商用增殖快堆發電成本分析與擴展

□薄美芳 張 弘

對于商用核電項目，經濟分析最基本的目標和出發點是發電成本，核電廠總的發電成本為：建設成本(包含折舊費、攤銷費、財務費用)，燃料成本(燃料的換料成本和乏燃料后處理或處置成本)，運行和維護成本(O&M)。在項目建設投資已有測算結果的情況下，本文通過與壓水堆的發電成本差異分析得出經濟性結論，并分析了快堆的綜合競爭力，如對鈾資源的高效利用，閉合燃料循環，嬗變長壽期核素等。本報告研究意義在于針對商用快堆的經濟性進行了定量分析，對其綜合競爭力進行了評價，并對我國商用快堆的評價方法及標準提出了建議，盡快建立適合四代快堆的評價體系。

一、商用增殖快堆經濟競爭力分析

(一)商用增殖快堆燃料循環成本。

1.概述。國內已建或在建壓水堆核電項目中，投資成本約占發電成本的40%，燃料成本約占發電成本的35%，如圖1所示，在項目投資已確定的情況下，燃料成本是發電成本的重要組成部分，整個電廠壽期都要發生的燃料成本是影響整個發電成本的重要影響因素，國際上發展快堆的主要優勢在于燃料循環，因此燃料循環成本分析也是本文經濟分析的重點。

圖1 壓水堆發電成本構成圖

備注1：主要基于項目編制基期的燃料單價，后續燃料單價隨市場價調整后各項發電成本的構成會有所不同。

備注2：國內建設的不同壓水堆機型的發電成本有所差異，本文暫不考慮。

2.燃料循環方式。本文考慮壓水堆堆芯及快堆活性區按后處理的燃料循環方式，快堆的軸向增殖區及徑向增殖區乏燃料進行后處理，并回收其中的易裂變钚，以此作為燃料成本分析的基礎。壓水堆前端燃料循環成本包括：天然鈾供給、轉化、濃縮和燃料元件的制造成本。堆芯平均的平衡卸料燃耗約為40,000MWd/tU，額定電功率為2×1,100MWe，熱效率約為37%左右(廠址不同時會有差異，本報告暫不考慮)，換料周期12個月，采用1/3換料方式，換料富集度約為4%。后端燃料循環成本包括：暫時貯存的乏燃料管理費用。快堆換料燃料為混合鈾钚氧化物燃料(MOX)，活性區采用PuO2及UO2混合氧化物，增殖區采用貧鈾為轉換材料。其中钚原料來自于工業钚，鈾原料來自于鈾濃縮廠產生的貧鈾(富集度0.25%)，增殖比1.2，平均卸料燃耗68,000MWd/tU，額定電功率為2×1,100MWe，熱效率為41%，換料周期為12個月，換料方式為1/3換料。燃料成本包括：工業钚、貧鈾購買、MOX燃料制造成本、后處理費用及钚的收益。其中后處理擬采用濕化學法(PUREX工藝)。

3.快堆燃料循環成本。壓水堆前端燃料循環各環節單價均采用國際上發布的市場價，如表1所示。

表1 壓水堆燃料循環各個環節單價

對于快堆，由于目前尚無市場單價，因此主要參照公開數據進行測算，與實際項目的差異暫不考慮。對于制造單價，本文暫按對比電廠的2倍計算，對于分別采用后處理鈾、貧鈾制造的原件，在此基礎上按2.5、0.75的系數調整。需要說明的是，由于沒有成熟的商業后處理廠，后處理市場尚處在單一壟斷的狀態，而不是一個具有競爭性的、成熟的商業市場狀況，因此后處理單價具有一定的不確定性，本文在研究測算過程中采用國際報告中的參考單價進行。

考慮增殖快堆乏燃料中易裂變钚的含量高，需要用更小容積的容器以防止達到臨界發生事故。同時由于放射性钚含量高，要求重新制造的過程在特殊的屏蔽環境中完成，過程更加復雜。因此快堆的后處理單價、制造單價都較高。

經計算，采用近期美元匯率，壓水堆換料成本約0.06元/KWh，后處理成本為0.026元/KWh，燃料成本共計0.086元/KWh。商用快堆換料成本為0.05元/KWh，后處理成本為0.01元/KWh，燃料成本共計0.06元/KWh。如表2所示。

表2 燃料循環成本對比表 單位：元/KWh

快堆的增殖功能使其可以產生更多易裂變產物，乏燃料中剩余的钚比消耗的多，以收益的在燃料成本中體現，雖然快堆的后處理費用價格昂貴，但钚的回收價值補償了后處理代價。因此，盡管增殖快堆的后處理成本單價及制造單價都較高，但其燃料成本更具有競爭力。

4.燃料成本平衡點分析。燃料循環各個環節的單價變化都將影響二者的燃料成本差異，經分析，當天然鈾單價為40MYM/lb時(或者濃縮單價為85MYM/SWU時)，或者商用快堆與壓水堆的燃料循環成本基本相當。需要說明的是，本平衡點隨著各環節單價的變化而發生變化。

(二)商用增殖快堆運行和維護成本分析。

1.運行和維護成本組成。運維成本(O&M)一般占整個發電成本約25%，主要由大修理費、人員費用(人員工資及福利、管理性費用)、日常運行維護費(如材料費、水費)以及其他(如中低放廢物處置費、保險費等)組成。對比電廠運維成本構成及比例如表3所示。

表3 壓水堆運維成本構成表

2.商用快堆運維成本。第一，人員費用：由定員決定，如表4所示。第二，大修理費用：如前文所述，一方面，相對于壓水堆而言，增殖快堆設備數量更多，會需要更多的設備維護及部件更換費用。另一方面，增殖快堆的設計及運行壓力遠低于壓水堆，這樣不需要承受高壓運行的設備，降低了大修理費用。綜合兩方面考慮大修理費費率基本相當。第三，日常運行維護費：快堆在運行過程中幾乎不需要補充核級鈉，且鈉分布廣泛，單價不高，因此本部分費用極少。

表4 運維成本差異對比

綜合導致增加及減少的因素分析，計算結果表明，商用快堆和一般壓水堆的運行成本相差較小，盡管需要將來在商用增殖快堆進行驗證。

3.商用快堆經濟評價。如表5所示。

由表6可以看出，較低的燃料成本補償了部分高出的投資成本，運維成本相差不大，商用快堆的發電成本比對比電廠高約5%。

表5 商用快堆經濟性評價參數表

表6 商用快堆經濟性評價結果表

目前的天然鈾、濃縮鈾價格較低，因此壓水堆的綜合經濟優勢暫時有所體現，但是在不久的將來，鈾資源有限的情況下，當鈾單價、濃縮單價上升到一定程度時，快堆不依賴于天然鈾、濃縮鈾及增值的獨特優勢必然會體現。經測算，天然鈾價格上升到110MYM/lb以上時，或濃縮鈾單價上升到200MYM/SWU，壓水堆在造價方面的優勢將會消失，燃料成本的差異將會補償、持平增殖快堆發電成本的差異。此外，目前后處理單價較高，隨著后處理技術的不斷成熟及商業化，其單價將呈現下降的趨勢，也會讓快堆的發電成本更低。

快堆更高的熱效率會為其發電成本提供一個非常積極的方面，熱效率越高，對于相同熱功率的其它堆型，意味著發電量越高，即單位成本(KWh)的下降，在經濟上也將具備競爭力。以上各方面都將使商用快堆在后續的發展中經濟競爭力逐漸提高。

二、商用快堆綜合競爭力擴展分析

(一)快堆競爭力-鈾資源的高效利用。壓水堆對天然鈾的利用率不到1%：工業提供的鈾濃縮水平是將近4.5%。鈾礦開采的天然鈾富集度為0.71%，每得到1噸4.5%的235U需要消耗的天然鈾為8～10噸。剩下的7～9噸貧化鈾，一般富集度為0.25%，基本視同為廢物處理。進入堆芯內1噸富集鈾中，僅約5%參與裂變，所以鈾的利用率僅為～5%的1/9，將近0.6%。

采用239Pu為裂變材料、238U為轉換材料的快中子反應堆，是最好的增殖堆型之一，常規熱堆中(如壓水堆)，在堆芯內也會發生238U向239Pu的轉換，但是從凈消耗的角度看燃料是減少的，不能實現易裂變元素的增殖，壓水堆的轉換比一般為0.6～1，不能稱為增殖比。快堆通過238U向239Pu的轉化以及對后處理回收的鈾钚的重復利用，對鈾資源的利用率可以達到30～60%，實現了本質的增長。幾種堆型對鈾資源利用率如表7所示。

表7 幾種堆型的鈾資源利用率

根據本報告的燃料循環方案進行估算，壓水堆中2臺機組30年經濟計算期的天然鈾需要量為12,000噸，快堆30年經濟計算期貧鈾需要量為225噸，不需要依賴于天然鈾的供給，這兩部分費用在壓水堆的燃料成本中占45%以上，降低了投資風險。

(二)快堆競爭力-閉合燃料循環。為了提高壓水堆燃料循環方式對鈾資源利用率，目前有的國家在積極推廣將壓水堆后處理回收的钚制造成的MOX燃料組件重新用于壓水堆中，經計算，采用此種循環方式，后端燃料循環成本約0.03元/KWh，與一次通過的燃料循環方式相比，后處理費用更高，但可以使天然鈾供給及鈾濃縮的成本降低1/3，在一定程度上提高了鈾資源的利用率，減少了對鈾資源的依賴。但是將回收的钚用于壓水堆中效率很低，1kg易裂變钚在快堆中的使用價值至少為熱堆中的1.4倍，即消耗同樣質量的易裂變钚快堆的發電量為熱堆的1.4倍，只有快堆才能彌補在熱堆中由于深度輻照而質量下降造成的損失。單靠輕水堆不能將钚燒盡，剩余的钚只能貯存起來留待日后用于快堆，只有快堆才能解決大規模發展核電的裂變燃料資源問題。因此對于鈾資源缺乏的國家，在熱堆中復用鈾和钚，只能減少天然鈾進口量，只有加快發展快堆，才能最終擺脫對外來鈾的依賴。壓水堆燃料不能滿足核能可持續發展的需求，而快堆的燃料循環可以實現鈾資源的可持續發展。閉合燃料循環符合我國的政策及國情，從前述分析看出，壓水堆不能實現閉合循環，只有快堆才能實現閉合循環，解決能源的可持續發展問題。

(三)快堆競爭力-后處理嬗變功能。目前世界上廣泛運行的輕水堆每年卸出大量的乏燃料，2臺百萬千瓦級的壓水堆核電機組運行30年產生的乏燃料約1,500噸，每噸乏燃料中含有10kg左右的超鈾元素，其中钚占85%～90%，次要錒系元素占10%～15%，其半衰期長達幾千年上萬年以上，成為核電發展中難于解決的重大問題之一，始終是一個危險的因素，快堆可以將乏燃料中的此類高放長壽命錒系元素燒掉，裂變為短壽命核素，半衰期幾百年左右。目前來看，將它們裝入快堆的MOX燃料中燒掉，成為處置這類核素的最佳方案。長遠來看，從經濟的角度也是非常可行的，其社會效益不言而喻。

三、本報告的研究意義

(一)國內快堆經濟評價體系建議。目前核電廠經濟評價的主要依據為能源標準(NB)，經濟評價的思路為根據有關文件規定，結合目前國內商用核電站建設工程可行性研究報告編制階段經濟評價部分的習慣做法，經濟分析部分以財務評價的結論為主，國民經濟評價暫不考慮。以核電廠作為獨立的公司法人進行財務評價，不考慮配套送變電工程。在保證成本回收、履行還貸合約、合法納稅的前提下測算上網電價，計算各項經濟指標，進行敏感性分析并得出結論。我國能源規劃指出，核電建設方面堅持熱堆、快堆、聚變堆“三步走”技術路線，積極發展商業快堆技術。我國發展快堆用來閉式核燃料循環，解決我國核能可持續發展、解決能源危機和減緩環境壓力。因此評價快堆的立足點不應該是單獨從核電廠的角度，采用現有核電廠的經濟評價標準，無論是評價方法，還是基準數據的采用以及可行性結論的判斷，都已不適用于快堆的評價。因此對快堆的評價需要一個全新的立足點，要立足于整個核燃料循環，結合我國的能源政策，從經濟性、對鈾資源的利用率、閉合燃料循環、嬗變長壽命核素等多個方面，立足于對我國核能行業的意義，考慮其綜合競爭力。因此，針對快堆，建議經濟評價應該制定新的評價標準、評價方法，不能單獨從核電廠的角度去評價它。第四代核能發展的目標，要求其不但要具備經濟性，同時要考慮將天然鈾資源高效使用，安全性更高、核廢物處理最小化以及長期風險更低、對整個核能的可持續發展以及防擴散都提出了更高的要求。因此，要綜合評價快堆的競爭力。

(二)積極應對風險，提高快堆經濟競爭力。快堆也存在一些缺點，積極關注并加強控制此方面的問題將有利于快堆經濟性的提高。根據快堆的運行經驗，快堆存在連續不停堆滿功率運行的高風險，這種風險主要還是來自于對鈉泄露和鈉火的控制，會影響電廠負荷因子，經濟性及可靠性，因此加強對鈉泄露的控制、保證電廠穩定運行是保證快堆經濟性最重要的措施。此外，在核安全標準(包括建造和運行)方面，快堆要面對更大的不確定性，商用快堆不同于實驗快堆，可能會面臨更高的風險，關注此方面的風險并積累示范工程的經驗將有利于商用快堆的積極推廣。

四、結語

按照目前的狀況測算，商用快堆的發電成本稍高于壓水堆，但是隨著商業快堆的不斷建設，在鈾濃縮資源有限的條件下(天然鈾國際市場價格不穩定而且將來肯定是上漲趨勢)，商用快堆的發電成本與壓水堆差異會逐漸縮小。快堆的經濟競爭力取決于天然鈾的供給情況、濃縮單價、后處理的水平以及钚的收益，隨著后處理技術的逐漸成熟，快堆經濟性將逐漸提高。

快堆固有安全性、對鈾資源的高效利用、閉式燃料循環以及社會效益：將一些有毒的長壽命核素嬗變為短壽命核素，降低后處理工程在長壽命高放廢物的潛在的風險，降低核擴散風險，提高發電容量以及向特殊堆型過渡的優勢，都將與其經濟性一起，成為快堆大規模進入市場、實現商業利用的動力。