从不同燃料循环模式分析快堆燃料循环的经济性

丁晓明

（中国核科技信息与经济研究院，北京  100048）

从不同燃料循环模式分析快堆燃料循环的经济性

丁晓明

（中国核科技信息与经济研究院，北京  100048）

由于技术经济数据获取的局限及缺乏有效验证，国内对有关快堆燃料循环的经济性缺乏深入研究。文章介绍了美国麻省理工学院（MIT）对包括快堆燃料循环在内的3种不同燃料循环模式下，平准化发电成本的测算结果和对比分析。运用MIT评价方法及提供的假设参数，就比投资，贴现率及铀价格变化对三种燃料循环模式的平准化发电成本的影响，进行了敏感性分析。最后，针对我国快堆燃料循环经济性研究提出了建议。

燃料循环；快堆；经济性

核能发电技术较为成熟的国家都在努力寻求建造永久性的处置场所，以解决核电厂产生的高放废物问题。但由于放射性废物最终处置对人类环境存在长期的潜在风险，许多国家计划实施的过程似乎都不顺利，主要是受到公众的反对。快堆技术的出现为破解这一难题提供了一条解决途径。由于快堆循环模式不但能提高铀资源的利用率，而且能减少高放废物体积，减轻地质处置负担，降低乏燃料长期毒性风险。

然而只有快堆循环模式在经济性上能够与常规能源竞争，其技术才能真正进入市场，形成生产力。可见经济性是决定快堆循环模式发展的关键因素之一。

由于技术经济数据获取有局限及缺乏有效验证，国内在有关快堆循环模式经济性方面，鲜有较为完整的论述性文章发表。2011年，美国麻省理工学院（MIT）出版了名为《核燃料循环的未来》的研究报告，该报告系统全面地论述了快堆燃料循环的经济性，对研究我国快堆循环的经济性具有较高的参考价值。

1 现阶段对快堆燃料循环经济性分析的局限性

仅就快堆单体研究其经济性是不全面的，必须将之放在包括快堆元件制造、后处理的整个燃料循环中综合考虑。目前，业界对燃料循环的研究一般分为3种方式，即：

一次通过式循环——乏燃料组件不考虑后处理而直接储存起来的开环核燃料循环方式。

二次通过式循环——乏燃料经后处理回收剩余的铀和经转换生成的钚同位素，之后钚同位素加入浓缩工艺尾料“贫铀”制成铀钚混合氧化物（MOX）燃料后，重新入堆复用，而剩余的锕元素和裂变产物作为高放废物处理（玻璃固化）或暂存（高放废液罐）的有限闭环核燃料循环方式。

快堆再循环——提取乏燃料中所有的长寿期核素进入快堆“嬗变”，直至“销毁”的完全闭环核燃料循环方式。

迄今为止，还没有“完全”闭环循环的国际范例，包括我国在内的一些国家仅仅是在闭环方面采取了零星步骤。所以，现阶段对快堆燃料循环进行经济分析也仅仅是建立在探讨和情景假设的基础上。

目前，对快堆再循环经济性分析的局限性主要表现在以下两方面。

1.1 不确定性

首先，每个循环的高放废物处置成本存在不确定性。虽然一次通过式循环似乎是一种成熟技术，但仍然无法确定其废物处置的实际成本。美国尤卡山处置库项目因政治分歧而一再推迟，虽然其已经发生的成本对估算仍然有用，但就整个项目而言，由于缺乏实际运行的数据，所以不能成为真正意义上的参考样板。另外，一些正在从事后处理以及MOX燃料制造的国家，并不打算直接对MOX乏燃料进行地质深埋处置，同时也没有找出任何有效的替代方案，所以，对MOX乏燃料处置成本的预测也缺乏可供参考的实际经验。

MIT报告中对废物地质处置成本的估算也是基于不进行乏燃料后处理的美国相关标准推测出的。而一旦真正开展后处理业务，实际成本可能会与按监管要求核定出的废物处置成本存在较大差异。

第二，乏燃料后处理成本以及再循环燃料制造成本方面存在较大的不确定性。虽然英、法两国已经拥有商业化的后处理厂，以及MOX燃料制造厂，日本的六所村商用后处理项目也在建设中，但要进行可靠的成本估算，仅这3个样本是远远不够的。而且这些后处理厂一般是由受到政府资助的公司建设，可供参考的公开数据极少。日本六所村后处理厂项目目前的建设成本也已达到先期估算的3倍。因此，不能忽视这种看似成熟技术所伴随的不确定性。对于像目前正在开发的快堆燃料后处理技术，由于缺乏商业运行经验，其成本估算所面临的不确定性会非常大。

第三，快堆的建设及运行成本方面存在很大的不确定性。由于目前所有已经建成的快堆都为试验堆或示范堆，只有少数快堆并网发电，从这些快堆项目所能获取的数据非常有限，对于未来商用快堆成本估算的参考作用不大。

1.2 投资成本

投资成本（或贴现率）是研究各种燃料循环替代方案中成本计算的重要且敏感因素。针对反应堆、后处理厂及处置设施的大规模资本性投入，其回报需要通过多年发电所带来的收益来实现。投入的资本成本越高，要求的回报也就越高。

虽然一些国家的后处理或快堆的投资成本较低，那是因为：①其所有权归国家所有（属国有企业，例如我国），这些设施在其建设或运营过程中可以享受到私企无法取得的减免税优惠政策；②国有企业的抗风险能力较强；③市场管制环境下经营的企业较非管制环境下经营的企业所面临的风险要小得多。这些因素导致用于补偿其他机会成本所需要的投资回报，及补偿风险所需要的投资回报会下降，必然造成国有企业投资成本相对较低。

2 MIT基本方案测算结果介绍

对于任何一个行业，各种替代技术方案比较都必须采用相同的评价标准。平准化发电成本方法是国际上通用的，用于比较各种基荷发电技术替代方案的评价手段。其考虑了投资方回报，但一般不包括税收（税收与国家、地区、行业政策相关），可以理解为含利成本，而非我们所说的上网电价。

MIT的《核燃料循环的未来》研究报告给出的案例研究背景，考虑的是在完全市场经济体制下的竞争性电力市场环境，其研究的发电成本正是以平准化发电成本来衡量的。平准化发电成本需要考虑在某一确定的燃料循环方案下所将发生的全部成本，并将其分摊到该循环服役期内所产生的发电量上。

MIT研究报告就前述3种燃料循环模式的平准化发电成本分别进行了测算。表1给出了测算所用的主要输入参数的假设值（而对3种燃料循环模式分别进行测算所需的技术经济参数，文章不再列出）。

2.1 一次通过循环模式（见表2）

表2列出了一次通过循环模式平准化发电成本构成。一次通过循环模式总的平准化发电成本为83.81美厘/千瓦时，其中，燃料循环前段成本为7.11美厘/千瓦时，占总成本的8%；天然铀成本仅为2.76美厘/千瓦时，占总成本的3%。可以看出：①天然铀采购价格的变化对总成本影响较小；②在铀价格一定的条件下，天然铀节省的成本对总成本几乎没有影响。另外，反应堆投资成本为67.68美厘/千瓦时，占总成本的81%，因其涵盖了建造成本、运行期间固定资产投资成本以及反应堆退役成本，比重较高（注：与我国核电投资成本的构成有所不同）；与燃料无关的运行维护成本为7.72美厘/千瓦时，占总成本的9%；燃料循环后段成本为1.30美厘/千瓦时，占总成本的2%。

表1 基本输入参数假设Table1 Hypothesis of basic input parameters

2.2 二次通过循环模式

表3列出了二次通过循环模式平准化发电成本构成。其中，[1]～[11]是以UOX燃料形式初次通过反应堆的平准化发电成本，[12]～[19]是以MOX燃料形式二次通过反应堆的平准化发电成本。

表2 一次通过循环模式平准化发电成本Table2 LCOE of once-through fuel cycle mode

表3 二次通过循环模式平准化发电成本Table3 LCOE of twice-through fuel cycle mode

对于初次通过焚烧UOX燃料的反应堆来讲，前段燃料成本、堆投资成本及运行维护成本，是与之前介绍的一次通过循环模式的[1]～[5]是相同的。由于要对乏燃料进行后处理，使得两者的后段燃料成本有所不同。后段燃料循环成本包括：UOX乏燃料后处理成本[6]、高放废物的处置成本[7]、回收铀成本[8]（由于可用于制造UOX燃料，其回收价值可抵扣部分后段成本）、回收钚成本[9]（可用于制造二次通过式循环MOX燃料），燃料循环后段总成本[10]为2.87美厘/千瓦时，大大高于一次通过循环模式，这也是导致二次通过循环模式中，初次通过反应堆的总平准化发电成本（85.38美厘/千瓦时）高于一次通过循环模式的原因。

对于第二次通过焚烧MOX燃料的反应堆来讲，前段燃料成本由贫铀采购[12]、分离钚产生的抵扣收益[13]及制造MOX燃料成本[14]三部分构成。第二次通过式燃料循环前段总成本[15]（3.02美厘/千瓦时）远低于初次通过的相应成本（7.11美厘/千瓦时），这是因为在二次通过式反应堆的业主需要支付分离钚的费用，从而抵扣了制造MOX燃料的大部分成本，抵扣收益相当于[13]给出的值（4.39美厘/千瓦时）。另外，无论采用UOX燃料还是MOX燃料，反应堆投资成本[16]和运行成本[17]都是一样的。

使用MOX燃料的反应堆，其燃料循环后段成本[18]为6.96美厘/千瓦时，其中包括了MOX乏燃料的中间贮存成本以及在地质深埋处置库内的最终处置成本。其值远高于UOX乏燃料直接处置的成本（可与表2中[6]对比）。

目前，虽然已有国家能够利用再循环回收钚，来制造MOX燃料，但还没有使用地质处置库对MOX乏燃料进行处置的先例。为有效开展平准化发电成本测算，需确定某种最终处置方案，可选择：①在地质处置库中进行最终处置；②进一步进行再循环；③最终处置方式尚不确定，将视未来具体情况而定。表3中给出的二次通过循环模式的平准化发电成本是针对方案①的，在后述的表4中给出的快堆循环模式的平准化发电成本相关分析是针对方案②和方案③的。如果在快堆内进行进一步的再循环，将UOX乏燃料直接用作快堆燃料，成本会更低，因为跳过了MOX燃料制造这一步。虽然测算结果均采用了同样的假设条件，但实际情况可能会有较大出入。

2.3 快堆再循环模式（见表4）

表4列出了转换比（CR）为1的快堆再循环模式平准化发电成本构成，并给出了两个堆的平准化发电成本。第一个是使用原料铀生产的UOX燃料的热堆，[1]～[11]具体介绍了其平准化发电成本构成。第二个是快堆，使用的是通过UOX乏燃料分离出的超铀元素制造的燃料，[12]～[23]具体给出了其平准化发电成本构成。

再次强调一下，对于使用新UOX燃料的热堆而言，其前段燃料成本、堆投资成本及运行维护成本（见表4中[1]～[5]）与“一次通过循环模式”相同。后段燃料循环成本包括后处理成本、高放废物处置成本、回收铀的成本抵扣、超铀元素回收成本（见表4中[6]～[10]）。该反应堆总的平准化发电成本为86.57美厘/千瓦时。

快堆燃料循环前段成本[15]为负值（-15.66美厘/千瓦时），是因为用回收的超铀元素制成燃料可以获得高额的成本抵扣收益[13]（-19.72美厘/千瓦时）。贫铀采购成本[12]只有0.02美厘/千瓦时，燃料生产成本[14]为4.05美厘/千瓦时。与热堆相比，快堆的投资成本和运营成本要高出20%。在燃料循环后段环节，快堆乏燃料经再次后处理，提取出铀和超铀元素的混合物，并分离出由裂变产物组成的高放废物，该分离成本[18]为2.66美厘/千瓦时。高放废物的处置成本[19]为0.34美厘/千瓦时，铀的成本抵扣[20]为0.01美厘/千瓦时，超铀元素的回收成本[21]为8.75美厘/千瓦时。所以，总的燃料后段成本[22]为11.74美厘/千瓦时，快堆最终平准化发电成本为86.57美厘/千瓦时。

2.4 3种循环模式的平准化发电成本比较

从上述3种燃料循环模式的平准化发电成本比较中，可得出一个重要结论：三者间的成本差异比起发电总成本而言是很小的。快堆循环成本是3个循环中最高的，比成本最低的一次通过式循环高出2.76美厘/千瓦时，成本增加3%左右，从图1、图2中可看出这种细微的差别（图1中最右列的快堆燃料循环成本正负相抵后，其净值与左侧相邻列相同）。

由于燃料循环成本占发电总成本的比重较少，因此各个燃料循环成本变化量就显得非常小。但如果与一次通过式燃料循环前后段总成本相比，其成本增幅可达33%；与一次通过式燃料后段的成本相比，成本增幅可达212%。

图1 3种燃料循环模式的平准化发电成本构成（按各反应堆分别列出）Fig.1 Composition of LCOE under three fuel cycle modes (as per reactor)

图2 3种燃料循环模式的平准化发电成本构成（按各循环模式分别列出）Fig.2 Composition of LCOE under three fuel cycle modes (as per fuel cycle)

通过对比表2、表3可以发现后处理成本的重要。在一次通过式循环中，UOX乏燃料的处置成本为1.30美厘/千瓦时，而如果燃料经过再循环，其后处理成本就达到2.36美厘/千瓦时，且不包含分离出的高放废物的处置成本及提取铀和钚的种成本差距是很难通过节省第二个反应堆所需的原料铀来弥补的——生产新UOX燃料的铀成本为2.76美厘/千瓦时。此外，制造MOX燃料的成本远远大于制造全新UOX燃料的成本。再者， MOX乏燃料处置成本更高，这些因素导致二次通过式循环的成本高于一次通过式循环成本。

对于快堆循环模式，表4中的数据提供了类似的结论：比起节省天然铀的效果，后处理和废物处置的成本是相当高的。快堆循环中之所以没有像表3给出的二次通过式循环中的二次通过反应堆的高额的处置费用，是因为在快堆循环中，超铀元素继续被再循环利用，而二次通过式循环中MOX乏燃料被送去处置了。不过这种再循环只是推迟了对超铀元素管理所应支付的费用，对于未来的超铀元素管理费用可通过评估最终卸出并待处置的超铀元素所需的费用来确定。

与一次通过式循环相比，快堆循环中还有另外一个起作用的因素，即快堆的投资成本和运维成本大大高于热堆的投资成本和运维成本——总共高出15.08美厘/千瓦时，而这一差额是很难靠节省天然铀来弥补的。

另外，在快堆循环模式中，不同的CR取值，对平准化发电成本也有一定影响。CR小于1时，快堆作为“焚烧”堆平准化发电成本相对较低；CR大于1时，快堆作为“增殖”堆平准化发电成本相对较高。这是由于随着CR的提高，快堆燃料后段成本加大，抑制了回收超铀元素形成的成本抵扣作用。

3 对MIT基本方案的敏感性分析

文章运用MIT评价方法及提供的参数，针对MIT基本方案进行了敏感性分析。

3.1 比投资变动的敏感性

在3种循环模式中，由于投资成本在成本结构中的占比较高，所以对成本的影响最为显著，表5显示，如果基础价比投资降到2 000美元/千瓦（快堆另需增加20%，下同），平准化发电成本均在50美厘/千瓦时左右；但比投资一旦升高到6 000美元/千瓦，平准化发电成本将攀升到120美厘/千瓦时左右。从图3可以清晰地看出，3种循环模式的比投资变化率与成本变化率几乎都呈同比变化。

图3 基础价比投资变动的敏感性Fig.3 Sensitiveness of basic price variation

3.2 贴现率变动的敏感性

图4 贴现率变动的敏感性Fig.4 Sensitiveness of discount rate variation

贴现率反映是资金成本。从表6和图4可以看出，平准化发电成本对贴现率的变化也高度敏感，并与比投资的敏感性基本相似。贴现率越高，需要支付给投资者作为投资报酬的资金收益率越高，平准化发电成本也随之增高。所以，贴现率的变动对3种循环模式的经济性都会造成影响。

另外，在快堆再循环模式中，贴现率变动对不同堆型投资成本的影响也有所不同（见图5）。随着贴现率由低走高，投资成本较高的快堆与热堆间的差距会明显拉大。

3.3 天然铀价格变动的敏感性

如图6所示，当天然铀价格大幅度变化（变化幅度从－25%～150%）时，3种循环模式的平准化发电成本变化却非常平缓，且三者间的价差也几乎不变。据测，在其他参数不变的情况下，只有当天然铀价格达到$620/kgHM时，才会使3种平准化发电成本相等。所以，铀价格还不能成为选择循环模式的主要因素。

表5 不同比投资的平准化发电成本（美厘/千瓦时）Table5 LCOE for different overnight costs

表6 不同贴现率的平准化发电成本（美厘/千瓦时）Table 6 LCOE of different discount rates

图5 贴现率变动对不同堆型投资成本的影响Fig.5 The impact of discount rate variation on the cost of different reactor types

图6 天然铀价格变动的敏感性Fig.6 Sensitiveness to the change of natural uranium price

4 结论与建议

1) 3种循环模式下总的平准化发电成本并无明显差异，相对而言，虽然快堆循环模式的平准化发电成本及后处理成本略高，但其铀钚回收价值高于后处理成本，抵扣作用明显。

2) 由于缺乏可供参考的经验数据，文中对快堆后处理取费较高，也影响到快堆的经济性。如果未来快堆循环实现商业化、规模化运作，其经济性可显著提高，所以具有潜在的市场竞争力。

3) 由于平准化发电成本对天然铀购置价格的变动不敏感，所以发展快堆的真正意义应侧重在对乏燃料的充分再利用、减少核燃料循环中产生的核废物处置量、防止核扩散等方面。

4）后处理技术与快堆技术结合，是推进我国核能发展“热堆（压水堆）—快堆—聚变堆”三步走发展战略第二步的关键。我国建成的第一个快堆，尚处于实验阶段（目前各国的快堆正处于示范堆阶段，无法投入成熟的商业运行），后处理技术（尚不包括快堆乏燃料后处理技术）也只是在关键技术方面有所突破。要实现市场化运作，目前这两种技术都不成熟。所以，考虑到技术进步及各种不确定因素，借鉴国外经验，继续开展多种方式的研究开发，尤其是重视对技术、经济数据的收集与筛选，燃料循环评价模型的构建，为后续开展项目评估、方案比较等工作提供分析手段和参考依据，是十分必要的。

5）考虑到能源需求及温室效应问题，目前，国际社会更倾向于对改进型核能的依赖。基于此，推进我国核燃料循环技术的不断创新（包括管理体系及人才培养），应该成为国家核能战略的一个长久计划，并扎实推进。

[1] 尤卡山高放废物处置计划的失败与蓝带委员会的报告[J]. 国外核动力，2013（3）.（Failure of Yucca Mountain High-level Waste Disposal Program and Report by Blue Ribbon Committee[J]. Foreign Nuclear Power, 2013(3).）

[2] MIT STUDY ON THE FUTURE OF NUCLEAR FUEL CYCLE，2011.

[3] ECONOMICS OF NUCLEAR FUEL CYCLE:OPTIO N VALUATION AND NEUTRONICS SIMULATION OF MIXED OXIDE FUELS，GUILLAUME DE ROO，2007.

Economic Analysis of Fast Reactor Fuel Cycle with Different Modes

DING Xiao-ming
(China Institute of Nuclear Information and Economics，Beijing 100048，China)

Because of limitations on the access to technical and economic data and the lack of effective verification, the lack of in-depth study on the economy of fast reactor fuel cycle in China. This paper introduces the analysis and calculation results of the levelized cost of electricity (LCOE）under three different fuel cycle modes including fast reactor fuel cycle carried out by Massachusetts Institute of Technology （MIT). The author used the evaluation method and hypothesis parameters provided by the MIT to carry out the sensitivity analysis for the impact of the overnight cost, the discount rate and changes of uranium price on the LCOE under three fuel cycle modes. Finally, some suggestions are proposed on the study of economy in China’s fast reactor fuel cycle.

nuclear fuel cycle；fast reactor；economics

TM623  Article character：A  Article ID：1674-1617(2014)02-0160-08

TM623

A

1674-1617(2014)02-0160-08

2013-03-09

丁晓明（1961—），女，北京人，研究员级高级工程师，长期从事核工业软科学研究工作。