壓水堆裝載MOX燃料以及引入干式貯存的燃料循環成本計算分析

曾 獻，張 勇，石秀安

（中科華核電技術研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

核燃料循環（本文指鈾／钚燃料循環）是指從鈾礦開采到乏燃料最終處置在內的全部工業生產過程。核燃料循環以反應堆為界分為前端和后端。核燃料循環前端是指核燃料在反應堆中使用之前的工業過程，主要包括鈾礦的開采和加工、鈾的提取和精制、鈾濃縮、燃料元件制造等環節；核燃料循環后端指核燃料從反應堆卸出后的各種處理過程，包括反應堆輻照過的乏燃料的中間貯存、乏燃料后處理、放射性廢物的處理處置。壓水堆的核燃料循環可分為開式和閉式兩種，其根本區別在于后處理環節。閉式循環對乏燃料進行后處理，并將回收乏燃料中的鈾和钚加以復用；而開式循環是對乏燃料不進行后處理，直接進行處置。

隨著天然鈾資源需求量的日益增加，原鈾價格迅速攀升，MOX 燃料也逐漸有了競爭力。目前，MOX 燃料的使用不僅可解決現有核廢料處置與公眾安全問題，還可減少對天然鈾的需求，對核能的可持續發展有著重要意義。

乏燃料在乏燃料水池內經若干年的冷卻和放射性衰變后，需再將其運輸到反應堆廠房以外的乏燃料貯存設施進行乏燃料中間貯存或最終處置，為核電廠繼續卸料運行提供條件。早期主要是在核電廠內或附近另外建造獨立的乏燃料貯存水池進行乏燃料中間貯存。隨著乏燃料干式貯存技術的快速發展，陸續出現各種商用型乏燃料干式中間貯存設施，同樣可用于乏燃料中間貯存，簡稱乏燃料干式貯存。目前，乏燃料的干式貯存技術已在各核電發達國家得到了廣泛應用。

本工作計算壓水堆裝載MOX 燃料及引入干式貯存情景下燃料循環成本并對其進行經濟性分析。

1 平準化燃料循環成本模型

本文引用GIF-EMWG 平準化燃料循環成本模型［1］，平準化燃料循環成本模型是反映資金時間價值的標準技術方法。為計算整個核燃料循環成本，必須確定燃料循環各環節的費用Fi和燃料循環各環節發生的時間點t，燃料循環各環節的費用為：

Fi＝MiPi（t） （1）

其中：Mi為第i 個環節的材料或服務數量；Pi（t）為第i個環節的材料或服務單價。

假設在平衡狀態下，整個燃料循環成本可被平均到電廠壽期內，貼現后的燃料循環成本費用F 可用下式表示：

其中：r為貼現率；t0為基準時間；L 為電廠壽期；T1為最大超前時間（前端）。

貼現后的發電量E 為：

其中，E（t）為第t年的電量。

那么，單位電量平準化燃料循環成本可由下式表示：

2 情景設定

本文設定了3種情景，分別如下。

基準情景A：即一次通過式，乏燃料不做后處理，濕式貯存年限為乏燃料從核電廠中運出（2019年）到2035年（即后處理大廠投產時間點），并考慮最終處置成本。乏燃料在核電廠中貯存5a，不計入燃料循環成本，流程如圖1所示。

圖1 基準情景A 流程圖Fig.1 Flow diagram of baseline scenario A

情景B：MOX 模式，壓水堆乏燃料冷卻5a后處理（后處理費分攤到燃料成本中），后處理提取Pu制造成MOX 燃料后，重新放在壓水堆中使用，堆芯裝載份額暫按30%考慮。其中后處理1a、MOX 燃料制造1a。卸出的MOX 乏燃料不做處理，冷卻一段時間后直接送處置場。本情景考慮了乏燃料運輸到后處理廠的運輸費、后處理和MOX 組件制造費，但未考慮后處理大廠建設費、運維費、退役費以及高放廢物處置費。流程如圖2所示。

圖2 情景B流程圖Fig.2 Flow diagram of scenario B

情景C：在情景A 的基礎上，引入干式貯存，干式貯存40a，40a之后乏燃料封裝后處置，其他設置與情景A 相同。

3 計算輸入

選取的基準情景、MOX燃料質量流參數參考MIT《2011年核燃料循環未來報告》［2-3］。UOX燃料平均卸料燃耗為50.3GW·d／tU。MOX燃料為Pu／Am 氧化物與貧鈾氧化物的混合物。卸料后，UOX燃料和MOX燃料在核電廠乏燃料水池中冷卻5a。堆芯主要技術參數列于表1。

燃料循環單價是進行經濟性分析重要的計算參數，它對計算結果有很大的影響，文中所取的價格體系來源于文獻［1，4］，具體列于表2。

表1 堆芯主要技術參數Table 1 Main technical parameters of core

表2 燃料循環單價參數（2014年貨幣水平）Table 2 Unit price of fuel cycle parameter（currency levels in 2014）

其他假設：1）燃料循環費用不包括新燃料和乏燃料在反應堆現場的貯存費，以及反應堆運行所產生的低放液體和固體廢物的管理和處置費；2）本文采用的計算參數均是電廠達到平衡循環后的參數；3）大廠建成時間為2035年；4）乏燃料濕式貯存到后處理大廠建成時間2035年；5）干式貯存40a；6）MOX 燃料和UO2燃料的乏燃料運輸費和暫存費相同；7）MOX乏燃料不做后處理；8）采用MOX 燃料時，所需的钚來自于后處理提取的Pu，鈾來自于堆后鈾。

4 計算結果

4.1 情景計算結果

本文根據平準化燃料循環成本模型編制計算程序，將表2的計算輸入帶入計算程序中，得到基準情景A、情景B和情景C 的單位電量燃料循環成本分別為5.78、16.32、5.68 mills／（kW·h）。從長期來看，引入干式貯存較濕式貯存更具經濟性，如圖3所示。

圖3 情景A、B、C的計算結果Fig.3 Results of scenario A，B and C

燃料循環成本構成如圖4所示。天然鈾、乏燃料暫存、濃縮、組件制造和乏燃料處置是構成燃料循環成本主要的組成部分。

圖4 基準情景A 燃料循環成本構成Fig.4 Fuel cycle cost structure of baseline scenario A

4.2 敏感性分析

圖5示出了單位電量燃料循環成本隨貼現率變化的敏感性分析結果，從計算結果可看出，基準情景A、情景B和情景C 的單位電量燃料循環成本隨貼現率增加而減少。圖6示出了單位電量燃料循環成本隨天然鈾單價變化的敏感性分析。單位電量燃料循環成本與天然鈾單價呈正比，隨天然鈾單價增加而增加。

圖5 貼現率敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of discount rate

圖6 天然鈾單價敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of natural uranium unit price

5 結論

本文根據平準化燃料循環成本計算模型，編制了計算程序。針對未來壓水堆裝載MOX 燃料以及引入干式貯存情景，設定了基準情景A、情景B以及情景C 3種情景假設。在所設計的堆芯參數以及給定的經濟學參數的基礎上，基準情景A 的單位電量燃料循環成本為5.78mills／（kW·h），情景B為16.32mills／（kW·h），情景C為5.68mills／（kW·h），從結果分析可知，引入干式貯存較濕式貯存更具經濟性。對貼現率以及天然鈾單價進行敏感性分析。計算結果能為分析壓水堆裝載MOX 燃料以及引入干式貯存經濟可行性提供參考，本文對計算模型和輸入參數進行了一定的假設，后續還需深入研究。

在此特別感謝中科華核電技術研究院有限公司的陳軍博士對本工作的幫助與支持。

［1］ RASIN W，ONO K.Cost estimating guidelines for generation Ⅳnuclear energy systems［R］.［S.l.］：OECD-NEA，2007.

［2］ BUNN M，FETTER S，HOLDREN J P.The economic of reprocessing vs.direct disposal of spent nuclear fuel［M］.［S.l.］：Project on Managing of Government，2003.

［3］ KAZIMI M.The future of nuclear fuel cycle［R］.［S.l.］：Massachusetts Institute of Technology，2011.

［4］ SHROPSHIRE D E，WILLIAMS K.A.Advanced fuel cycle cost basis，INL／EXT-07-12107［R］.［S.l.］：AFCI，2007.