我國乏燃料后處理經(jīng)濟(jì)性研究

趙彌 彭海成 董博

摘要：隨著我國核能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，天然鈾需求和所產(chǎn)生乏燃料的數(shù)量也逐年增加，后處理產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性必然會(huì)再次成為發(fā)展閉式核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)需要回答的問題之一。該文參考經(jīng)合組織核能署相關(guān)研究，開展乏燃料后處理經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)“一次通過”和后處理兩種核燃料循環(huán)方式的成本進(jìn)行測(cè)算。結(jié)果顯示，現(xiàn)階段后處理方案比“一次通過”更加經(jīng)濟(jì)，并且隨著天然鈾價(jià)格的持續(xù)上漲與后處理、MOX燃料制造技術(shù)成熟所帶來的價(jià)格下降，其經(jīng)濟(jì)性將在未來愈發(fā)凸顯。

關(guān)鍵詞：核燃料循環(huán)?乏燃料?后處理?經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：F426.61;F426.23?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”，以及更安全的核電機(jī)組投運(yùn)，核能產(chǎn)業(yè)開始逐漸復(fù)蘇。積極安全有序發(fā)展核電也成為我國優(yōu)化能源機(jī)構(gòu)，保障能源供給安全，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、應(yīng)對(duì)氣候變化的重要手段。截至2022年底，我國運(yùn)行核電機(jī)組54臺(tái)，總裝機(jī)容量5?573.7萬kW，位列全球第3；在建核電機(jī)組22臺(tái)，總裝機(jī)容量2?518萬kW，位居世界第一，核能產(chǎn)業(yè)正在迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。核電對(duì)天然鈾需求規(guī)模將持續(xù)增長，乏燃料總量也逐年上漲，后處理產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性必然會(huì)再次成為發(fā)展閉式核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)需要回答的問題之一，有必要針對(duì)新時(shí)代核行業(yè)發(fā)展面臨的新形勢(shì)、新要求，開展我國乏燃料后處理經(jīng)濟(jì)性研究。

該文在參考經(jīng)合組織核能署及國內(nèi)相關(guān)研究[1]的基礎(chǔ)上，研究相關(guān)分析方法，結(jié)合中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)[2]、中國核協(xié)會(huì)[3]等機(jī)構(gòu)給出的燃料循環(huán)各階段價(jià)格指數(shù)及相關(guān)趨勢(shì)分析，開展乏燃料后處理經(jīng)濟(jì)性分析研究，對(duì)我國后處理經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測(cè)算，以期對(duì)我國核電反應(yīng)堆燃料循環(huán)的兩種方案從經(jīng)濟(jì)性角度做出合理評(píng)價(jià)。

1?壓水堆燃料循環(huán)各階段成本

1.1?燃料循環(huán)前端成本

1.1.1?鈾采購

根據(jù)經(jīng)合組織核能署研究，購買鈾所需費(fèi)用約占?jí)核讶剂涎h(huán)總成本的30%～50%，占總發(fā)電成本的5%～20%。顯然，與化石燃料相比，核能發(fā)電成本對(duì)燃料價(jià)格波動(dòng)的敏感度要低得多。

因此，考慮到近10年來鈾價(jià)格的最低值20美元/磅（該價(jià)格出現(xiàn)在2017年）、中國核能行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)未來十年可能出現(xiàn)的高值70美元/磅（該價(jià)格可能出現(xiàn)在2030年），該文選取50美元/磅為參考價(jià)格。

1.1.2?鈾轉(zhuǎn)化

鈾轉(zhuǎn)化市場是核燃料循環(huán)前端中最小的市場。隨著世界核電復(fù)蘇，以及關(guān)鍵鈾轉(zhuǎn)化設(shè)施供應(yīng)削減和其它因素，鈾轉(zhuǎn)化服務(wù)價(jià)格一直居高不下。根據(jù)中國核學(xué)會(huì)核燃料價(jià)格指數(shù)，近期鈾轉(zhuǎn)化服務(wù)平均價(jià)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(wù)價(jià)格相比，鈾轉(zhuǎn)換價(jià)格只占燃料循環(huán)總成本的幾個(gè)百分點(diǎn)，其波動(dòng)對(duì)整個(gè)燃料循環(huán)成本影響不大。該文選取近期鈾轉(zhuǎn)化服務(wù)平均價(jià)格22美元/kgU為參考價(jià)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(yán)格貿(mào)易管制。根據(jù)世界核協(xié)會(huì)（WNA）統(tǒng)計(jì)，全球分離功總產(chǎn)能約為60?000?tSWU，總需求卻僅為50?000?tSWU。在供大于求的環(huán)境下，全球主要鈾濃縮供應(yīng)商均放緩提升產(chǎn)能的計(jì)劃。根據(jù)中國核學(xué)會(huì)核燃料價(jià)格指數(shù)，近期鈾濃縮服務(wù)平均價(jià)格為75萬元/tSWU，折合美元約108美元/kgSWU。

鈾濃縮費(fèi)用是燃料循環(huán)總費(fèi)用的重要組成部分。根據(jù)經(jīng)合組織核能署研究，鈾濃縮費(fèi)用約占燃料循環(huán)總費(fèi)用的1/4。該文選取近期鈾濃縮服務(wù)平均價(jià)格108美元/kgSWU為參考價(jià)格。

1.1.4?燃料制造

與鈾采購、轉(zhuǎn)化和濃縮不同，核燃料元件屬于反應(yīng)堆定制化產(chǎn)品，不同堆型所需元件不同，其價(jià)格也不同，因此國際市場并未正式統(tǒng)計(jì)燃料元件制造的市場價(jià)格。

由于燃料制造服務(wù)供應(yīng)商之間競爭一直很激烈，且所涉及工藝已經(jīng)十分成熟，燃料制造價(jià)格一直保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，該文選取2017—2019年美國市場壓水堆元件平均價(jià)格354.5美元/kgU為參考價(jià)格[4，5]。

1.2?在堆核燃料管理成本

為簡化計(jì)算，且相關(guān)費(fèi)用不大，該文不考慮在反應(yīng)堆場址貯存新燃料或乏燃料的費(fèi)用，以及與管理或處置反應(yīng)堆運(yùn)行期間產(chǎn)生的低放、中放廢物有關(guān)費(fèi)用。

1.3?燃料循環(huán)后端成本

從反應(yīng)堆卸出后，乏燃料將在水池中貯存一段時(shí)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(shí)在此期間產(chǎn)生的貯存費(fèi)用由核電廠運(yùn)行費(fèi)用支付，不計(jì)入燃料循環(huán)費(fèi)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(jīng)過運(yùn)輸、貯存、封裝及處置等過程。

（1）乏燃料運(yùn)輸。參考經(jīng)合組織核能署的相關(guān)研究，歐洲地區(qū)乏燃料運(yùn)輸平均價(jià)格約為50美元/kgU，考慮到歐洲地區(qū)內(nèi)的運(yùn)輸距離相對(duì)較短，該文選取150美元/kgU為參考價(jià)格。

（2）乏燃料臨時(shí)貯存?！耙淮瓮ㄟ^”方案主要特點(diǎn)是相對(duì)較長的臨時(shí)貯存時(shí)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(jīng)合組織核能署的相關(guān)研究，該文假定乏燃料臨時(shí)貯存35年，選取200美元/kgU為參考價(jià)格。

（3）乏燃料封裝與最終處置。目前全球范圍內(nèi)尚未出現(xiàn)乏燃料封裝與地質(zhì)處置實(shí)踐，因此難以估算該環(huán)節(jié)所需成本與費(fèi)用。經(jīng)合組織核能署曾對(duì)瑞典乏燃料封裝與最終處置費(fèi)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(jià)格。

1.3.2?后處理方案成本

（1）乏燃料運(yùn)輸。后處理方案與“一次通過”方案乏燃料運(yùn)輸成本一致。

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

（3）后處理。該文參考法國、英國后處理設(shè)施運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)乏燃料后處理成本進(jìn)行分析。目前，世界上較為成熟的商業(yè)后處理廠年處理能力大多為800?t，在此基礎(chǔ)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(shè)成本）。因此，該文保守選取900美元/kgU為參考價(jià)格。

（4）廢物暫存與處置。根據(jù)英國核燃料有限公司（BNFL）相關(guān)數(shù)據(jù)，商業(yè)后處理廠每年約產(chǎn)生600桶（150?L）高放玻璃固化體，這些固化體在臨時(shí)貯存設(shè)施中暫存50年后，進(jìn)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(jià)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(jì)算不同比率下的回收钚價(jià)值。

2?壓水堆總?cè)剂铣杀居?jì)算

2.1條件假設(shè)

該報(bào)告對(duì)我國壓水堆核電站燃料循環(huán)兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究分析，相關(guān)假設(shè)如下。

2.1.1?反應(yīng)堆及燃料數(shù)據(jù)

（1）反應(yīng)堆類型：壓水堆。（2）裝機(jī)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(huán)前后端數(shù)據(jù)

（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(shí)間：35年。

2.1.3?損耗因子

為計(jì)算成本，假定燃料循環(huán)不同階段鈾損失率為：轉(zhuǎn)化階段0.5%，制造階段1.0%，其他過程無損失（實(shí)際發(fā)生的損失低于假設(shè)值）。

2.1.4?計(jì)算參數(shù)

計(jì)算所需全部參數(shù)如表1所示。

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

2.1.5?單價(jià)假設(shè)

燃料循環(huán)各階段單位價(jià)格如表2所示。

2.2?“一次通過”方案總?cè)剂铣杀居?jì)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(zhì)量因子，m?=?，r1?=?（1+l2）?（1+l3）?（1+l4）。

（2）鈾轉(zhuǎn)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?cè)剂铣杀尽?/p>

根據(jù)上述燃料循環(huán)各階段經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，可以得到燃料循環(huán)前端總成本Cf、“一次通過”方案下后端總成本Cb1及燃料循環(huán)總成本C1的投入產(chǎn)出計(jì)算模型如下：

將2.1節(jié)中的條件假設(shè)帶入經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，可得到“一次通過”方案下燃料循環(huán)各階段及總體成本（表3）。

2.3?后處理方案總?cè)剂铣杀居?jì)算

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

2.3.1?乏燃料運(yùn)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(jià)值

受到防擴(kuò)散政策影響，钚無法在市場上交易，同時(shí)其在壓水堆中利用的經(jīng)濟(jì)性影響因素較多，包括燃料本身成本、運(yùn)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(jì)算，本文僅從燃料成本角度進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

根據(jù)經(jīng)合組織核能署1989年發(fā)布的《钚燃料—評(píng)估》研究，制造1?kgHM的MOX燃料元件（預(yù)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(shí)結(jié)合該文1.3.2（5）內(nèi)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(jì)算得出回收钚的單位價(jià)值（PPu）（表4）。

2.3.6?后處理方案總?cè)剂铣杀?/p>

根據(jù)上述燃料循環(huán)各階段經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，可以得到后處理方案下，燃料循環(huán)后端總成本Cb2及燃料循環(huán)總成本C2的投入產(chǎn)出計(jì)算模型如下：Cb2?=?F5+F8+F9EUEPu??????????????????????????????????????????????????????????????????????（16）