shè)施建設(shè)的隔夜成本、建設(shè)期間的利息和不可預(yù)測費(fèi)用等是核心參數(shù)。顯然自上而下核算出的成本中的不可預(yù)測費(fèi)用的比例較高。如果在商用后處理廠概念、主要工藝和設(shè)備等方面研究深入，采用自上而下的策略，對我國大廠建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行宏觀評估還是可行的。這里以年處理800 t壓水堆乏燃料后處理廠為參考對象，估算采用PUREX流程的工廠建設(shè)核心金融參數(shù)。

如前所述，只有AREVA和BNFL具有建設(shè)和運(yùn)行商業(yè)后處理工廠的經(jīng)驗。處于商業(yè)利益的考慮，這兩家公司從未公布他們的建設(shè)費(fèi)用和年度運(yùn)行費(fèi)用。美國一直有獨(dú)立的報告分析這兩家工廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)。表1中采用的年處理量800 t的后處理廠的基本建設(shè)費(fèi)用數(shù)據(jù)，被認(rèn)為是可靠的[4,11]。

表1 采用PUREX流程、年處理量800 t的后處理廠建設(shè)基本費(fèi)用Table 1 Overnight capital for constructing LWR spent fuel reprocessing plant with 800 tHM/a treatment capability

表1同時給出了20世紀(jì)90年代前后，日本的六個所（RRP）建設(shè)的預(yù)算經(jīng)費(fèi)[5，10]。該數(shù)據(jù)是法國和日本于1987年簽訂后處理技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議和1990年UP3廠熱試成功之后預(yù)估的5年（1993－1998年）建設(shè)費(fèi)用。根據(jù)圣戈班SGN的報告，在對六個所工廠的設(shè)計中，SGN建議“JNFL簡化后處理廠的設(shè)計，去掉鈾和钚的第三純化循環(huán)，以節(jié)約投資和運(yùn)行成本”[12]。考慮日本處于環(huán)太平洋地震帶上，在8 400億日元的預(yù)算中，用于減震和安全方面的費(fèi)用大幅增加。這里簡單假設(shè)，抗震引起的費(fèi)用增加部分，被因技術(shù)更成熟而引起的RRP成本降低部分所抵消。按照當(dāng)時技術(shù)水平和預(yù)算，JNFL能夠在5年內(nèi)建成、3年內(nèi)調(diào)試完畢、2001年投入工業(yè)運(yùn)行的后處理廠。作為技術(shù)出讓方，法國同時在8年內(nèi)獲得足夠的商業(yè)利益。事實上，如果用2003年美元計，RRP的建設(shè)費(fèi)用至少比UP3高20%。

在對英、法工廠的建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行年代換算時，僅考慮了美元的現(xiàn)金流值（以3%計）。如果把后處理廠建設(shè)技術(shù)作為壟斷性的儲備資產(chǎn)，使其以年盈利1%～2%累計增長是合理的（與美國債盈利率持平）。如此，2010年建造UP3廠的隔夜成本應(yīng)在91億～108億美元， THORP廠應(yīng)在72億～101億美元。

1.2.2 后處理廠建設(shè)期間的利息成本

THORP廠建設(shè)和UP2廠擴(kuò)建是政府控股的企業(yè)行為，后處理的軍民兩用性，使得這兩座民用工廠的建設(shè)不承擔(dān)建造期利息IDC。UP3廠是應(yīng)國外用戶需求、并由客戶出資建設(shè)的工廠，計算其IDC沒有商業(yè)意義。RRP是JNFL為業(yè)主、以引進(jìn)UP3為核心技術(shù)、并商業(yè)運(yùn)作的工廠。IDC在RRP總的建設(shè)成本中占有一定比例。

假設(shè)后處理廠的建設(shè)年數(shù)（含調(diào)試時間）為n年，以貸款年息iidc計算，IDC因子Fidc可以表示為：

我國首座后處理工廠的建設(shè)已被列入國家重大專項。其建設(shè)過程中，部分引進(jìn)國外技術(shù)是必然的。涉及到國際合作時，按照國際商業(yè)運(yùn)作模式，應(yīng)計算建造期間的利息。國際原子能機(jī)構(gòu)IAEA和核能協(xié)會NEA推薦，在不計通脹、收入所得稅、資產(chǎn)稅、保險等因素時，建設(shè)期間的年利息分為5%和10%兩個級別。前者接近于美國債利息，后者稍低于風(fēng)險融資利率。這里仍然假設(shè)后處理廠建設(shè)歷時5年、調(diào)試3年、累計8年時，分別以5%和10%兩種利息計算IDC。假設(shè)前4年用去65%的基本資金，后3年的調(diào)試費(fèi)用約占基本資本的21%。按照式（3），對應(yīng)5%和10%的Fidc的計算值分別約為28%和63%。

1.2.3 后處理廠的建設(shè)成本估算

后處理廠投入商業(yè)運(yùn)行前的其他費(fèi)用和不可預(yù)測費(fèi)分別按照總建設(shè)成本的10%計算。其比例與完全市場化的壓水堆核電站建設(shè)的相應(yīng)參數(shù)相同。實際上大型設(shè)施的不可預(yù)見費(fèi)用與其技術(shù)成熟度等級有一定的關(guān)系。顯然，商用后處理廠的技術(shù)成熟度遠(yuǎn)不及輕水堆核電站，這里選用10%的比例是保守的。

把基本投資（隔夜成本）Cb、建設(shè)期間利息因子Fidc、工廠滿負(fù)荷運(yùn)行前的其它費(fèi)用因子Fpreop和不可預(yù)見費(fèi)用因子Fcont帶入式（2）中，可以估算出2011—2019年，以THORP廠和UP3廠為例，為期8年，以2010年美元計算，建成800 HMT/a輕水堆乏燃料后處理廠的建設(shè)資本成本，約需110億～150億美元。

其中，kf是在第k年借貸的隔夜總成本的份額

1.2.4 乏燃料后處理基本成本及相應(yīng)核電平準(zhǔn)成本計算

乏燃料后處理廠的建設(shè)成本可以用單位乏燃料處理成本或單位電價表述。公式（4）用于年度定額償還本息Cyr計算。

乏燃料后處理廠壽期N取30年，年度還貸率i分別取值5%和10%（與建設(shè)期間的利息因子相同），F(xiàn)cr分別為6.51%和10.61%，年度定額償還本息額度對應(yīng)7.26億～7.66億美元和15.07億～15.90億美元。

根據(jù)乏燃料的年度處理量和乏燃料的燃耗及核電站熱工轉(zhuǎn)換效率，可以獲得對應(yīng)后處理廠建設(shè)的乏燃料處理基本成本及相應(yīng)核電平準(zhǔn)成本LUEC。

按照年處理能力800 HMT計算，分?jǐn)偟胶穗娖綔?zhǔn)成本時，采用的燃耗B是55 MW·d/kg，熱電轉(zhuǎn)換率ε為0.34，以此獲得的平準(zhǔn)成本分別是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h，它們對應(yīng)的利率分別是5%和10%。

2 結(jié)果與討論

后處理廠的規(guī)模效應(yīng)符合拇指定律。當(dāng)其能力在500～5 000 HMT/a時，顯示了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)單位成本最小的工廠生產(chǎn)能力為2 500 HMT/a。

明確了后處理廠建設(shè)成本主要組成，建立了后處理廠基本成本計算方法。以2010年美元計算，年處理800 t壓水堆乏燃料工廠建設(shè)的隔夜成本為72億～76億美元，建設(shè)周期8年，使用壽命30年，投入商業(yè)運(yùn)行前的其他費(fèi)用和不可預(yù)測費(fèi)各占10%，分別用5%和10%貸款利率，計算出乏燃料分?jǐn)偟慕ㄔO(shè)成本為907～957美元/kg和1 883～1 988美元/kg。采用平均燃耗55 MW·d/kg，堆熱電轉(zhuǎn)換率ε為0.34，獲得的核電平準(zhǔn)成本是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h。

后處理廠建設(shè)期間的利息成本是建設(shè)資本的主要構(gòu)成。對應(yīng)5%和10%的利率，建設(shè)周期8年時，建設(shè)期間的利息因子Fidc達(dá)1.28和1.63，即建設(shè)利息是隔夜資本的28%或63%。實際上，英國用10年進(jìn)行建設(shè)和調(diào)試THORP廠，日本自1993年開始建設(shè)RRP廠，至今仍然在調(diào)試。工廠的建設(shè)和調(diào)試時間越長，F(xiàn)idc就越高。如果不能夠按期進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，即使不增加隔夜資金投入，后處理廠的總資本成本以（1＋iidc）m的速度增長（m為延期年數(shù)）。

RRP實際建設(shè)和調(diào)試時間到2007年時，已經(jīng)延長了7年（日本和法國的合作部分于2008年完成）。按照IAEA建議的商業(yè)運(yùn)作利息10%計算，其延期的屬于法日商業(yè)合作的資本成本部分就可以使早期的預(yù)算增加近1倍。如果考慮延期的7年期間維持工廠調(diào)試必須承擔(dān)的薪資、技術(shù)研發(fā)等費(fèi)用，RRP實際建設(shè)和調(diào)試總的資本成本即使超過15年前（1992年）預(yù)計的3倍也是可以理解的。

后處理廠的年度運(yùn)行費(fèi)用約在6.8億～7.2億美元（850～900美元/kg），實際退役費(fèi)用尚無可靠數(shù)據(jù)，有學(xué)者采用保守值100美元/kg[3]。這兩項費(fèi)用會導(dǎo)致核電平準(zhǔn)成本增加2.11～2.24美元/MW·h，使得壓水堆核電站乏燃料后處理成本增加到4.13～6.87美元/MW·h。

分?jǐn)偨ㄔO(shè)成本時，假設(shè)后處理廠是以800 HMT/a滿負(fù)荷運(yùn)行的。實際上，扣除2005－2007年的停運(yùn)期，THORP廠在1994年3月至2009年7月的15年內(nèi)的實際年處理量僅有460 t，而UP3的年均處理量估計在650 t。因此，核電的實際平準(zhǔn)成本將增加23%～74%，達(dá)到7.18～8.4美元/MW·h。

在估算后處理廠建設(shè)成本時，這里采取了“自上而下”的方法。如果根據(jù)后處理工藝流程進(jìn)行模塊拆解，采用“自下而上”方法，把每一模塊中的全部物象按照COA代碼進(jìn)行分類計量，可以獲得商用后處理廠建設(shè)的更準(zhǔn)確費(fèi)用。

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Calculation of Levelized Electricity Cost for Reprocessing Spent Fuel of LWR Power Plant

ZHANG Xiao-zhi，HE Hui，ZHENG Wei-Fang，YE Guo-an
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

The reprocessing plant, with an annual processing capacity of 800 metric ton of heavy metal, was studied to observe the overnight capital, construction time and the interest value on the effect of construction cost, after learning the semi-quantitative relationship between the plant scale and the corresponding investment. The levelized electricity cost for reprocessing UOX spent fuel was estimated by using the Top Down method.

spent fuel of LWR; PUREX reprocessing; levelized electricity cost

TL24Article character：A

：1674-1617(2014)04-0331-05

TL24

：A

：1674-1617(2014)04-0331-05

2014-09-19

張小枝（1965—），女，河南孟州人，研究員，博士學(xué)位，核化學(xué)化工專業(yè)。