核電站燃料管理及換料模式經(jīng)濟(jì)性分析

毛瑞

摘 要 對核電站燃料管理及換料模式經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，分別介紹不同換料模式的特性及優(yōu)缺點(diǎn)，通過燃料成本、大修費(fèi)用、天然鈾市場價格、上網(wǎng)電量以及乏燃料處理費(fèi)用等幾個方面對四分之一換料模式與十八月?lián)Q料模式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。在核電站受到電網(wǎng)負(fù)荷、市場環(huán)境、大修安排等影響下，合理選擇并搭配不同的的換料模式能取得更好的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞 燃料管理；換料模式；經(jīng)濟(jì)性分析；1/4換料；18個月?lián)Q料

一、前 言

核電站的換料模式是燃料管理的重要組成部分，它直接關(guān)系到核電站安全水平和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，不同的換料模式會影響大修安排、上網(wǎng)電量和核燃料成本，由于國際市場上天然鈾采購價格波動對發(fā)電成本的影響十分顯著，通過對不同的換料模式進(jìn)行對比分析，可以根據(jù)電站的實際情況選擇最經(jīng)濟(jì)的換料模式。

在選擇換料模式時除濃縮鈾的市場價格因素外，還需要綜合考慮核電站的設(shè)備檢修周期及大修安排、電力市場的特點(diǎn)、電網(wǎng)的電力需求，各電站因根據(jù)具體情況并綜合協(xié)調(diào)各方面的因素，選擇最適合且經(jīng)濟(jì)可行的換料模式。

二、換料模式的特性和優(yōu)缺點(diǎn)

1.18個月?lián)Q料模式

大亞灣核電站18個月?lián)Q料使用AFA 3G組件，裝載4.45%富集度濃縮鈾，并且使用長短循環(huán)結(jié)合的方式每次更換68-72個組件，即很好的滿足了循環(huán)長度，又使3年總的裝料組件組件數(shù)從1/3換料模式的156組減少為140組[1]。

18個月?lián)Q料模式能有效減少大修次數(shù)，延長發(fā)電時間，提高負(fù)荷因子，增加發(fā)電量及收入，與此同時還能減少大修成本、減少工作人員的放射性輻射劑量、降低放射性廢物產(chǎn)生量并較少后處理費(fèi)，因此18個月?lián)Q料模式有較高的經(jīng)濟(jì)性。

2.1/4換料模式

嶺澳核電站1/4換料模式，采用全M5 AFA 3G燃料組件，使用4.2%富集度濃縮鈾，使得燃料組件的燃耗深度進(jìn)一步提高，并且使達(dá)到相同循環(huán)長度所需要的燃料組件數(shù)量減少到40組，較年度1/3換料每次更換52組相比，每年可以節(jié)省燃料組件約12組，大幅度地降低核燃料循環(huán)的費(fèi)用[2]。

1/4換料模式機(jī)組的能力因子不高，發(fā)電時間較短，發(fā)電量較低，但較少的組件更換數(shù)量及較高的燃耗深度可以大幅降低燃料成本，低泄漏裝料降低反應(yīng)堆壓力容器快中子注量，有利于延長反應(yīng)堆壓力容器壽命，同時可以電網(wǎng)季節(jié)性用電的波動及減載需求安排大修。

3.年度 1/3換料和24個月?lián)Q料

年度1/3換料模式與1/4換料模式相比發(fā)電量并不能提高，但更換的組件數(shù)量顯著高于1/4換料模式且燃耗深度較低，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均達(dá)不到先進(jìn)燃料管理的水平，正逐漸被1/4換料模式或18個月?lián)Q料模式所取代。

24個月?lián)Q料在國內(nèi)電站中尚未實施過，美國核電站實施24個月?lián)Q料后業(yè)績并不理想，原因在與24個月?lián)Q料模式經(jīng)濟(jì)性主要通過提高年發(fā)電量來實現(xiàn)，但燃料成本也顯著提高。由于電網(wǎng)負(fù)荷及節(jié)假日減載的影響，24個月?lián)Q料模式并不能持續(xù)滿功率運(yùn)行，同時長周期運(yùn)行會使設(shè)備可靠性降低，一旦設(shè)備故障或減載時間過長，將使其經(jīng)濟(jì)性受較大影響。

三、經(jīng)濟(jì)性分析

年度1/3換料模式較1/4換料模式、18個月?lián)Q料模式在經(jīng)濟(jì)性上有較大差距，本次主要針對年度1/4換料和18個月?lián)Q料兩種換料模式展開經(jīng)濟(jì)分析。核燃料成本，主要取決于更換組件的數(shù)量及燃料采購成本，其中天然鈾價格變化較大，對核燃料成本有顯著影響，而分離功、組件制造的價格相對穩(wěn)定。

大修成本，由于18個月?lián)Q料減少了大修次數(shù)，因此對經(jīng)濟(jì)性有一定影響。 上網(wǎng)電量，主要受機(jī)組狀態(tài)、大修天數(shù)、減載天數(shù)影響，決定收入多少，對經(jīng)濟(jì)性有直接影響。日常運(yùn)維成本、乏燃料成本、電價等基本不受換料模式影響，經(jīng)濟(jì)分析中暫不考慮。

1.燃料成本比較

根據(jù)大亞灣、嶺澳核電站近幾年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1/4換料模式和18個月?lián)Q料模式的主要參數(shù)對比如下：

以天然鈾單價30-140美元/磅、匯率6.5計算壓水堆核電站兩臺機(jī)組每年平均燃料成本如下表，由此可以看出隨著天然鈾價格的上漲，18個月?lián)Q料模式較1/4換料模式每年消耗成本逐步增加，因此在天然鈾價格越高的情況下，18個月?lián)Q料模式需要發(fā)更多的電才能彌補(bǔ)成本的增加。

2.大修成本及上網(wǎng)電量的比較

大修成本受檢修及改造項目的不同，會有較大變化，同時大修天數(shù)決定人工成本，一般情況下18個月?lián)Q料比1/4換料的大修時間長，因此單次大修成本也會有增加。假設(shè)1/4換料模式下每次大修成本1.2億元人民幣，18月?lián)Q料模式下每次大修成本1.5億元，大修天數(shù)、減載天數(shù)、機(jī)組功率等參數(shù)假設(shè)如下表所示，大修成本與上網(wǎng)電量差異如下：

3.經(jīng)濟(jì)性比較

不同換料模式的經(jīng)濟(jì)性主要比較發(fā)電收入減去燃料成本和大修成本后的凈收益，根據(jù)表3中假設(shè)的數(shù)據(jù)分析，18個月?lián)Q料模式比1/4換料多發(fā)電3.3億，折算成收入為3.3億*0.33元/度（不含增值稅，并扣除乏燃料處置金0.026元/度）=1.09億人民幣；大修成本節(jié)省0.4億人民幣，合計增加利潤1.49億人民幣。

（1）上網(wǎng)電量不受限制情況下

在基于上述假設(shè)的大修成本、換料組件數(shù)，上網(wǎng)電量等參數(shù)下，當(dāng)燃料成本約為130美元/磅時，多發(fā)電收益和大修成本節(jié)省金額1.49億元與核燃料成本多1.48億元基本持平，此時18個月?lián)Q料模式與1/4換料模式經(jīng)濟(jì)性基本相當(dāng)；當(dāng)燃料價格大于130美元/磅時，1/4換料模式更具有經(jīng)濟(jì)性；反之，燃料價格低于130美元/磅時，18個月?lián)Q料模式更具有經(jīng)濟(jì)性。

（2）上網(wǎng)電量受限制情況下

當(dāng)上網(wǎng)電量被限制在1/4換料模式下最大發(fā)電量時，如本次測算中141.6億度時，18個月?lián)Q料模式均不如1/4換料模式經(jīng)濟(jì)。

各核電站所處的市場環(huán)境均不相同，在選擇換料模式時，核電站應(yīng)根據(jù)機(jī)組狀態(tài)、市場環(huán)境等情況，測算出不同換料模式下的大修成本（D1＼D2）及上網(wǎng)電量（A1＼A2），然后根據(jù)天然鈾價格計算出相應(yīng)的燃料成本（C1＼C2），最終比較凈收益F1與F2的大小，選擇相應(yīng)的換料模式。

年度1/4換料減少了換料燃料組件數(shù)量，節(jié)省燃料成本；而18個月?lián)Q料提高了機(jī)組的能力因子，增加年度上網(wǎng)電量，增加售電收入。因此，如果天然鈾價格上揚(yáng)，導(dǎo)致多耗用的燃料成本大于發(fā)電收入及大修節(jié)省成本之和，經(jīng)濟(jì)性就不如1/4換料，相反情況下，經(jīng)濟(jì)性比1/4換料模式好。如果能提高上網(wǎng)電量或電價，或者能節(jié)省的大修成本越多，則18個月?lián)Q料的經(jīng)濟(jì)性就越好。

四、群堆模式下的換料模式選擇及分析

18個月?lián)Q料和年度1/4換料都是成熟的技術(shù)，有著廣泛的運(yùn)行經(jīng)驗，其中18個月?lián)Q料更具有優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在換料周期長、提高了機(jī)組的能力因子，增加年度上網(wǎng)電量，增加售電收入。群堆電廠4臺或6臺機(jī)組均采用18個月?lián)Q料模式，則會出現(xiàn)部分機(jī)組在夏季用電高峰時進(jìn)行大修的情況，而在冬季用電低谷時又被迫減載運(yùn)行，導(dǎo)致上網(wǎng)電量達(dá)不到預(yù)期而大大影響經(jīng)濟(jì)效益[4]。

從上述分析看，對于群堆模式的核電站，部分機(jī)組選擇18個月?lián)Q料模式，其他機(jī)組采用1/4換料能更好的應(yīng)對市場環(huán)境，一方面增加大修安排的靈活性，盡可能避開夏季用電高峰進(jìn)行大修及大修重疊；另一方面在需要機(jī)組減載時，發(fā)揮1/4換料模式節(jié)省燃料的特點(diǎn)，降低燃料成本的浪費(fèi)。

五、綜合結(jié)論

目前的換料模式中18個月?lián)Q料和年度1/4換料是比較先進(jìn)的燃料管理方案，均是成熟的技術(shù)，而1/3換料模式正在被逐步替代。在核電站設(shè)計階段確定換料模式是最經(jīng)濟(jì)的選擇，對于在運(yùn)核電站如果需要而改變原有的換料模式，則需要額外支出換料設(shè)計費(fèi)。

在選擇換料模式時，不僅要從天然鈾價格、大修安排及成本等經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析和測算，還需要結(jié)合核電站所在地理位置及電力市場環(huán)境，結(jié)合18個月?lián)Q料和年度1/4換料的優(yōu)缺點(diǎn)，充分利用各換料模式的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]大亞灣核電站18個月?lián)Q料燃料管理研究，《核動力工程》第23卷-第5期

[2]嶺澳核電站1/4換料燃料管理方案研究，《核科學(xué)與工程》第32卷-第1期

[3]嶺澳核電站先進(jìn)燃料管理策略研究，《核動力工程》第26卷-第6期

[4]嶺澳核電站先進(jìn)燃料管理策略研究，《核動力工程》第26卷-第6期