“華龍一號(hào)”機(jī)組核燃料經(jīng)濟(jì)性分析

法 丹,鄭保軍

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

“華龍一號(hào)”是中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù),肩負(fù)著全面參與國(guó)際和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的使命,而合理的經(jīng)濟(jì)性分析是評(píng)價(jià)其競(jìng)爭(zhēng)力的前提基礎(chǔ)和必要條件。根據(jù)以往的電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),燃料費(fèi)用在核電廠工程造價(jià)中有著舉足輕重的地位。以目前國(guó)內(nèi)的百萬(wàn)千瓦級(jí)二代改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組為例,2/3首爐核燃料費(fèi)用占整個(gè)電廠設(shè)備費(fèi)用的11% 以上,占核島設(shè)備費(fèi)用的20%以上,年燃料費(fèi)用以及核后處理費(fèi)更是占整個(gè)發(fā)電成本的35%左右。

“177堆芯”設(shè)計(jì)作為 “華龍一號(hào)”核電廠三大技術(shù)特點(diǎn)之首,其經(jīng)濟(jì)性分析必然是 “華龍一號(hào)”經(jīng)濟(jì)性分析中最重要的組成部分。本文通過(guò)對(duì) “華龍一號(hào)”機(jī)型燃料在首循環(huán)階段和換料階段的發(fā)電成本進(jìn)行計(jì)算,并與二代改進(jìn)型核電機(jī)組和AP1000核電機(jī)組進(jìn)行比較,分析研究“華龍一號(hào)”核電機(jī)組的燃料經(jīng)濟(jì)性,并對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行了敏感性分析。

1 核燃料循環(huán)

核燃料循環(huán)是指與裂變材料在裂變堆中應(yīng)用有關(guān)的活動(dòng),即包括反應(yīng)堆的燃料供給和乏燃料處理在內(nèi)的全過(guò)程[1]。核電站在壽期內(nèi)要經(jīng)歷幾十個(gè)運(yùn)行循環(huán),按照各循環(huán)的特性,分為初始循環(huán)、過(guò)渡循環(huán)和平衡循環(huán)系列。每個(gè)循環(huán)期末,反應(yīng)堆必須停堆換料,兩次停堆換料完成后核電站啟動(dòng)之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為一個(gè)換料周期,反應(yīng)堆經(jīng)歷一個(gè)換料周期,則稱(chēng)為經(jīng)歷一個(gè)運(yùn)行循環(huán)。運(yùn)行循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為該循環(huán)經(jīng)歷的相當(dāng)于滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間,以等效滿功率天 (EFPD)表示。

核燃料循環(huán)通常分成兩部分:1)核燃料循環(huán)的前端:包括鈾礦的開(kāi)采和加工、鈾的提取和精制、鈾濃縮、燃料元件制造等環(huán)節(jié);2)核燃料循環(huán)的后端:包括反應(yīng)堆輻照過(guò)的乏燃料的中間儲(chǔ)存、乏燃料后處理、放射性廢物的處理處置等[2]。

與核燃料相關(guān)的費(fèi)用,既包括循環(huán)前端的燃料制作相關(guān)費(fèi)用,即天然鈾采購(gòu)、轉(zhuǎn)化服務(wù)、鈾濃縮服務(wù)、組件制作服務(wù)的費(fèi)用,也包括后端的乏燃料后處理費(fèi)用。

對(duì)于后處理費(fèi)用,本文暫不列入分析范圍。這主要是由于目前對(duì)于后處理費(fèi)用通常按照0.026元/k W·h計(jì)算,未考慮組件形式帶來(lái)的差異,但這并不代表不同乏燃料進(jìn)行后處理的實(shí)際經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。而且由于缺少商業(yè)核電廠大規(guī)模乏燃料后處理的實(shí)際工程建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),不同燃料組件的處理成本短期內(nèi)無(wú)法分析。

在組件制作過(guò)程中不可避免地在各階段產(chǎn)生損失,在此設(shè)定,轉(zhuǎn)化、富集、制造階段的損失因子分別取0.5%、0.5%、0.8%。天然鈾富集度0.711%,尾料富集度為0.25%。

目前,對(duì)于燃料的各階段采購(gòu)量 (服務(wù)量)(后文統(tǒng)稱(chēng)消耗量)和費(fèi)用的計(jì)算方法已有一套成熟的計(jì)算模型,在此不再贅述。為了避免單價(jià)高低對(duì)對(duì)比結(jié)果的影響,分別以消耗量和總價(jià)進(jìn)行對(duì)比,以全部消耗量除以發(fā)電量作為單位發(fā)電量的消耗。

2 首爐核燃料經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 裝載方案

2.1.1 “華龍一號(hào)”

反應(yīng)堆電功率為1 161 MW,熱功率為3 050 MW。初始堆芯由177個(gè)AFA3 G燃料組件或CF-3型燃料組件,兩者在參數(shù)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)上比較接近。堆芯鈾裝量為81.35 t。

第一循環(huán)分三區(qū)裝載,富集度和燃料組件個(gè)數(shù)分別為:第一區(qū)1.8%,61個(gè);第二區(qū)2.4%,68個(gè);第三區(qū)3.1%,48個(gè)。第一循環(huán)循環(huán)長(zhǎng)度為336 EFPD(12 585 MW·d/t)。

2.1.2 百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組

反應(yīng)堆熱功率輸出為2 895 MW,最大連續(xù)出力為1 089 MW;堆芯由157個(gè)帶改進(jìn)型格架的AFA-3G燃料組件構(gòu)成,首爐堆芯裝鈾量為72.1 t。

第一循環(huán)堆芯燃料組件分三區(qū)裝載,燃料組件數(shù)量為53、52、52個(gè),對(duì)應(yīng)的三種富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%。第一循環(huán)循環(huán)長(zhǎng)度為319 EFPD(12 817 MW·d/t)。

2.1.3 60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組

反應(yīng)堆熱功率輸出為1 930 MW,最大連續(xù)出力650 MW。

堆芯由121個(gè)AFA3G燃料組件構(gòu)成,裝載分三區(qū)布置,三區(qū)燃料組件數(shù)量分別是41、40、40個(gè),對(duì)應(yīng)的富集度分別為1.9%、2.6%、3.1%,堆芯裝鈾量55.6 t。第一循環(huán)循環(huán)長(zhǎng)度為387 EFPD(13 430 MW·d/t)。

2.1.4 AP1000

反應(yīng)堆電功率為1 250 MW,熱功率為3 400 MW,燃料組件類(lèi)型為17×17 XL Robust。

第一循環(huán)分5區(qū)裝載,燃料組件數(shù)量分別是16、49、28、36、28個(gè),對(duì)應(yīng)的富集度分別為0.74%、1.58%、3.2%、3.776%、4.376%,平均值是2.723 9%。首循環(huán)裝鈾量為84.73t,第一循環(huán)循環(huán)長(zhǎng)度為450 EFPD(18 073 MWd/t U)。

2.2 組件參數(shù)差異

“華龍一號(hào)”機(jī)組采用AFA3G燃料組件或CF-3型燃料組件,百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組和60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組采用AFA3G型燃料組件,AP1000核電機(jī)組采用XL Robust型燃料組件。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),“華龍一號(hào)”組件與二代改進(jìn)型機(jī)組在主要規(guī)格參數(shù)等方面沒(méi)有大的差異,主要差別對(duì)組件制造過(guò)程中的費(fèi)用影響很小。

AP1000組件主要體現(xiàn)在組件較長(zhǎng),其他方面 (燃料棒設(shè)計(jì)、組件尺寸、包殼厚度等方面)基本一致,其組件制造也可以與 “華龍一號(hào)”進(jìn)行比較。各機(jī)組燃料組件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 燃料組件參數(shù)Table 1 Component parameter difference

2.3 消耗量差異

按照首爐燃料裝載方案,計(jì)算各種機(jī)型單位發(fā)電量消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功和組件數(shù)量,結(jié)果如表2所示。

表2 首爐階段單位發(fā)電量消耗的燃料工程量Table 2 The amount of fuel consumed of electricity in the first f uel cycle

“華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功均低于百萬(wàn)千瓦和60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組,在組件數(shù)量上則是 “華龍一號(hào)”機(jī)組消耗最多,這主要與 “華龍一號(hào)”首爐核燃料富集度與其他機(jī)型相比較低有關(guān)。

與AP1000機(jī)組相比, “華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功低于AP1000機(jī)組,但單位發(fā)電量所消耗的組件數(shù)量遠(yuǎn)多于AP1000機(jī)組。

2.4 費(fèi)用差異

根據(jù)調(diào)研的相關(guān)資料,在計(jì)算中采用的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功和組件制造價(jià)格如表3所示,單價(jià)信息詳見(jiàn)UXC.COM網(wǎng),組件制作費(fèi)用則根據(jù)不同機(jī)組相關(guān)情況確定。

表3 燃料相關(guān)價(jià)格參數(shù)Table 3 Relevant f uel price parameter

綜合各階段消耗量和單價(jià)計(jì)算首爐階段單位發(fā)電量所需核燃料費(fèi)用,結(jié)果見(jiàn)表4。

由于 “華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功的數(shù)量均低于AP1000機(jī)組和二代改進(jìn)型機(jī)組,因此采購(gòu)天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功所需的費(fèi)用最低。AP1000機(jī)組天然鈾、轉(zhuǎn)化費(fèi)用水平與 “華龍一號(hào)”較為接近,分離功費(fèi)用相差約16%;與60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組相比,各階段費(fèi)用均有差異,但總體差異約為1%;而與百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組相比費(fèi)用差距總體約在5%左右。對(duì)于單位發(fā)電量所消耗的組件制作費(fèi)用,則是 “華龍一號(hào)”最多,導(dǎo)致總費(fèi)用上“華龍一號(hào)”并不占優(yōu)勢(shì)。

表4 首爐階段單位發(fā)電量所需核燃料費(fèi)用Table 4 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)in the first f uel cycle

計(jì)算各階段所需消耗的燃料費(fèi)用,結(jié)果表明燃料組件制作和天然鈾采購(gòu)在整個(gè)費(fèi)用中占比最大,總計(jì)達(dá)到80%左右;其次是分離功費(fèi)用,而轉(zhuǎn)化過(guò)程中消耗的費(fèi)用最少,因此購(gòu)買(mǎi)天然鈾、進(jìn)行鈾濃縮和燃料組件制作是費(fèi)用控制的重點(diǎn),尤其是燃料組件制作費(fèi)用和天然鈾費(fèi)用。

2.5 敏感性分析

天然鈾、轉(zhuǎn)化和分離功價(jià)格是國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格,受供需變化和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的影響很大,由于福島事故對(duì)世界核電建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響,近幾年價(jià)格下降幅度很大,其價(jià)格變化分別如圖1至3所示。燃料組件制作價(jià)格是國(guó)內(nèi)價(jià)格,受?chē)?guó)際市場(chǎng)影響較小,而且由于產(chǎn)量有限,國(guó)內(nèi)核燃料制作價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 國(guó)際天然鈾價(jià)格變化情況Fig.1 Price change of natural uraniu minternationally

圖2 國(guó)際鈾轉(zhuǎn)化價(jià)格變化情況Fig.2 Price change of uraniu m conversion inter nationally

圖3 國(guó)際分離功價(jià)格變化情況Fig.3 Price change of separation wor k inter nationally

從近20余年的價(jià)格變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),存在天燃鈾價(jià)格達(dá)到40～50＄/lb,轉(zhuǎn)化價(jià)格達(dá)到8～10＄/kg,分離功價(jià)格達(dá)到80～90＄/SWU的可能性。針對(duì)這些價(jià)格變化進(jìn)行分析,假定三個(gè)價(jià)格分別達(dá)到45＄/l b、9＄/kg、85＄/SWU,燃料組件制作價(jià)格由于相對(duì)穩(wěn)定,暫按增長(zhǎng)10%變化幅度考慮,單位發(fā)電量的核燃料費(fèi)用見(jiàn)表5。

表5 首循環(huán)階段價(jià)格變化時(shí)單位發(fā)電量所需核燃料費(fèi)用Table 5 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)with market change in the first fuel cycle

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及組價(jià)制作價(jià)格上漲后,各種核電機(jī)組單位發(fā)電量的核燃料成本上升12～15元/MW·h,二代改進(jìn)型60萬(wàn)千瓦機(jī)組單位發(fā)電量消耗的核燃料費(fèi)用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價(jià)格、其次是分離功價(jià)格。

3 換料階段核燃料經(jīng)濟(jì)性分析

平衡循環(huán)序列是在理想條件下無(wú)限的循環(huán)序列,每個(gè)循環(huán)的性能參數(shù)相同,是核電站壽期內(nèi)的主要循環(huán)序列。由于過(guò)渡循環(huán)序列數(shù)量有限,在總的循環(huán)數(shù)量中所占比例很小,并且循環(huán)的性能參數(shù)通常并不完全相同,同時(shí)為了簡(jiǎn)化分析,文中主要分析平衡循環(huán)換料的燃料經(jīng)濟(jì)性,分析方法與首爐燃料的分析基本相同。

3.1 換料方案

3.1.1 “華龍一號(hào)”

采用低泄漏 (in-out)裝載方式,從第三循環(huán)開(kāi)始,每次裝入68個(gè)富集度為4.45%的新燃料組件,到第五循環(huán)達(dá)到18個(gè)月平衡換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為475 EFPD(17 870 MW·d/t),批卸料燃耗為46 410 MW·d/t。

3.1.2 百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組

從第二循環(huán)開(kāi)始,堆芯沿用out-in裝載方式,每次裝入52個(gè)富集度為3.2%的新燃料組件,卸出52個(gè)燃耗較深或富集度較低的燃料組件,到第五循環(huán)達(dá)到平衡年換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為273 EFPD(10 966 MW·d/t),批卸料燃耗為33 150 MW·d/t。

3.1.3 六十萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組

從第二循環(huán)開(kāi)始,采用out-in的換料方式,每次裝入36個(gè)富集度為3.25%新燃料組件,到第六循環(huán)達(dá)到平衡換料,平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為284 EFPD(9 866 MW·d/t),批卸料燃耗為33 305 MW·d/t。

3.1.4 AP1000

第三循環(huán)及以后,每次裝入64個(gè)富集度分別為4.45%和4.95%的新燃料組件,到第五循環(huán)達(dá)到18個(gè)月平衡換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度為507 EFPD(20 480 MW·d/t),批卸料燃耗為50 013 MW·d/t。

3.2 消耗量差異

計(jì)算單位千瓦發(fā)電量所需消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功、組件數(shù)量如表6所示。

表6 平衡循環(huán)內(nèi)單位發(fā)電量消耗的燃料工程量Table 6 The amount of f uel consumed of electricity in equilibriu m ref ueling stage

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),“華龍一號(hào)”單位發(fā)電量消耗的天然鈾數(shù)量以及轉(zhuǎn)化數(shù)量與AP1000和百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組基本持平,比60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組低13%左右。單位發(fā)電量消耗的分離功與AP1000和60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組持平,比百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組高12%左右。單位發(fā)電量消耗的組件數(shù)量低于二代改進(jìn)型機(jī)組,但比加長(zhǎng)型組件的AP1000多18%左右。

提高富集度、燃耗、循環(huán)長(zhǎng)度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節(jié)省天然鈾。

3.3 費(fèi)用差異

利用消耗的工程量和各自的單價(jià),平衡循環(huán)內(nèi),單位發(fā)電量所需的核燃料費(fèi)用見(jiàn)表7。

表7 平衡循環(huán)內(nèi)單位發(fā)電量消耗的核燃料費(fèi)用Table 7 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)in equilibriu m ref ueling stage

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),從平衡循環(huán)的燃料方案看,“華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化的費(fèi)用與AP1000和百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組基本持平,比60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組低13%左右。單位發(fā)電量分離功費(fèi)用與AP1000和六十萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組接近,比百萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組高12%左右。單位發(fā)電量所需消耗的組件制作費(fèi)用比二代改進(jìn)型機(jī)組和AP1000機(jī)組均低,是 “華龍一號(hào)”換料燃料設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算各階段所需的燃料費(fèi)用,結(jié)果表明燃料組件制作和天然鈾采購(gòu)在整個(gè)費(fèi)用中占比在75%～80%,其次是分離功費(fèi)用所占比例較多。組件制作單價(jià)和天然鈾采購(gòu)費(fèi)用依然是燃料費(fèi)用控制的重點(diǎn)。

3.4 敏感性分析

根據(jù)天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功的市場(chǎng)價(jià)格變化,假定分別達(dá)到45＄/l b、9＄/kg U、85＄/SWU,燃料組件制作價(jià)格暫按增長(zhǎng)10%變化幅度考慮,單位發(fā)電量的核燃料費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)表8。

表8 平衡換料階段價(jià)格變化時(shí)單位發(fā)電量核燃料費(fèi)用Table 8 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)with mar ket change in equilibrium refueling stage

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及組價(jià)制作價(jià)格上漲后,核燃料費(fèi)用上升13～16元/MW·h左右,60萬(wàn)千瓦二代改進(jìn)型機(jī)組單位發(fā)電量消耗的核燃料費(fèi)用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價(jià)格、其次是分離功價(jià)格。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì) “華龍一號(hào)”首爐階段和平衡換料階段燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,并與AP1000機(jī)組和二代改進(jìn)型核電機(jī)組進(jìn)行對(duì)比,得到結(jié)論如下:

1)目前鈾市場(chǎng)下,首爐階段 “華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所需的核燃料費(fèi)用不足0.027元/k W·h,與AP1000機(jī)組持平,略高于二代改進(jìn)型機(jī)組;平衡換料階段 “華龍一號(hào)”單位發(fā)電量的核燃料費(fèi)用不高于0.025元/k W·h,在上述比較的各機(jī)型中費(fèi)用最低,展現(xiàn)了更好的競(jìng)爭(zhēng)力。

2)首爐階段,“華龍一號(hào)”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功均低于其他機(jī)型,但由于富集度相比其他機(jī)型較低,導(dǎo)致單位發(fā)電量所消耗的組件數(shù)量最多,因而首爐階段燃料費(fèi)用較多,未能完全體現(xiàn)優(yōu)勢(shì);

3)平衡循環(huán)換料階段,隨著富集度提高、循環(huán)長(zhǎng)度增大,與AP1000機(jī)組和二代改進(jìn)型機(jī)組相比,“華龍一號(hào)”單位發(fā)電量消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功數(shù)量相對(duì)較低或與其他機(jī)型持平,單位發(fā)電量消耗的組件數(shù)量降低明顯,有助于降低核燃料費(fèi)用,體現(xiàn)了新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì);

4)在采購(gòu)天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及燃料組件制作的過(guò)程中,天然鈾費(fèi)用和燃料組件制作費(fèi)用在整體費(fèi)用中占比較大,是費(fèi)用控制的重點(diǎn);當(dāng)價(jià)格隨市場(chǎng)波動(dòng)時(shí),天然鈾價(jià)格、分離功價(jià)格變化對(duì)核燃料費(fèi)用的影響較大;

5)提高富集度、燃耗、循環(huán)長(zhǎng)度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節(jié)省天然鈾。

6)為了進(jìn)一步提升核燃料經(jīng)濟(jì)性,未來(lái)在進(jìn)行優(yōu)化時(shí),應(yīng)從提高燃料的富集度,增加燃料燃耗,降低尾料的富集度方面入手。而對(duì)于燃料組件生產(chǎn)過(guò)程本身的費(fèi)用控制上,應(yīng)著重優(yōu)化燃料組件制作和天然鈾采購(gòu)費(fèi)用。

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