商用增殖快堆造價研究

薄美芳，張 弘

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

目前增殖快堆在世界范圍內正處于向商業化推進的階段，很多國家正積極開展快堆的研究及設計工作，從目前的研究結果看，快堆是四代堆中最接近商業推廣的堆型之一，因此研究商用快堆的經濟性尤為重要。商用快堆的造價分析在國內尚無成熟的規范或標準，本文采用自上而下的思路，基于快堆與壓水堆的設計差異分析研究后得出快堆造價的分析方法。本文研究意義在于，在尚無詳細的設計方案及大宗材料量的條件下，針對商用快堆的造價進行了定量研究分析，得出了結論，并對我國快堆的費用標準研究提出了建議，即盡快開展適合快堆的費用標準及定額體系的研究工作，并加快消化吸收國際上對于四代堆技術經濟的最新成果，研究與國內的差異，爭取早日完成技術經濟標準的本地化建設。

1 快堆概況

按照冷卻劑劃分，快堆種類有鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)，其中鈉冷快堆是四代堆型中最接近商用推廣的堆型。國際上已有快堆投入運行，我國已建成中國實驗快堆(CEFR),熱功率65 MW，電功率20 MW，采用堆本體池式結構及鈉-鈉-水三回路傳熱系統，于2014年12月8日達到滿功率運行，按照我國核能發展“熱堆、快堆、聚變堆”三步走發展戰略，快堆是重要的一環。

2 商用增殖快堆核電廠造價分析

2.1 前提條件

2.1.1 基本思路

不同于實驗堆、示范堆，對于商用增殖快堆核電廠而言，經濟性是國家(投資者)決定是否大批量建造及運營的最重要決策因素之一，這是本文重點討論商用快堆經濟性的原因。

在當前條件下，采用造價指標自下而上估算商用快堆的造價是非常困難的，因為最近一段時期內，世界上已經建成的增殖快堆核電廠中，目前為止還基本沒有一座完全意義上的商用快堆，尚無符合自下而上深度的設備及大宗材料量。所以，分析商用快堆的經濟性，主要基于一個相對的評價，即從商用快堆與壓水堆核電廠的差異入手，重點分析引起二者造價差異大的方面，如核電廠重要設備購置費(主設備、DCS系統)等。

2.1.2 基本假設：對比機型選擇

目前世界上發展的快堆中以MOX為燃料、不銹鋼為包殼、鈉為冷卻劑的占多數，原理都相似。因此本文對堆結構池式、鈉冷、MOX燃料的商用增殖快堆進行經濟性分析。

提到壓水堆，首先，壓水堆自身的造價也在不斷變化，設計深度、設備供應鏈、核電廠執照申請過程中的不確定都可能導致核電廠的建造過程風險及造價提高。其次，我國目前建造或運營的壓水堆種類較多，每個機型單位造價也不盡相同。第三，大型壓水堆與模塊化小型壓水堆的發電容量、設備設計、經濟性差異較大，因此必然無法與所有的壓水堆核電機型進行統一對比，本文選擇國內建設的某一壓水堆作為對比核電廠。

綜合上述，選擇2臺相同規模的1 100 MW級的池式、鈉冷、MOX燃料設計的商用快堆與壓水堆進行對比分析，單臺機組額定電功率均為1 100 MW，核電廠建設地點均按國內沿海廠址考慮。不同快堆或壓水堆內設計機型差異對于核電廠造價差異的影響較大，考慮本文的研究目的主要為方法研究，暫不考慮此方面引起的造價差異。

2.2 商用快堆造價分析

2.2.1 工藝設計對比

引起造價差異最根本的原因是快堆的工藝設計，見表1。快堆堆芯功率密度高，必須用導熱性高的流體(如液態鈉)冷卻。一回路流經堆芯的冷卻劑鈉屬于高放射性鈉(24Na)，為了將高放鈉與水蒸汽回路隔離開，增加了第二個回路，即一共三個回路。相對于壓水堆，高放射性鈉回路相當于壓水堆的一回路，三回路相當于壓水堆的二回路，快堆多了的二回路，包括中間熱交換器(IHX)及相關的管道及閥門引起的設備購置費用、安裝工程費用，因設備及輔助設施數量增加導致的建筑體積增加從而引起建筑工程費用等的增加，都會導致其造價增加。

表1 兩種堆型主要工藝參數表

注：表內數據為兩種堆型的大約范圍，實際核電廠設計參數會有所不同。

2.2.2 商用快堆重要設備購置費用分析

對比核電廠中，重要設備購置費用占工程費用約30%，占設備購置費用約50%，是整個核電廠固定投資中重要的組成部分，見表2。重要設備在全世界符合要求的設備制造廠數量都非常有限，設備制造壟斷現象非常明顯，設備造價昂貴，因此是本文造價分析中重點分析的部分。

表2 對比電廠工程費用組成表

注：核電項目因廠址特殊差異可能引起工程費用的比例會有不同。

從設計方案對比：首先，快堆的鈉池比壓水堆的壓力容器更加復雜。雖然壓水堆的壓力容器需要承受主回路的高壓，設計的比較厚，快堆主回路的工作壓力基本與大氣壓相當，但是由于一回路主設備布置在鈉池中，鈉池及頂蓋均尺寸較大，鈉池內的設備及鈉池本身都懸掛在頂蓋下，意味著增加了施工難度及成本，為了防止鈉與空氣接觸燃燒，增加了裝料和換料、控制棒密封等的難度。鈉池及頂蓋重量非常大，不可能完全在工廠完成安裝，需要現場有一定的現場拼裝工作，因此必須有一個拼裝場地或工廠，也會增加造價。考慮鈉池單臺設備比對比核電廠壓力容器造價增加50%。

其次，壓水堆的設計及運行壓力非常高，主管道需要厚度大來承受高溫高壓，快堆一回路設計壓力遠遠低于壓水堆，但設計溫度高，同時由于多了的二回路導致增加了鈉回路主管道的長度，因此主管道考慮費用比對比核電廠增加一倍。多了的二回路同樣要考慮增加的中間熱交換器(IHX)的設備購置費用。快堆一回路設備需要承受高的溫度及輻照強度，同時要考慮鈉介質帶來的難度，蒸發器及主泵考慮單臺費用增加10%。快堆后備反應性小，與熱中子不同，快堆控制棒數量極少，只有十幾根，因此堆內構件及控制棒驅動機構的要求難度相對較小，考慮費用增加5%。對于DCS數字化儀控系統，引起造價變化的重要因素為I/O點數，依據目前掌握的初步資料，快堆的I/O點數約為相同規模壓水堆的1.5倍多，考慮本因素對費用的影響權重以及對比核電廠的實際招投標情況，造價暫按壓水堆的1.4倍考慮。

另一方面，快堆三回路設計、運行溫度遠高于壓水堆，可以使用標準燃煤汽輪發電機組，在高加低加的蒸汽再熱的環節均不需要特殊設計及制造要求，對汽水分離器、再加熱器都無特殊要求。而壓水堆的設計運行溫度低得多，需要特殊設計的大型尺寸的核電用的半速汽輪發電機，半速汽輪機尺寸大，重量重，更容易受到設備廠制約，造價要比同功率的全速汽輪機高60%左右。因此常規島的汽輪發電機組及相應的配套設備更加簡化，造價降低，整個汽輪發電機組按降低30%考慮。

綜上所述，相同規模的快堆核島的主設備更加復雜或數量更多，造價更高，而汽輪機設計更簡單，常規島的主設備相對簡單，造價更低，考慮部分設備完全不同后，綜合以上因素后目標核電廠主要設備購置費用的單位估算結果約為對比核電廠的1.25倍，詳細對比關系見表3。

表3 主要設備購置費用對比表

注：主設備因市場因素對設備購置費用的影響暫不考慮。

2.2.3 商用快堆造價分析

裝換料設備：不同于壓水堆的硼水，快堆的冷卻介質為液態鈉，每次換料前需要對設備及部件進行鈉清洗，單次操作的換料量只有一根(壓水堆可以通過吊籃單次換料多根)，換料操作需要遠距離進行，堆容器鈉冷卻介質相對于水介質的不透明性質，同時燃料保存水池設有蓋板，工作人員需要在蓋板上工作，以上均增加了快堆換料的復雜度與難度，考慮以上因素，裝換料相關設備按壓水堆翻倍考慮。

專設安全設施：快堆由于其固有安全性，簡化了專設安全設施，設置了堆頂防護罩、事故余熱排放系統、反應堆容器超壓保護系統， 壓水堆所用的高壓安注、低壓安注、安全殼噴淋系統、輔助給水等安全系統均得到了簡化，此部分設備考慮為壓水堆的60%。

輔助及附屬系統：從前文的分析中可以看出，快堆由于使用不同的熱傳導介質，回路更多，重要設備數量更多、而且更加復雜，需要配套復雜的輔助及附屬系統。同時，鈉冷卻劑對于核級鈉的供應、儲存、清潔、加熱以及監測也提出了更特殊、更復雜的要求。因此輔助系統費用按壓水堆的1.6倍考慮。

廢物處理系統：快堆減少了高放廢物的體積，而且可以嬗變高放廢物，廢物處理系統相對簡化，按壓水堆的70%考慮。

鈉火消防系統：鈉火危害非常大，快堆需要配備鈉火探測系統以及能動、非能動的鈉火消防系統，消防系統費用增加幅度較大。

核島、常規島建筑工程按照建筑體積以及相應的抗震設計進行考慮；核島、常規島安裝工程費用依據設備費差異及相應工程量進行調整；廠址相關費用及BOP工程費用按國內一般沿海廠址考慮。工程其他費用按照參考文獻[1]中相關規定進行測算，基本預備費、價差預備費按照目前核電廠一般做法。

通過以上對比分析及測算，2臺電功率1 100 MW的商用快堆的基礎價單位投資約為14 500元/kW，比目前國內商業壓水堆核電機組的基礎價單位投資高約8%。由于建成價單位投資受核電項目的融資方案影響或決定，因此本文未對后續固定價單位投資、建成價單位投資及項目計劃總資金進行測算。

3 小結與展望

3.1 小結

經估算，對于成熟商用快堆，基礎價單位投資比對比核電廠高約8%。可以預見，隨著全世界范圍內越來越多的快堆的建造，重要設備設計及制造的標準化水平的提高，核島主設備造成的投資增加將會逐漸減少并被快堆高溫高功率、低壓設計帶來的優勢所補償，在不久的將來，商業快堆將具備一定的經濟競爭力。

需要說明的是，本文采用了差異分析的估算方法對商業快堆的造價進行了估算，對于設計方案的描述與成熟商業快堆的實際工程設計會存在偏差，相應地，將會對造價造成影響，因此文內的費用研究分析存在一定的風險。

本文的目的在分析研究不具備自下而上的估算方法時，商業快堆的造價研究方法，對于不同壓水堆機型差異導致的單位千瓦造價差異暫未考慮，因此當對比核電廠機型不同時與對比核電廠的造價差異可能有所不同。

3.2 展望

目前國內尚無快堆堆型合適的費用性質標準體系，后續在快堆項目的費用編制過程中應依據堆型的設計及采購特點積極總結，以現有的基于壓水堆核電廠的能標規定為基礎，分析快堆堆型的特殊性及差異，進一步提出反饋，完成適合的費用性質標準體系的研究、編制工作。

由于目前的核電定額是基于之前的二代加改進型機組的數據進行編制的，快堆堆型的獨特的設計方案以及施工方案難以找到合適的定額子目，或者合適的調整方案；另一方面，核工業定額體系處于正在調整及修訂的過程中，部分內容存在一些待修改的地方，也需要持續改進。

此外，國際上已經開展了四代堆的經濟性評價方面的研究工作，并已有導則等指導性文件，為了加快國內四代堆技術經濟領域標準的研究及頒布，要加快消化吸收國際上對于四代堆的估算思路，研究與國內的差異，盡快推進適應我國市場經濟條件下的本土化相關標準的研究分析工作。

因此建議在商用快堆的造價研究過程中，同時加快四代堆技術經濟標準的消化吸收工作，推進適合本機型的費用性質標準體系及定額體系的研究工作，爭取與造價研究分析同步。