壓水堆核電廠乏燃料后處理平準成本分析

張小枝, 何 輝, 鄭衛芳, 葉國安

（中國原子能科學研究院, 北京 102413）

壓水堆核電廠乏燃料后處理平準成本分析

張小枝, 何 輝, 鄭衛芳, 葉國安

（中國原子能科學研究院, 北京 102413）

基于壓水堆核電廠乏燃料后處理工廠的規模與建設費用的半定量關系，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費用影響；并用與建造期相同的利率，計算了UOX乏燃料后處理的平準成本。

壓水堆乏燃料; PUREX流程; 核電平準成本

伴隨著我國核電規模化、系列化和商業化的進程，核電廠乏燃料的最終處置或處理進行市場運作是必然的。核燃料閉合循環是我國核電基本政策[1]，乏燃料后處理是閉合循環后段的主要環節。因此，乏燃料后處理平準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是國際公認成熟的商業化技術。然而，后處理技術自身的難度和復雜程度，使得其工廠的建造、運行和退役有較大的不確定性。以商業為目的建設和運行后處理廠的公司只有AREVA和BNFL[2]。

乏燃料后處理技術涉及國際、國內不同領域的政策和法規，也受地方法規的影響，加之不可預測的自然災害，為了保障核能長期穩定的發展，世界核電大國一直持續開展核電廠乏燃料后處理的經濟分析工作[4-6]。

1 乏燃料后處理平準成本的主要構成

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

1.1 乏燃料后處理廠的建設規模與投資強度的關系

對于工業化生產，提高生產能力，可以降低產品的單位成本，實現規模經濟。生產能力與單位成本的關系可以用拇指定律（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。

橡樹嶺實驗室根據后處理廠的特點，詳細分析了生產能力與單位成本的關系[9]。對于UOX乏燃料，當C≤500 HMT/a時，γ接近0.1，其物理意義在于年生產能力在幾十噸和500 t之間時，后處理廠的投資費用相差不大；當C≥5 000 HMT/a時，γ接近0.9，意為工廠生產能力增加1倍，投資費用幾乎翻翻。呈顯規模效益的工廠，其能力在500～5 000 HMT/a，實現單位成本最小的工廠生產能力為2 500 HMT/a。建設兩座2 500 t/a后處理設施的費用，比建設一座生產能力為5 000 HMT/a的費用高30%，但降低了偶然因素導致全部后處理能力喪失的風險。這是美國在20世紀60年代建立1 500 t商用廠和21世紀初GNEP倡議建立2 500 t后處理廠的依據之一。波斯頓咨詢集團（BCG）受AREVA委托，在對美國壓水堆乏燃料后處理做經濟分析時，同樣采用年2 500 t的生產能力。值得注意的是在BCG的報告中，工廠的生產規模主要是通過增加主工藝生產線的數量得到提高，而不是提高單一生產線的年處理能力, 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的管控會增加燃料循環后段的費用。

1.2 乏燃料后處理廠的建設成本

后處理廠的成本可分為建設成本、運行成本和退役費用。在沒能夠直接獲取運行成本和退役費用時，經常按照建設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成本。

建設成本Ccap受4項因素決定：后處理廠建設的隔夜成本Cb、建設期間的利息IDC（Interest During Construction）、投入商業運行前的其他費用和不可預測費:式中：Fidc——建設期間利息系數；

Fpreop——工廠滿負荷運行前的其他費用系數；

Fcont——不可預見費用系數。

1.2.1 后處理廠建設的隔夜成本

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

自下而上的估算方法與施工前的工程預算相似。基于施工設計或三維模型，造價工程師根據主要工藝單元的布置圖能夠準備出詳細的基本預算，它包括設備清單及各個物項的特征描述，以及物品單價和工時費用。施工單位根據項目進度要求做出現場間接費用預算。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施設計建設能力的公司進行成本核算，自下而上核算出的成本中的不可預測費用的比例也可以控制得比較低。

在早期研發階段，能夠獲得的信息是非常有限的。對這類項目進行成本分析時，一般采用自上而下的成本核算策略。在至上而下的方法中，選擇和設計好參考目標是重點。大型設施建設的隔夜成本、建設期間的利息和不可預測費用等是核心參數。顯然自上而下核算出的成本中的不可預測費用的比例較高。如果在商用后處理廠概念、主要工藝和設備等方面研究深入，采用自上而下的策略，對我國大廠建設費用進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流程的工廠建設核心金融參數。

如前所述，只有AREVA和BNFL具有建設和運行商業后處理工廠的經驗。處于商業利益的考慮，這兩家公司從未公布他們的建設費用和年度運行費用。美國一直有獨立的報告分析這兩家工廠的經濟運行指標。表1中采用的年處理量800 t的后處理廠的基本建設費用數據，被認為是可靠的[4,11]。

表1 采用PUREX流程、年處理量800 t的后處理廠建設基本費用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90年代前后，日本的六個所（RRP）建設的預算經費[5，10]。該數據是法國和日本于1987年簽訂后處理技術轉讓協議和1990年UP3廠熱試成功之后預估的5年（1993－1998年）建設費用。根據圣戈班SGN的報告，在對六個所工廠的設計中，SGN建議“JNFL簡化后處理廠的設計，去掉鈾和钚的第三純化循環，以節約投資和運行成本”[12]。考慮日本處于環太平洋地震帶上，在8 400億日元的預算中，用于減震和安全方面的費用大幅增加。這里簡單假設，抗震引起的費用增加部分，被因技術更成熟而引起的RRP成本降低部分所抵消。按照當時技術水平和預算，JNFL能夠在5年內建成、3年內調試完畢、2001年投入工業運行的后處理廠。作為技術出讓方，法國同時在8年內獲得足夠的商業利益。事實上，如果用2003年美元計，RRP的建設費用至少比UP3高20%。

在對英、法工廠的建設費用進行年代換算時，僅考慮了美元的現金流值（以3%計）。如果把后處理廠建設技術作為壟斷性的儲備資產，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廠的隔夜成本應在91億～108億美元， THORP廠應在72億～101億美元。

1.2.2 后處理廠建設期間的利息成本

THORP廠建設和UP2廠擴建是政府控股的企業行為，后處理的軍民兩用性，使得這兩座民用工廠的建設不承擔建造期利息IDC。UP3廠是應國外用戶需求、并由客戶出資建設的工廠，計算其IDC沒有商業意義。RRP是JNFL為業主、以引進UP3為核心技術、并商業運作的工廠。IDC在RRP總的建設成本中占有一定比例。

假設后處理廠的建設年數（含調試時間）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已被列入國家重大專項。其建設過程中，部分引進國外技術是必然的。涉及到國際合作時，按照國際商業運作模式，應計算建造期間的利息。國際原子能機構IAEA和核能協會NEA推薦，在不計通脹、收入所得稅、資產稅、保險等因素時，建設期間的年利息分為5%和10%兩個級別。前者接近于美國債利息，后者稍低于風險融資利率。這里仍然假設后處理廠建設歷時5年、調試3年、累計8年時，分別以5%和10%兩種利息計算IDC。假設前4年用去65%的基本資金，后3年的調試費用約占基本資本的21%。按照式（3），對應5%和10%的Fidc的計算值分別約為28%和63%。

1.2.3 后處理廠的建設成本估算

后處理廠投入商業運行前的其他費用和不可預測費分別按照總建設成本的10%計算。其比例與完全市場化的壓水堆核電站建設的相應參數相同。實際上大型設施的不可預見費用與其技術成熟度等級有一定的關系。顯然，商用后處理廠的技術成熟度遠不及輕水堆核電站，這里選用10%的比例是保守的。

把基本投資（隔夜成本）Cb、建設期間利息因子Fidc、工廠滿負荷運行前的其它費用因子Fpreop和不可預見費用因子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核電平準成本計算

乏燃料后處理廠的建設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%（與建設期間的利息因子相同），Fcr分別為6.51%和10.61%，年度定額償還本息額度對應7.26億～7.66億美元和15.07億～15.90億美元。

根據乏燃料的年度處理量和乏燃料的燃耗及核電站熱工轉換效率，可以獲得對應后處理廠建設的乏燃料處理基本成本及相應核電平準成本LUEC。

按照年處理能力800 HMT計算，分攤到核電平準成本時，采用的燃耗B是55 MW·d/kg，熱電轉換率ε為0.34，以此獲得的平準成本分別是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h，它們對應的利率分別是5%和10%。

2 結果與討論

后處理廠的規模效應符合拇指定律。當其能力在500～5 000 HMT/a時，顯示了規模經濟效益，實現單位成本最小的工廠生產能力為2 500 HMT/a。

明確了后處理廠建設成本主要組成，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的隔夜成本為72億～76億美元，建設周期8年，使用壽命30年，投入商業運行前的其他費用和不可預測費各占10%，分別用5%和10%貸款利率，計算出乏燃料分攤的建設成本為907～957美元/kg和1 883～1 988美元/kg。采用平均燃耗55 MW·d/kg，堆熱電轉換率ε為0.34，獲得的核電平準成本是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h。

后處理廠建設期間的利息成本是建設資本的主要構成。對應5%和10%的利率，建設周期8年時，建設期間的利息因子Fidc達1.28和1.63，即建設利息是隔夜資本的28%或63%。實際上，英國用10年進行建設和調試THORP廠，日本自1993年開始建設RRP廠，至今仍然在調試。工廠的建設和調試時間越長，Fidc就越高。如果不能夠按期進行工業規模生產，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）。

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

后處理廠的年度運行費用約在6.8億～7.2億美元（850～900美元/kg），實際退役費用尚無可靠數據，有學者采用保守值100美元/kg[3]。這兩項費用會導致核電平準成本增加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。

分攤建設成本時，假設后處理廠是以800 HMT/a滿負荷運行的。實際上，扣除2005－2007年的停運期，THORP廠在1994年3月至2009年7月的15年內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，核電的實際平準成本將增加23%～74%，達到7.18～8.4美元/MW·h。

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

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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，博士學位，核化學化工專業。