混合能源堆裂变包层核燃料成本分析

刘国明，邵 增

(中国核电工程有限公司堆工所，北京100840)

混合能源堆裂变包层核燃料成本分析

刘国明，邵 增

(中国核电工程有限公司堆工所，北京100840)

混合能源堆裂变包层燃料管理策略是：对乏燃料做后处理，得到的回收燃料作为下一循环的燃料，据此开展裂变包层的燃耗性能分析。在此基础上建立了针对混合能源堆的燃料循环成本分析模型：建立核燃料循环图，进行物料衡算，并分析燃料管理方案的单位发电量的燃料消耗量，根据市场价格，得到最终的核燃料成本。根据燃料循环成本分析结果，对影响较大的因素，如天然铀采购单价、乏燃料后处理单价、燃料制造单价等参数进行敏感性分析，得到燃料成本根据各价格参数变化规律。

混合能源堆；核燃料；成本分析

目前受控聚变能利用的研究进展迅速，国际热核聚变实验堆(简称ITER)已正式开始建造，我国是“ITER计划”的成员国之一，为促进我国聚变能利用的发展，专门成立“ITER中心”，开展“国家ITER计划”。然而各种研究和文献表明纯聚变能的利用还需很长时间，混合堆被认为是实现聚变能早日应用的有效途径[1,2]。混合能源堆是在传统混合堆研究基础上提出的，能源供应为主要目的，大幅提高铀资源利用率，采用简化后处理策略的能源系统[3-7]。混合能源堆的研究和发展可有效解决裂变核燃料资源不足的问题，同时为纯聚变堆的实现提供技术和工程经验，对核能利用的可持续发展具有深远意义。

混合能源堆经济性的优劣是一个复杂的课题。本文暂时搁置混合能源堆建造费用、运行费用、维护费用等，而从裂变包层的核燃料成本的角度对经济性展开分析。混合能源堆核燃料成本分析以混合能源堆的燃料管理方案为基础，建立核燃料循环方案，即每种燃料管理方案的核燃料经历的核燃料循环的环节，计算在核燃料循环的各环节的质量，即物质平衡计算，从而得到每种燃料管理方案核燃料资源的消耗。根据物质平衡计算和相关的价格，建立核燃料循环成本计算模型，计算得到每种燃料管理方案的核燃料成本，同时对影响成本的重要参数开展敏感性分析。

1 燃料管理方案介绍

1.1 混合能源堆简介

混合能源堆以ITER模型基础，在其基础上增加裂变包层，组成混合能源堆的堆芯。图1给出了混合能源堆环向截面图。

混合能源堆堆芯等效小半径为2.0m，等效大半径为6.2m。所考虑扇形角度为14.4°，极向组件17个，全堆组件总数目为425个，堆芯总表面积697.2m2，总铀装量625.26t。

燃料包层组件紧贴第一壁，每个燃料组件内，冷却剂通道均匀布置在燃料中，呈正三角形排列。冷却剂水与普通压水堆参数相同，压力15.5MPa，出入口温度也设计成与成熟压水堆堆芯相同。燃料与冷却剂之间用锆合金管隔开，每层燃料布置42(41)个栅格，总共6层。

产氚组件布置在燃料组件之后，共含7层产氚材料和6层慢化剂水。产氚材料与慢化剂之间用锆板隔开。堆芯下部还包括三个偏滤器组件。

图1 混合能源堆方案示意图Fig.1 configuration of Fusion-Fissionhybrid reactor for energy

保守假设混合能源堆燃料组件平均燃耗限值11000MWd/tU，或累计运行五年作为换料周期。

1.2 混合能源堆燃料管理方案设计

燃料管理分成两个部分：(1) 用新燃料组件更换乏燃料组件；(2) 在反应堆内部倒换各组件，展平堆芯内功率分布，保证堆芯的安全性。由于混合能源堆优良的增殖性能，乏燃料的反应性随燃耗的增加而增加，用新燃料组件更换乏燃料组件是为了保证燃料组件的燃耗不超限，确保燃料组件的安全性。混合能源堆中，周向的燃料组件由于对称，相对功率因子是一样的。极向17个组件的相对功率分布相差不大，对功率展平和燃料组件的卸料燃耗影响不大。因此在混合能源堆中，不考虑燃料包层中燃料组件的倒换。根据上述的燃料管理策略，采用5年为一个换料周期，根据后处理方式不同，可得到如下带后处理的燃料管理方案：

燃料管理方案1：对乏燃料采用湿法后处理，分离出U-Pu元素(U-Pu不分离)，除去高放废物(HLW)。用贫铀补足质量，与后处理分离出的U-Pu元素混合，重新做成燃料入堆。循环1～循环10的核素变化见表1。

表1 燃料管理方案1主要核素变化 (t)Table 1 Main Isotopes variety of fuel cycle schemes 1

燃料管理方案2：本文的混合能源堆可装载带裂变产物和超铀元素的燃料，乏燃料不需分离出U-Pu元素，因此对乏燃料可采用简化的高温干法后处理，去除乏燃料中沸点在2500℃以下的裂变产物，用贫铀补足重量，重新制成燃料入堆。循环1～循环10的核素变化见表2。

表2 燃料管理方案2主要核素变化 (t)Table 2 Main Isotopes variety of fuel cycle schemes 2

燃料管理方案3：由于乏不需要分离出U-Pu元素，对乏燃料采用更加简化的低温干法后处理，只去除乏燃料中的裂变气体，用贫铀补足重量，制成燃料入堆。循环1～循环10的核素变化见表3。

表3 燃料管理方案3主要核素变化 (t)Table 3 Main Isotopes variety of fuel cycle schemes 3

2 物质平衡计算及分析

图2以方案1进行三轮燃料循环为例，给出了燃料循环物质平衡计算的示意图，方案2、3的物质平衡计算类似。为了便于比较，本文给出大型压水堆核电站的物质平衡计算和燃料成本分析以供比较。表4比较了各燃料循环方案，产生1TWh电量时对天然铀的需求量、需地质处置的高放废物与乏燃料产生量。混合能源堆的各个燃料管理方案比压水堆UOX一次通过循环方案都可以大幅的节省天然铀，这是因为混合能源堆是一个具有高增殖比的堆芯，除了首循环装载天然铀外，后续各个循环都可使用贫铀替代天然铀。带后处理的燃料管理方案1、2、3经过三轮燃料循环，可节省85%以上的天然铀，循环轮数增多，节省的天然铀会更多。此外，从表可知，后处理燃料循环方案可明显减少需最终处置的高放废物及乏燃料重金属的质量。

表4 各燃料循环方案燃料资源使用及废物产生量的比较

*方案1、2、3都为三轮燃料循环

3 核燃料循环分析模型

为了对不同燃料循环方案的经济性进行比较，需要采用合理、统一的燃料循环成本分析模型。在美国麻省理工大学开发的“核燃料循环经济性分析模型”[4]的基础上，研究建立了适用于混合能源堆核燃料循环的燃料循环成本分析模型。图3给出了燃料循环各环节示意图。燃料循环前端主要包括天然铀购买，铀转换，铀浓缩，燃料组件制造等。燃料循环后端分为直接处置和后处理两种选项。对于给定的燃料循环环节，其费用为该环节的单价与相应的燃料重金属质量或分离功的乘积。各方案的燃料循环成本(FCOE)等于各类燃料的燃料循环费用之和除以总的发电量。

对于不需后处理的一次通过燃料循环模式，写成表达式形式即：

式中各变量：Ct表示时间t∈[A,B]发生的实际成本，Qt表示时间t∈[A,B]的发电量，R表示与时间相关的复合贴现率。该成本包括从铀购买、燃料制造、铀浓缩以及到最终乏燃料处置的所有成本。

对于需要后处理的二次及多次燃料循环模式，写成表达式形式即：

FCOE=

图2 方案1三轮循环物质守恒示意图Fig.2 Tri-recycling for main isotopic for schemes 1

图3 混合能源堆核燃料循环各环节示意图Fig.3 Main steps of nuclear fuel cycle

4 核燃料成本分析

4.1 经济与技术参数假设

进行核燃料成本分析，核燃料循环的价格是重要计算参数，它对计算结果有很大的影响，通过大量调研，摘取了本工作中所需用到的数据列在表5中。其中由于干法后处理工艺比湿法大幅简化，因此可合理的认为其价格比湿法后处理更低。

表5 核燃料循环各环节价格参数[5]Table 5 Unit price of various steps in fuel cycle

4.2 名义核燃料循环成本

由前可知，燃料循环的环节主要包括：天然铀购买、化学转化、燃料组件制造、堆内装载、冷却贮存、燃料后处理、HLW地质处置、贫铀购买、MOX燃料组件制造等。物质平衡计算给出了每个燃料管理方案在各个环节的质量，表5给出了各个环节的价格，根据核燃料循环分析模型，即可计算得到每个核燃料循环的成本。

表6给出了混合能源堆各个燃料管理方案名义核燃料循环成本。从单位发电核燃料成本看，除了湿法后处理方案1外，其他2个后处理方案，由于后处理工艺简化，价格下降，显示出较好的经济性，最好的是低温干法后处理方案3。

表6 各方案核燃料循环环节成本 (mills/kwh)Table 6 Fuel cost of every fuel cycle scheme

从核资源使用的角度，后处理方案1是更好的方案，因为使用的新燃料都为贫铀，是PWR电厂富集时的剩料，属于“废物利用”，而且乏燃料可以进行后处理循环利用，大大提高核资源利用率。从经济性角度看，低温干法后处理方案3是经济性最好的燃料管理方案。鉴于以上分析，混合能源堆的推荐方案为低温干法后处理燃料管理方案3。

4.3 敏感性分析

通过名义燃料循环成本分析发现，对各种燃料循环方案，燃料制造、乏燃料后处理、燃料的卸料燃耗影响都比较明显，本节对这些参数进行敏感性分析。为此定义弹性系数分析FCOE的敏感性。弹性系数εy,x定义为：一个经济变量对另一个经济变量变化的反应程度。其经济意义为：当自变量x=x0，x变化1%时，因变量FCOE变化的百分数。弹性系数越大，表示因变量受自变量变化的影响越大。

4.3.1 燃料制造价格的敏感性分析

燃料制造价格的弹性系数如图4所示，燃料制造在名义价格周围变化时，各个燃料管理方案的燃料制造价格弹性系数比较图。从图中可以看出，除了PWR，混合能源堆的燃料管理方案，燃料制造弹性系数都比较大。因此混合能源堆的燃料管理方案在燃料制造价格变化时，必须加以考虑。

图4 各燃料循环燃料制造价格弹性系数比较Fig.4 Flexibility coefficient of assembly manufacture

4.3.2 乏燃料后处理价格的敏感性分析

图5给出了各方案的乏燃料后处理弹性系数比较。由图可知，乏燃料后处理价格在名义值左右变化时，湿法后处理的方案1较干法后处理的方案2、3的FCOE变化明显。反映在弹性系数上，方案1的弹性系数明显高。整体来看，乏燃料后处理价格对混合能源堆各方案的FCOE影响较大。

图5 乏燃料后处理价格弹性系数比较Fig.5 Flexibility coefficient of fuel reprocessing

4.3.3 燃料卸料燃耗的敏感性分析

核燃料卸料燃耗越深，单位质量燃料放出能量越高，经济性越好。PWR卸料燃耗大概45MWd/kgU左右，本文的混合能源堆平均燃耗9MWd/kgU左右，仅为PWR的1/5。这是因为基于ITER模型进行设计的燃料包层，铀装量很高，堆芯额定功率运行5年的核燃料燃耗较低。随着设计方案的改进，卸料燃耗势必增加，有必要对燃料燃耗对经济性影响的敏感性分析。图6给出卸料燃耗的弹性系数比较，可知混合能源堆的弹性系数比压水堆的弹性系数大。假设混合能源堆卸料燃耗由9MWd/kgU增加到15MWd/kgHM，各个燃料循环的燃料成本见图7，混合能源堆的经济性得到大幅度的改善。

图6 各燃料循环卸料燃耗的弹性系数比较Fig.6 Flexibility coefficient of fuel burn-up

图7 燃耗限值为15MWd/kgHM各燃料循环成本比较Fig.7 Fuel cost of schemes with 15MWd/kgHM burn-up

5 总结

本文对混合能源堆建立了三种燃料管理方案，基于三种燃料管理方案，开展了燃料循环成本分析研究。根据混合能源堆的燃料管理方案，建立核燃料循环各个环节的物质平衡计算，并进行了核燃料循环成本分析，结论如下：

(1) 通过比较混合能源堆各燃料管理方案在核资源利用方面的特点，表明带后处理的燃料管理方案具有很大的优势：既大幅节约核燃料资源，又能大幅减少产生的核废物。

(2) 鉴于本文混合能源堆特点，可采用简化干法后处理，在干法后处理价格大幅低于湿法的前提下，低温干法后处理燃料管理方案3的核燃料成本是最少的，并将此方案作为混合能源堆的推荐方案。

(3) 对影响核燃料成本大的参数进行了敏感性分析，表明提高核燃料的平均卸料燃耗可有效降低混合能源堆核燃料成本。从结果可以看出，混合能源堆资源利用上有很大优势，在燃料经济性上具有很好的发展前景。

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Fuel Cost Analysis for Fission Layer of Fusion-Fission Hybrid Reactor for Energy

LIU Guo-ming, SHAO Zeng

(China Nuclear Power Engineering Co. Ltd., Beijing 100840, China)

The fuel management strategy adopted by fusion-fission hybrid reactor for energy is: reprocessing the spent fuel, and recycling the fuel for the next core loading. The fuel radiation attributes of fission layer is investigated, based which the fuel cost analysis model is established. The main steps of fuel cost analysis model are: fuel recycling map drawing, fuel balance computation, fuel consuming for unit electricity power calculation, and finally fuel cost analysis. The sensitive analysis for the price of natural uranium, spent fuel reprocessing and fuel assembly manufacturing is presented. The results show that the fuel cost of hybrid reactor is lower.

Fusion-Fission hybrid reactor for energy; Fuel; Cost analysis

2016-11-20

刘国明(1982—)，男，浙江东阳人，博士，现从事核反应物理，核燃料循环方向研究

A

0258-0918(2017)01-0154-06