“華龍一號”機組核燃料經濟性分析

法 丹,鄭保軍

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

“華龍一號”是中國具有自主知識產權的第三代核電技術,肩負著全面參與國際和國內市場競爭的使命,而合理的經濟性分析是評價其競爭力的前提基礎和必要條件。根據以往的電站運行經驗發現,燃料費用在核電廠工程造價中有著舉足輕重的地位。以目前國內的百萬千瓦級二代改進型壓水堆核電機組為例,2/3首爐核燃料費用占整個電廠設備費用的11% 以上,占核島設備費用的20%以上,年燃料費用以及核后處理費更是占整個發電成本的35%左右。

“177堆芯”設計作為 “華龍一號”核電廠三大技術特點之首,其經濟性分析必然是 “華龍一號”經濟性分析中最重要的組成部分。本文通過對 “華龍一號”機型燃料在首循環階段和換料階段的發電成本進行計算,并與二代改進型核電機組和AP1000核電機組進行比較,分析研究“華龍一號”核電機組的燃料經濟性,并對相關影響因素進行了敏感性分析。

1 核燃料循環

核燃料循環是指與裂變材料在裂變堆中應用有關的活動,即包括反應堆的燃料供給和乏燃料處理在內的全過程[1]。核電站在壽期內要經歷幾十個運行循環,按照各循環的特性,分為初始循環、過渡循環和平衡循環系列。每個循環期末,反應堆必須停堆換料,兩次停堆換料完成后核電站啟動之間的時間間隔稱為一個換料周期,反應堆經歷一個換料周期,則稱為經歷一個運行循環。運行循環的循環長度為該循環經歷的相當于滿負荷運行的時間,以等效滿功率天 (EFPD)表示。

核燃料循環通常分成兩部分:1)核燃料循環的前端: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;2)核燃料循環的后端:包括反應堆輻照過的乏燃料的中間儲存、乏燃料后處理、放射性廢物的處理處置等[2]。

與核燃料相關的費用,既包括循環前端的燃料制作相關費用,即天然鈾采購、轉化服務、鈾濃縮服務、組件制作服務的費用,也包括后端的乏燃料后處理費用。

對于后處理費用,本文暫不列入分析范圍。這主要是由于目前對于后處理費用通常按照0.026元/k W·h計算,未考慮組件形式帶來的差異,但這并不代表不同乏燃料進行后處理的實際經濟性特點。而且由于缺少商業核電廠大規模乏燃料后處理的實際工程建設和運行經驗,不同燃料組件的處理成本短期內無法分析。

在組件制作過程中不可避免地在各階段產生損失,在此設定,轉化、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,對于燃料的各階段采購量 (服務量)(后文統稱消耗量)和費用的計算方法已有一套成熟的計算模型,在此不再贅述。為了避免單價高低對對比結果的影響,分別以消耗量和總價進行對比,以全部消耗量除以發電量作為單位發電量的消耗。

2 首爐核燃料經濟性分析

2.1 裝載方案

2.1.1 “華龍一號”

反應堆電功率為1 161 MW,熱功率為3 050 MW。初始堆芯由177個AFA3 G燃料組件或CF-3型燃料組件,兩者在參數和設計特點上比較接近。堆芯鈾裝量為81.35 t。

第一循環分三區裝載,富集度和燃料組件個數分別為:第一區1.8%,61個;第二區2.4%,68個;第三區3.1%,48個。第一循環循環長度為336 EFPD(12 585 MW·d/t)。

2.1.2 百萬千瓦二代改進型機組

反應堆熱功率輸出為2 895 MW,最大連續出力為1 089 MW;堆芯由157個帶改進型格架的AFA-3G燃料組件構成,首爐堆芯裝鈾量為72.1 t。

第一循環堆芯燃料組件分三區裝載,燃料組件數量為53、52、52個,對應的三種富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%。第一循環循環長度為319 EFPD(12 817 MW·d/t)。

2.1.3 60萬千瓦二代改進型機組

反應堆熱功率輸出為1 930 MW,最大連續出力650 MW。

堆芯由121個AFA3G燃料組件構成,裝載分三區布置,三區燃料組件數量分別是41、40、40個,對應的富集度分別為1.9%、2.6%、3.1%,堆芯裝鈾量55.6 t。第一循環循環長度為387 EFPD(13 430 MW·d/t)。

2.1.4 AP1000

反應堆電功率為1 250 MW,熱功率為3 400 MW,燃料組件類型為17×17 XL Robust。

第一循環分5區裝載,燃料組件數量分別是16、49、28、36、28個,對應的富集度分別為0.74%、1.58%、3.2%、3.776%、4.376%,平均值是2.723 9%。首循環裝鈾量為84.73t,第一循環循環長度為450 EFPD(18 073 MWd/t U)。

2.2 組件參數差異

“華龍一號”機組采用AFA3G燃料組件或CF-3型燃料組件,百萬千瓦二代改進型機組和60萬千瓦二代改進型機組采用AFA3G型燃料組件,AP1000核電機組采用XL Robust型燃料組件。經過對比發現,“華龍一號”組件與二代改進型機組在主要規格參數等方面沒有大的差異,主要差別對組件制造過程中的費用影響很小。

AP1000組件主要體現在組件較長,其他方面 (燃料棒設計、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”進行比較。各機組燃料組件參數見表1。

表1 燃料組件參數Table 1 Component parameter difference

2.3 消耗量差異

按照首爐燃料裝載方案,計算各種機型單位發電量消耗的天然鈾、轉化、分離功和組件數量,結果如表2所示。

表2 首爐階段單位發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”單位發電量所消耗的天然鈾、轉化、分離功均低于百萬千瓦和60萬千瓦二代改進型機組,在組件數量上則是 “華龍一號”機組消耗最多,這主要與 “華龍一號”首爐核燃料富集度與其他機型相比較低有關。

與AP1000機組相比, “華龍一號”單位發電量所消耗的天然鈾、轉化、分離功低于AP1000機組,但單位發電量所消耗的組件數量遠多于AP1000機組。

2.4 費用差異

根據調研的相關資料,在計算中采用的天然鈾、轉化、分離功和組件制造價格如表3所示,單價信息詳見UXC.COM網,組件制作費用則根據不同機組相關情況確定。

表3 燃料相關價格參數Table 3 Relevant f uel price parameter

綜合各階段消耗量和單價計算首爐階段單位發電量所需核燃料費用,結果見表4。

由于 “華龍一號”單位發電量所消耗的天然鈾、轉化、分離功的數量均低于AP1000機組和二代改進型機組,因此采購天然鈾、轉化、分離功所需的費用最低。AP1000機組天然鈾、轉化費用水平與 “華龍一號”較為接近,分離功費用相差約16%;與60萬千瓦二代改進型機組相比,各階段費用均有差異,但總體差異約為1%;而與百萬千瓦二代改進型機組相比費用差距總體約在5%左右。對于單位發電量所消耗的組件制作費用,則是 “華龍一號”最多,導致總費用上“華龍一號”并不占優勢。

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

計算各階段所需消耗的燃料費用,結果表明燃料組件制作和天然鈾采購在整個費用中占比最大,總計達到80%左右;其次是分離功費用,而轉化過程中消耗的費用最少,因此購買天然鈾、進行鈾濃縮和燃料組件制作是費用控制的重點,尤其是燃料組件制作費用和天然鈾費用。

2.5 敏感性分析

天然鈾、轉化和分離功價格是國際市場價格,受供需變化和市場發展趨勢的影響很大,由于福島事故對世界核電建設產生嚴重的不良影響,近幾年價格下降幅度很大,其價格變化分別如圖1至3所示。燃料組件制作價格是國內價格,受國際市場影響較小,而且由于產量有限,國內核燃料制作價格相對穩定。

圖1 國際天然鈾價格變化情況Fig.1 Price change of natural uraniu minternationally

圖2 國際鈾轉化價格變化情況Fig.2 Price change of uraniu m conversion inter nationally

圖3 國際分離功價格變化情況Fig.3 Price change of separation wor k inter nationally

從近20余年的價格變化趨勢可以發現,存在天燃鈾價格達到40～50＄/lb,轉化價格達到8～10＄/kg,分離功價格達到80～90＄/SWU的可能性。針對這些價格變化進行分析,假定三個價格分別達到45＄/l b、9＄/kg、85＄/SWU,燃料組件制作價格由于相對穩定,暫按增長10%變化幅度考慮,單位發電量的核燃料費用見表5。

表5 首循環階段價格變化時單位發電量所需核燃料費用Table 5 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)with market change in the first fuel cycle

通過計算發現,天然鈾、轉化、分離功以及組價制作價格上漲后,各種核電機組單位發電量的核燃料成本上升12～15元/MW·h,二代改進型60萬千瓦機組單位發電量消耗的核燃料費用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價格、其次是分離功價格。

3 換料階段核燃料經濟性分析

平衡循環序列是在理想條件下無限的循環序列,每個循環的性能參數相同,是核電站壽期內的主要循環序列。由于過渡循環序列數量有限,在總的循環數量中所占比例很小,并且循環的性能參數通常并不完全相同,同時為了簡化分析,文中主要分析平衡循環換料的燃料經濟性,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”

采用低泄漏 (in-out)裝載方式,從第三循環開始,每次裝入68個富集度為4.45%的新燃料組件,到第五循環達到18個月平衡換料。平衡循環的循環長度為475 EFPD(17 870 MW·d/t),批卸料燃耗為46 410 MW·d/t。

3.1.2 百萬千瓦二代改進型機組

從第二循環開始,堆芯沿用out-in裝載方式,每次裝入52個富集度為3.2%的新燃料組件,卸出52個燃耗較深或富集度較低的燃料組件,到第五循環達到平衡年換料。平衡循環的循環長度為273 EFPD(10 966 MW·d/t),批卸料燃耗為33 150 MW·d/t。

3.1.3 六十萬千瓦二代改進型機組

從第二循環開始,采用out-in的換料方式,每次裝入36個富集度為3.25%新燃料組件,到第六循環達到平衡換料,平衡循環的循環長度為284 EFPD(9 866 MW·d/t),批卸料燃耗為33 305 MW·d/t。

3.1.4 AP1000

第三循環及以后,每次裝入64個富集度分別為4.45%和4.95%的新燃料組件,到第五循環達到18個月平衡換料。平衡循環的循環長度為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

計算單位千瓦發電量所需消耗的天然鈾、轉化、分離功、組件數量如表6所示。

表6 平衡循環內單位發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

通過計算發現,“華龍一號”單位發電量消耗的天然鈾數量以及轉化數量與AP1000和百萬千瓦二代改進型機組基本持平,比60萬千瓦二代改進型機組低13%左右。單位發電量消耗的分離功與AP1000和60萬千瓦二代改進型機組持平,比百萬千瓦二代改進型機組高12%左右。單位發電量消耗的組件數量低于二代改進型機組,但比加長型組件的AP1000多18%左右。

提高富集度、燃耗、循環長度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節省天然鈾。

3.3 費用差異

利用消耗的工程量和各自的單價,平衡循環內,單位發電量所需的核燃料費用見表7。

表7 平衡循環內單位發電量消耗的核燃料費用Table 7 The f uel cost of electricity(￥/MW·h)in equilibriu m ref ueling stage

通過計算發現,從平衡循環的燃料方案看,“華龍一號”單位發電量所消耗的天然鈾、轉化的費用與AP1000和百萬千瓦二代改進型機組基本持平,比60萬千瓦二代改進型機組低13%左右。單位發電量分離功費用與AP1000和六十萬千瓦二代改進型機組接近,比百萬千瓦二代改進型機組高12%左右。單位發電量所需消耗的組件制作費用比二代改進型機組和AP1000機組均低,是 “華龍一號”換料燃料設計的最大優勢。

計算各階段所需的燃料費用,結果表明燃料組件制作和天然鈾采購在整個費用中占比在75%～80%,其次是分離功費用所占比例較多。組件制作單價和天然鈾采購費用依然是燃料費用控制的重點。

3.4 敏感性分析

根據天然鈾、轉化、分離功的市場價格變化,假定分別達到45＄/l b、9＄/kg U、85＄/SWU,燃料組件制作價格暫按增長10%變化幅度考慮,單位發電量的核燃料費用計算見表8。

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

通過計算發現,天然鈾、轉化、分離功以及組價制作價格上漲后,核燃料費用上升13～16元/MW·h左右,60萬千瓦二代改進型機組單位發電量消耗的核燃料費用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價格、其次是分離功價格。

4 結論與建議

通過對 “華龍一號”首爐階段和平衡換料階段燃料經濟性進行分析,并與AP1000機組和二代改進型核電機組進行對比,得到結論如下:

1)目前鈾市場下,首爐階段 “華龍一號”單位發電量所需的核燃料費用不足0.027元/k W·h,與AP1000機組持平,略高于二代改進型機組;平衡換料階段 “華龍一號”單位發電量的核燃料費用不高于0.025元/k W·h,在上述比較的各機型中費用最低,展現了更好的競爭力。

2)首爐階段,“華龍一號”單位發電量所消耗的天然鈾、轉化、分離功均低于其他機型,但由于富集度相比其他機型較低,導致單位發電量所消耗的組件數量最多,因而首爐階段燃料費用較多,未能完全體現優勢;

3)平衡循環換料階段,隨著富集度提高、循環長度增大,與AP1000機組和二代改進型機組相比,“華龍一號”單位發電量消耗的天然鈾、轉化、分離功數量相對較低或與其他機型持平,單位發電量消耗的組件數量降低明顯,有助于降低核燃料費用,體現了新設計的優勢;

4)在采購天然鈾、轉化、分離功以及燃料組件制作的過程中,天然鈾費用和燃料組件制作費用在整體費用中占比較大,是費用控制的重點;當價格隨市場波動時,天然鈾價格、分離功價格變化對核燃料費用的影響較大;

5)提高富集度、燃耗、循環長度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節省天然鈾。

6)為了進一步提升核燃料經濟性,未來在進行優化時,應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。而對于燃料組件生產過程本身的費用控制上,應著重優化燃料組件制作和天然鈾采購費用。

[1]薄美芳,周林軍.壓水堆核電廠燃料循環前端經濟性分析 [J].核動力工程,2010,31(1):1-4．

[2]王成孝.核電站經濟 [M].北京:原子能出版社,1998,72-109．