MOX燃料用于壓水堆的經濟性分析及回收钚的價值測算

(中廣核鈾業發展有限公司，北京 100029)

法國自1987年開始在壓水堆中使用后處理回收钚制成的混合氧化物(MOX)燃料，截止2014年累計使用4500組MOX燃料組件。在運的58臺壓水堆核電機組中，目前有24臺900 MW的機組具有裝載MOX燃料的許可，22臺使用MOX燃料混合堆型，每次換料40組燃料組件，其中12組為MOX組件，占比30%，MOX燃料平均钚含量為8.65%，與UO2燃料在發電方面的價值完全對等(Energy Equivalence)[1]。

MOX燃料在壓水堆中再循環利用的主要問題是其較高的燃料成本和使用過程中產生的其它額外成本，總體增加了核電的運營成本，因此，法國目前在后處理廠開工率和回收钚利用能力之間施行物料平衡原則(Fluxes Equality)。此外，回收钚在壓水堆中一般只能循環1～2次，之后由于钚的同位素譜變化，不能再次循環利用。乏 MOX燃料中次錒系元素大幅增加，導致其毒性增加，提高了再處理的難度。法國目前對使用過的MOX燃料不再進行二次后處理，暫存等待未來先進的核燃料循環系統再利用[2]。

我國引進后處理大廠項目目前已接近商務談判尾聲，即將進入立項階段。一座年處理能力800 tHM的后處理廠，每年大約產生8 t钚，可制成大約92.5 t MOX燃料(參照法國壓水堆MOX燃料8.65%的钚含量)，需要約16臺壓水堆機組消納。

在我國電力市場改革不斷深入的背景下，核電面臨電價和電量雙降的不利形勢，對燃料經濟性的要求不斷提高。因此有必要對壓水堆核電站使用MOX燃料與一般UO2燃料進行成本對比，衡量MOX燃料在壓水堆中利用的經濟性，在此基礎上，按照與替代燃料等價計算的原則，衡量回收钚分別在壓水堆和快堆中利用時的價值，為我國后處理回收钚的所有權歸屬、再循環利用路線等后端頂層設計問題提供參考依據。

1 壓水堆使用MOX燃料經濟性評估

1.1 前提和假設

回收钚在壓水堆中利用的經濟性影響因素較多，包括燃料本身成本，運輸、乏MOX燃料貯存、反應堆適應性改造等其它額外成本，以及MOX加工時的貧鈾物料成本，其中燃料成本是最主要的影響因素，為了簡化計算，本文僅從燃料成本角度進行對比評估。

計算MOX燃料成本是在已產生回收钚的既定條件下進行，即不考慮獲取回收钚的后處理成本，乏燃料后處理在減小廢物體積方面的效益難以量化評估。

1.2 MOX燃料成本計算及對比

常規UO2燃料的豐度按照法國情況取3.7%，即與钚含量8.65%的MOX對等(Parity)，1 tU UO2燃料和1 tHM MOX燃料各環節數量需求和成本計算如表1所示。

表1 1 tU UO2燃料和1 tHM MOX燃料成本測算Table 1 Cost calculation of UO2 and MOX fuel

注：1.UO2燃料各環節產品或服務數量計算考慮了加工損失。

2.各環節產品或服務價格取Trade Tech 2017年1～8月份長期價格指數的平均值[3]，組件加工費參照BCG咨詢報告[4]。

從上述價格計算可以看出，在當前市場情況下，壓水堆使用MOX燃料比使用常規UO2燃料貴約65%。其主要原因是MOX燃料昂貴的加工成本。由于后處理回收的钚放射性性強、化學毒性大，制造過程大部分操作必須在屏蔽手套箱中進行，因此具有工藝難度大、設備復雜、安全要求高等特點，導致MOX組件加工成本遠高于常規UO2組件加工。根據MIT《核燃料循環的未來》報告[5]，壓水堆和快堆MOX燃料組件的加工成本為2400美元/kg HM，是目前UO2組件加工成本的大約6倍。正是由于MOX燃料組件昂貴的加工成本，抵消了其節省的天然鈾和分離功價值[6]，嚴重影響了MOX燃料在輕水堆中使用的經濟性。

2 回收钚價值測算

乏燃料后處理回收得到的可裂變材料钚系后處理廠的運行收益，其價值衡量直接決定乏燃料后處理的平準化成本。

按照與替代燃料等價的思路，分別衡量后處理回收钚在壓水堆和快堆中使用的價值，壓水堆中使用與常規UO2燃料對比，快堆中使用與高濃鈾燃料對比，計算如表2所示。

表2 回收钚分別在壓水堆和快堆中使用的價值測算Table 2 Value calculation of the recycled plutonium using in PWR and FR

注：1.俄羅斯BN600快堆使用的高濃鈾豐度為17%～26%，本計算取值20%。中國原子能研究院CFR600示范快堆MOX燃料設計钚含量為20%。

2.根據MIT報告，壓水堆和快堆MOX燃料的加工費均為2400美元/kg HM。

從表2的計算可以看出，回收钚在壓水堆中使用時的價值為負值，這意味著在當前市場情況下，每在壓水堆中使用1 t回收钚，需付出超過1 000萬美元的額外成本，即在不考慮后處理成本的情況下，回收钚在壓水堆中應用時的價值也為負值，意味著在壓水堆中使用回收钚的成本高于其在提高天然鈾利用率方面產生的效益，這一結論與IPFM研究報告中引用法國電力公司的說法完全一致[7]。

回收钚在快堆中利用時的價值大幅增加，在當前市場情況下，快堆中每使用1 t回收钚，與高濃鈾燃料相比可節省超過2300萬美元。

3 結 論

1)按照替代燃料等價計算后處理回收钚的價值是可行的。回收钚在壓水堆中應用經濟性較差，钚的價值為負值，而在快堆中使用可大幅提高其利用價值。

2)我國后處理回收钚的歸屬目前仍不確定，考慮钚的軍事敏感性，如果國家控制回收钚的所有權和分配使用，則回收钚在不同反應堆中利用時的對比價值應該作為相關政策制訂的重要依據。