我國乏燃料后處理經濟性研究

趙彌 彭海成 董博

摘要：隨著我國核能產業快速發展，天然鈾需求和所產生乏燃料的數量也逐年增加，后處理產業的經濟性必然會再次成為發展閉式核燃料循環產業需要回答的問題之一。該文參考經合組織核能署相關研究，開展乏燃料后處理經濟性分析，對“一次通過”和后處理兩種核燃料循環方式的成本進行測算。結果顯示，現階段后處理方案比“一次通過”更加經濟，并且隨著天然鈾價格的持續上漲與后處理、MOX燃料制造技術成熟所帶來的價格下降，其經濟性將在未來愈發凸顯。

關鍵詞：核燃料循環?乏燃料?后處理?經濟性

中圖分類號：F426.61;F426.23?????文獻標識碼：A

Research?on?the?Economy?of?Irradiated?Fuel?Reprocessing?in?China

ZHAO?Mi??PENG?Haicheng??DONG?Bo

（Nuclear?Technology?Support?Center?of?SASTIND，Beijing，?100071?China）

Abstract：?With?the?rapid?development?of?China's?nuclear?energy?industry，?the?demand?for?natural?uranium?and?the?amount?of?produced?spent?fuel?are?also?increasing?year?by?year，?and?the?economy?of?the?reprocessing?industry?will?inevitably?become?one?of?the?questions?that?need?to?be?answered?in?the?development?of?the?closed?nuclear?fuel?cycle?industry?again.?This?study?refers?to?relevant?research?from?the?OECD?Nuclear?Energy?Agency，?analyzes?the?economy?of?spent?fuel?reprocessing，?and?calculates?the?costs?of?two?nuclear?fuel?cycle?methods?of?"once-through"?and?reprocessing.?The?results?show?that?the?reprocessing?scheme?is?more?economical?than?"once-through"?at?this?stage，?and?its?economy?will?become?increasingly?prominent?in?the?future?with?the?continuous?rise?of?the?price?of?natural?uranium?and?the?decrease?of?the?price?caused?by?the?maturity?of?reprocessing?and?MOX?fuel?manufacturing?technology.

Key?Words：?Nuclear?fuel?cycle;?Spent?fuel;?Reprocessing;?Economy

近年來，隨著世界各國積極推進“碳達峰、碳中和”，以及更安全的核電機組投運，核能產業開始逐漸復蘇。積極安全有序發展核電也成為我國優化能源機構，保障能源供給安全，實現“雙碳”目標、應對氣候變化的重要手段。截至2022年底，我國運行核電機組54臺，總裝機容量5?573.7萬kW，位列全球第3；在建核電機組22臺，總裝機容量2?518萬kW，位居世界第一，核能產業正在迎來前所未有的發展機遇。核電對天然鈾需求規模將持續增長，乏燃料總量也逐年上漲，后處理產業的經濟性必然會再次成為發展閉式核燃料循環產業需要回答的問題之一，有必要針對新時代核行業發展面臨的新形勢、新要求，開展我國乏燃料后處理經濟性研究。

該文在參考經合組織核能署及國內相關研究[1]的基礎上，研究相關分析方法，結合中國核能行業協會[2]、中國核協會[3]等機構給出的燃料循環各階段價格指數及相關趨勢分析，開展乏燃料后處理經濟性分析研究，對我國后處理經濟性進行測算，以期對我國核電反應堆燃料循環的兩種方案從經濟性角度做出合理評價。

1?壓水堆燃料循環各階段成本

1.1?燃料循環前端成本

1.1.1?鈾采購

根據經合組織核能署研究，購買鈾所需費用約占壓水堆燃料循環總成本的30%～50%，占總發電成本的5%～20%。顯然，與化石燃料相比，核能發電成本對燃料價格波動的敏感度要低得多。

因此，考慮到近10年來鈾價格的最低值20美元/磅（該價格出現在2017年）、中國核能行業協會預測未來十年可能出現的高值70美元/磅（該價格可能出現在2030年），該文選取50美元/磅為參考價格。

1.1.2?鈾轉化

鈾轉化市場是核燃料循環前端中最小的市場。隨著世界核電復蘇，以及關鍵鈾轉化設施供應削減和其它因素，鈾轉化服務價格一直居高不下。根據中國核學會核燃料價格指數，近期鈾轉化服務平均價格為15萬元/tU，折合美元約22美元/kgU。

與鈾采購與鈾濃縮服務價格相比，鈾轉換價格只占燃料循環總成本的幾個百分點，其波動對整個燃料循環成本影響不大。該文選取近期鈾轉化服務平均價格22美元/kgU為參考價格。

1.1.3?鈾濃縮

影響鈾濃縮市場的因素多種多樣，并且還受嚴格貿易管制。根據世界核協會（WNA）統計，全球分離功總產能約為60?000?tSWU，總需求卻僅為50?000?tSWU。在供大于求的環境下，全球主要鈾濃縮供應商均放緩提升產能的計劃。根據中國核學會核燃料價格指數，近期鈾濃縮服務平均價格為75萬元/tSWU，折合美元約108美元/kgSWU。

鈾濃縮費用是燃料循環總費用的重要組成部分。根據經合組織核能署研究，鈾濃縮費用約占燃料循環總費用的1/4。該文選取近期鈾濃縮服務平均價格108美元/kgSWU為參考價格。

1.1.4?燃料制造

與鈾采購、轉化和濃縮不同，核燃料元件屬于反應堆定制化產品，不同堆型所需元件不同，其價格也不同，因此國際市場并未正式統計燃料元件制造的市場價格。

由于燃料制造服務供應商之間競爭一直很激烈，且所涉及工藝已經十分成熟，燃料制造價格一直保持相對穩定。因此，該文選取2017—2019年美國市場壓水堆元件平均價格354.5美元/kgU為參考價格[4，5]。

1.2?在堆核燃料管理成本

為簡化計算，且相關費用不大，該文不考慮在反應堆場址貯存新燃料或乏燃料的費用，以及與管理或處置反應堆運行期間產生的低放、中放廢物有關費用。

1.3?燃料循環后端成本

從反應堆卸出后，乏燃料將在水池中貯存一段時間，以使釋熱量顯著減少。在該文中，兩種方案都假定乏燃料在水池貯存五年，同時在此期間產生的貯存費用由核電廠運行費用支付，不計入燃料循環費用。

1.3.1?“一次通過”方案成本

在“一次通過”方案中，乏燃料離開核電廠貯存水池后，需要經過運輸、貯存、封裝及處置等過程。

（1）乏燃料運輸。參考經合組織核能署的相關研究，歐洲地區乏燃料運輸平均價格約為50美元/kgU，考慮到歐洲地區內的運輸距離相對較短，該文選取150美元/kgU為參考價格。

（2）乏燃料臨時貯存。“一次通過”方案主要特點是相對較長的臨時貯存時間，參考瑞典曾采用的策略，大約需要30～40年長期貯存期。參考經合組織核能署的相關研究，該文假定乏燃料臨時貯存35年，選取200美元/kgU為參考價格。

（3）乏燃料封裝與最終處置。目前全球范圍內尚未出現乏燃料封裝與地質處置實踐，因此難以估算該環節所需成本與費用。經合組織核能署曾對瑞典乏燃料封裝與最終處置費用做出過估算，大約為610歐元/kgU。因此，該文保守選取700美元/kgU為參考價格。

1.3.2?后處理方案成本

（1）乏燃料運輸。后處理方案與“一次通過”方案乏燃料運輸成本一致。

（2）乏燃料臨時貯存。乏燃料運抵后處理廠后，將再進行一段時間的短期貯存，一般從數月到數年不等。在此報告的研究分析中，假定乏燃料在進行后處理之前于后處理廠貯存一年，同時將此種短期貯存成本包含進入后處理價格中。

（3）后處理。該文參考法國、英國后處理設施運行實踐，對乏燃料后處理成本進行分析。目前，世界上較為成熟的商業后處理廠年處理能力大多為800?t，在此基礎上估算出的后處理邊際成本約為700～800美元/kgU（不包含后處理廠建設成本）。因此，該文保守選取900美元/kgU為參考價格。

（4）廢物暫存與處置。根據英國核燃料有限公司（BNFL）相關數據，商業后處理廠每年約產生600桶（150?L）高放玻璃固化體，這些固化體在臨時貯存設施中暫存50年后，進行最終處置。暫存與處置成本為60～90歐元/kgU。因此，該文保守選取120美元/kgU為參考價格。

（5）MOX燃料制造。國際上不同國家間的MOX燃料元件制造成本存在較大差異，普遍為鈾氧化物燃料的4～6倍。因此，該文分別選取MOX燃料元件制造成本為鈾氧化物燃料元件制造成本的4、5、6倍，計算不同比率下的回收钚價值。

2?壓水堆總燃料成本計算

2.1條件假設

該報告對我國壓水堆核電站燃料循環兩種方案的經濟性進行研究分析，相關假設如下。

2.1.1?反應堆及燃料數據

（1）反應堆類型：壓水堆。（2）裝機容量：1GW。（3）燃料中235U富集度：4%。（4）燃耗深度：45GW·d/tU。（5）燃料消耗量：28tU/a。

2.1.2?燃料循環前后端數據

（1）天然鈾中235U富集度：0.71%；（2）貧鈾中235U富集度：0.25%；（3）乏燃料中235U富集度：1%；（4）?“一次通過”方案乏燃料貯存時間：35年。

2.1.3?損耗因子

為計算成本，假定燃料循環不同階段鈾損失率為：轉化階段0.5%，制造階段1.0%，其他過程無損失（實際發生的損失低于假設值）。

2.1.4?計算參數

計算所需全部參數如表1所示。

其中：j=1時為鈾采購；??j=2時為鈾轉化；??j=3時為鈾濃縮；j=4時為燃料元件制造；j=5時為乏燃料運輸；j=6時為乏燃料臨時貯存；j=7時為乏燃料最終處置；j=8時為乏燃料后處理；j=9時為高放廢物暫存與處置；j=10時為后處理時的鈾回收率。

2.1.5?單價假設

燃料循環各階段單位價格如表2所示。

2.2?“一次通過”方案總燃料成本計算

（1）鈾采購成本。F1?=?Mf·r1·P1??????????????????????????????????????????????????????????????（1）

式中，Mf?=?Mp·m?，m為鈾濃縮過程中的質量因子，m?=?，r1?=?（1+l2）?（1+l3）?（1+l4）。

（2）鈾轉化成本。

式中，S?=?MpV（cp）+MtV（ct）MfV（cf），Mt?=?MfMp?。

（7）乏燃料最終處置成本。F7?=?Mp·P7?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????（7）

（8）“一次通過”方案總燃料成本。

根據上述燃料循環各階段經濟性計算模型，可以得到燃料循環前端總成本Cf、“一次通過”方案下后端總成本Cb1及燃料循環總成本C1的投入產出計算模型如下：

將2.1節中的條件假設帶入經濟性計算模型，可得到“一次通過”方案下燃料循環各階段及總體成本（表3）。

2.3?后處理方案總燃料成本計算

后處理方案計算模型前端（從鈾采購到鈾氧化物燃料制造環節）與“一次通過”方案相同，區別主要在于乏燃料離堆后不進行長期貯存而是直接進行后處理。

2.3.1?乏燃料運輸成本F5?=?Mp·P5?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????（11）

2.3.2?乏燃料后處理成本

2.3.5?回收钚價值

受到防擴散政策影響，钚無法在市場上交易，同時其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燃料貯存等[8]，其中燃料成本是最主要的影響因素，為簡化計算，本文僅從燃料成本角度進行對比評估。

根據經合組織核能署1989年發布的《钚燃料—評估》研究，制造1?kgHM的MOX燃料元件（預期燃耗深度42.5?GW·d/t）大約需要44?g钚與0.933?kg天然鈾。同時結合該文1.3.2（5）內容，分別選取MOX燃料元件制造成本為鈾氧化物燃料元件制造成本的4倍、5倍、6倍，計算得出回收钚的單位價值（PPu）（表4）。

2.3.6?后處理方案總燃料成本

根據上述燃料循環各階段經濟性計算模型，可以得到后處理方案下，燃料循環后端總成本Cb2及燃料循環總成本C2的投入產出計算模型如下：Cb2?=?F5+F8+F9EUEPu??????????????????????????????????????????????????????????????????????（16）