AP1000燃料管理方案经济性分析

郑保军，付 翌

(中国核电工程有限公司，北京100840)

AP1000燃料管理方案经济性分析

郑保军，付 翌

(中国核电工程有限公司，北京100840)

核电厂采取的燃料管理方案对经济性结果影响很大。对于同一核电技术，考虑某一设计方案的变化，有助于度量该技术单一要素的影响。AP1000机组设计了两种不同的首循环，两种不同的平衡循环，以及数种相应的过渡循环。本文通过分析不同循环的特点，计算了各种设计方案的经济性，同时分析了燃料费用相关要素对经济性对比结果的影响，旨在帮助决策者选择经济合理的燃料方案。

AP1000；燃料管理；经济性分析

核动力发电是一种清洁环保、高效、安全、经济的能源技术。

在加强安全性的同时，对核电经济性的要求也逐渐得到重视，核电标杆上网电价制度实施后，优化设计方案、降低相关成本、提高竞争力成为核电不得不面临的重要课题。降低建设投资是提高核电经济性的优先手段。与此同时，投资确定的情况下，选择合理和先进的燃料管理方案，有助于提高核电厂利用率，提高销售收入，降低燃料成本，对核电厂经济性的影响巨大。

AP1000技术是美国西屋公司开发的非能动三代核电技术，其国产化后的CAP1000技术及CAP1400技术将成为国内核电领域的重要参考技术，分析AP1000技术的经济性有助于指导未来类似核电技术的优化。

工程设计中，AP1000有数种不同的燃料管理方案供运营方选择，这些方案均能采用在目前建设的机组中。

文中给出的各方案只包括了与经济性相关的参数，具体工程设计、计算过程和结果见参考文献[1]及工程设计资料。相关资料和工程设计文件是技术可行性的有力支撑。

选择何种方案比较合理取决于各自的经济性。评价经济性的方法为对比年均发电量、年均发电总成本的高低。

1 AP1000燃料管理方案

压水堆核电厂运营中，停堆换料和大修是不可避免的运营阶段。

两次停堆之间，燃料组件在反应堆内经历一个燃料循环。根据燃料循环在整个寿期内所处阶段的不同，分为首循环、过渡循环和平衡循环。

1.1 首循环

AP1000首循环设计了两种方案。分别是基本型和先进型[1]。

基本型堆芯装载方案，燃料分三个区域装载，高富集度燃料组件装在堆芯外围以此降低功率峰因子。循环长度为520 EFPD，平均燃耗深度为20 874 MWd/tU。

燃料初始富集度及组件数量见表1。

表1 基本型装载方案分区布置参数(单堆)Table 1 Enrichment distribution for base scheme(One Unit)

注①：为了实现更加合理的堆芯布置，AP1000机组采用多种不同设计的燃料组件，相同富集度的组件装铀量都不完全相同。

先进型首炉堆芯装载方案采用“低泄漏装载方案”，通过模拟18个月换料策略和利用6种富集度的燃料组件装载，堆芯外围布置富集度为0.74%的燃料组件，其在第二循环从堆芯中卸出，达到18个月换料的目标。循环长度为465 EFPD，平均批卸料燃耗为18 673 MWd/tU。

燃料富集度及组件数量见表2。

表2 先进型装载方案分区布置参数(单堆)Table 2 Enrichment distribution for advanced scheme(One Unit)

1.2 平衡循环

AP1000的平衡循环设计了两种方案，一是标准的18个月方案，二是16个月和20个月交替的双重平衡方案，即双循环方案。各自的堆芯装载见表3及表4。

表3 18个月平衡循环方案(单堆)Table 3 Enrichment distribution for 18-month balance cycling(One Unit)

18个月平衡循环循环长度为510 EFPD，平均卸料燃耗为50 553 MWd/tU。16个月和20个月双循环循环长度分别为451 EFPD和569 EFPD，平均卸料燃耗分别为50 087 MWd/tU和50 296 MWd/tU。

1.3 过渡循环

过渡循环是燃料管理方案中不可忽略的一部分，在从首循环过渡至平衡循环中均有数个过渡循环，其装载方案一般比较复杂，并且各循环间布置方案仍存在差异。AP1000燃料管理方案充分降低过渡循环数量，对于基本型及先进型首循环装载方案，第二循环装载方案类似于18个月平衡循环，第三循环类似于20个月平衡循环，即从第三循环达到18个月平衡循环或者16个月和20个月双循环的目的均可实现。比较设计方案后可以发现，过渡循环与平衡循环的设计基本相同，此外，过渡循环数量很少，对电厂经济性影响很有限。因此，对于AP1000机组，过渡循环对经济性的影响可以不再单独考虑。

2 经济性分析

不同燃料管理方案的经济性分析应关注两个方面，一是不同首循环导致首炉燃料费用的差异，核电项目首炉燃料费用计入核电厂投资基础价中，对电厂造价有影响；二是不同的平衡循环布置，导致换料成本的差异，对电厂运营成本有影响。

2.1 燃料单价

各循环的燃料费用可根据燃料单价和燃料重量计算，不同富集度的燃料组件，燃料单价并不相同。燃料单价的计算需要根据不同阶段(天然铀、转化、富集、组件制造)各项价格计算[2]，各阶段产生的损耗也应计入燃料费用中。各阶段损耗及单价如表5。

续表

2.2 首炉燃料费用

表6是基本型和先进型首循环方案的燃料费用计算结果(不考虑运费和相关组件费用)。

经过比较可以发现，基本型燃料管理方案较先进型方案首炉燃料费用增加2亿元(20%左右)，约占基础价投资的1.4%，影响单位kW投资200元/kW左右，对于15 000元/kW左右的投资指标有一定影响。

表6 基本型和先进型首循环方案燃料费用(单堆)Table 6 IFC cost for base and advanced scheme(One Unit)

需要注意的是，两种首循环的循环长度分别为520 EFPD和465 EFPD。循环长度对应单次循环内的发电量。可以发现，基本型方案首循环内发电量为先进型的1.12倍。折算可知，先进型方案下，单位发电量的燃料成本比基本型降低了近10%(0.077元/kWh至0.071元/kWh)，差别较大。采用较低富集度和燃耗的方案成本低于较高富集度和燃耗的方案。

此外，根据AP1000工程设计，其预想停堆换料时间为21天，不同方案电厂可利用率分别为96.1%和95.7%，年均可发电量差别很小，基本型方案的增发电能力有限。

2.3 运营成本

对于相同的首循环，投资成本、燃料成本和运营维护成本受发电量的影响，燃料成本与燃料富集度也有关。

2.3.1 投资成本

投资成本与发电量成反比关系。根据AP1000机组估算、概算情况，其投资成本约占总成本的45%～50%，是发电成本的主要组成部分。长周期换料循环导致投资成本能够被较大的发电量降低。根据18个月平衡循环和16个月/20个月双循环的特点，前者循环长度达到了510 EFPD，后者在两次循环中达到了1020 EFPD。在AP1000假定的21天的停堆换料情况下，两种方案单个循环平均发电量相同，投资成本也相同。选用任一方案，投资成本均较更短周期的成本低。

2.3.2 燃料成本

由于两种平衡循环的单个循环发电量相同，其燃料成本的高低取决于循环所需的燃料换料费用的高低。表7是单次换料时，18个月循环换料费用和16/20个月双循环平均每次换料费用。

表7 18个月循环和16/20个月双循环单次换料费用(单堆)Table 7 Fuel cost for 18-month and 16/20-month balance cycling per reload(One Unit)

由表7可见，双循环平均单次换料费用高于18个月循环，约为后者的101.7%，差别很小。三个循环下，单位发电量的燃料成本如表8。

表8 18个月、16个月、20个月发电情况、换料费用及成本(单堆)Table 8 Revenue and cost for different balance cycling per reload(One Unit)

可见，低富集度的18个月、16个月方案，燃料成本低于20个月。为了验证这一点，计算满足规范要求的7 000 h内，不同方案的年燃料费，见表9。

表9 18个月、16个月、20个月年燃料费用计算(单堆，7 000小时/年)Table 9 Fuel cost for different balance cycling per year(One Unit，7 000 h/a)

采用高富集度的循环方案导致燃料单价上涨，而燃耗并未相应幅度的增大，相同发电量下的燃料消耗量并未降低，因此，燃耗较低的方案燃料费用反而较低。18个月方案优于复杂的16个月和20个月双循环方案。

2.3.3 运营维护成本

核电站成本的第三部分是运营维护成本，可分为可变成本及固定成本。由于两种平衡循环的单次循环平均循环长度相同，发电量相同，因此，长期来看，两种平衡循环的方案下，运营维护成本相同。

2.3.4 发电量

长期来看，两种平衡循环年均发电量相同，变更循环并不能达到增大发电量、增加售电收入的目的。如果能够达到稳定的20个月循环长度，其年均发电量能够略高于18个月方案。

2.4 小结

从前文分析可以发现，拥有较长循环长度的基本型方案经济性差于较短循环长度的先进型方案，后者通过复杂的“低泄漏”布置和较多富集度分区，在较低的富集度下实现了相对较长的循环长度，相比传统的三种富集度分区的布置，能够较大幅度的提高首循环的经济性，降低首炉燃料投资的10%。

与此同时，AP1000设计的两种平衡循环平均单次循环长度相同，采用任一种循环对于投资成本、运营维护成本基本没有影响。但采用18个月循环的方案，燃料成本略低。主要问题在于20个月循环时，高富集度布置并未实现高燃耗，但是两种方案的差别很小。

除此之外，各阶段单价水平对于燃料费用对比结果有直接关系。

3 敏感性分析

首循环和过渡循环的燃料费用对比结果与采用的各阶段单价有直接关系，分别测算天然铀、铀转化、分离功、组件制造单价各自变化±5%时，单位发电量燃料费用的对比情况，如图1。

图1 单位发电量首炉燃料费差额(基本型-先进型)Fig.1 Difference of IFC cost per kWh(base scheme-advanced scheme)

从燃料费差额可以发现，在各阶段单价均发生最不利影响因素大于40%时，才可能影响基本型和先进型装载方案的对比结果，导致单位发电量先进型装载方案燃料费用高于基本型。对燃料经济性影响较大的是天然铀价格和分离功价格，并且只有在燃料单价水平较低、分离功价格水平也较低时，高富集度方案才会逐渐体现优势，如果两个价格提高，高富集度方案的经济性将会降低，采用低富集度方案比较合理。

过渡循环燃料经济性随各阶段单价的变化特性与此相同。

4 结论

AP1000标准机型，设计了两种不同的首循环装载方案和两种不同的平衡循环燃料装载方案，不同方案的选取对于燃料经济性的作用，主要体现在首炉燃料费对建设投资高低的影响，以及换料时燃料费用对运营成本高低的影响。

在目前选取的各阶段单价下，基本型燃料管理方案首炉燃料费用高于先进型方案，影响单位千瓦投资200元/kW左右，对投资指标有一定影响。对于首循环，采用较低富集度和燃耗的方案成本低于较高富集度和燃耗的方案。

对于平衡循环，采用任一种循环对于投资成本、运营维护成本基本没有影响。但采用18个月循环的方案，燃料成本略低，但差别很小。

从敏感性分析可知，核燃料市场各阶段单价和高、低富集度装载方案的燃料经济性对比结果有直接关系，在天然铀单价和分离功单价水平较低的情况下，采用低富集度方案的经济型较好。当然，低富集度方案会导致燃料循环较短，增加换料时间，导致售电量的降低，降低经济性。但对于AP1000，两种平衡循环的选择和售电量无关，只决定于燃料单价，在目前的市场单价下，富集度相对较低的18个月换料有较好经济性。

[1] 王成孝. 核电站经济[M]. 北京:原子能出版社，1996.

[2] 孙汉虹等. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京:中国电力出版社，2010.

Economic Analysis of AP1000 Nuclear Fuel Management Design

ZHENG Bao-jun，FU Yi

(China Nuclear Power Engineering Corporation， Beijing 100840， China)

The Nuclear Power Plant’s economic efficiency will be significantly affected by the fuel management method adopted. For one NPP， performing comparative analysis among different design schemes will help fully understand the impact from this single factor. AP1000 has developed two types of initial cycle and two types of equilibrium cycle， as well as created several transition modes from differentiated initial cycle to equilibrium cycle. This report， focusing on the characteristics of each design scheme， is intended to conduct comparative economic analysis among different designs and to analyze the influence on economic results brought by different fuel cost related elements. The purpose of the report is to assist decision-makers with fuel scheme selection.

AP1000；Nuclear Fuel Management Design；Economic Analysis

2015-05-31

郑保军(1985—)，男，河北人，工程师，硕士，核电厂工程造价及经济分析

TL364

A

0258-0918(2016)04-0555-06