丁曉明

（中國核科技信息與經濟研究院，北京??100048）

從不同燃料循環(huán)模式分析快堆燃料循環(huán)的經濟性

丁曉明

（中國核科技信息與經濟研究院，北京??100048）

由于技術經濟數(shù)據(jù)獲取的局限及缺乏有效驗證，國內對有關快堆燃料循環(huán)的經濟性缺乏深入研究。文章介紹了美國麻省理工學院（MIT）對包括快堆燃料循環(huán)在內的3種不同燃料循環(huán)模式下，平準化發(fā)電成本的測算結果和對比分析。運用MIT評價方法及提供的假設參數(shù)，就比投資，貼現(xiàn)率及鈾價格變化對三種燃料循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本的影響，進行了敏感性分析。最后，針對我國快堆燃料循環(huán)經濟性研究提出了建議。

燃料循環(huán)；快堆；經濟性

核能發(fā)電技術較為成熟的國家都在努力尋求建造永久性的處置場所，以解決核電廠產生的高放廢物問題。但由于放射性廢物最終處置對人類環(huán)境存在長期的潛在風險，許多國家計劃實施的過程似乎都不順利，主要是受到公眾的反對?？於鸭夹g的出現(xiàn)為破解這一難題提供了一條解決途徑。由于快堆循環(huán)模式不但能提高鈾資源的利用率，而且能減少高放廢物體積，減輕地質處置負擔，降低乏燃料長期毒性風險。

然而只有快堆循環(huán)模式在經濟性上能夠與常規(guī)能源競爭，其技術才能真正進入市場，形成生產力。可見經濟性是決定快堆循環(huán)模式發(fā)展的關鍵因素之一。

由于技術經濟數(shù)據(jù)獲取有局限及缺乏有效驗證，國內在有關快堆循環(huán)模式經濟性方面，鮮有較為完整的論述性文章發(fā)表。2011年，美國麻省理工學院（MIT）出版了名為《核燃料循環(huán)的未來》的研究報告，該報告系統(tǒng)全面地論述了快堆燃料循環(huán)的經濟性，對研究我國快堆循環(huán)的經濟性具有較高的參考價值。

1 現(xiàn)階段對快堆燃料循環(huán)經濟性分析的局限性

僅就快堆單體研究其經濟性是不全面的，必須將之放在包括快堆元件制造、后處理的整個燃料循環(huán)中綜合考慮。目前，業(yè)界對燃料循環(huán)的研究一般分為3種方式，即：

一次通過式循環(huán)——乏燃料組件不考慮后處理而直接儲存起來的開環(huán)核燃料循環(huán)方式。

二次通過式循環(huán)——乏燃料經后處理回收剩余的鈾和經轉換生成的钚同位素，之后钚同位素加入濃縮工藝尾料“貧鈾”制成鈾钚混合氧化物（MOX）燃料后，重新入堆復用，而剩余的錒元素和裂變產物作為高放廢物處理（玻璃固化）或暫存（高放廢液罐）的有限閉環(huán)核燃料循環(huán)方式。

快堆再循環(huán)——提取乏燃料中所有的長壽期核素進入快堆“嬗變”，直至“銷毀”的完全閉環(huán)核燃料循環(huán)方式。

迄今為止，還沒有“完全”閉環(huán)循環(huán)的國際范例，包括我國在內的一些國家僅僅是在閉環(huán)方面采取了零星步驟。所以，現(xiàn)階段對快堆燃料循環(huán)進行經濟分析也僅僅是建立在探討和情景假設的基礎上。

目前，對快堆再循環(huán)經濟性分析的局限性主要表現(xiàn)在以下兩方面。

1.1 不確定性

首先，每個循環(huán)的高放廢物處置成本存在不確定性。雖然一次通過式循環(huán)似乎是一種成熟技術，但仍然無法確定其廢物處置的實際成本。美國尤卡山處置庫項目因政治分歧而一再推遲，雖然其已經發(fā)生的成本對估算仍然有用，但就整個項目而言，由于缺乏實際運行的數(shù)據(jù)，所以不能成為真正意義上的參考樣板。另外，一些正在從事后處理以及MOX燃料制造的國家，并不打算直接對MOX乏燃料進行地質深埋處置，同時也沒有找出任何有效的替代方案，所以，對MOX乏燃料處置成本的預測也缺乏可供參考的實際經驗。

MIT報告中對廢物地質處置成本的估算也是基于不進行乏燃料后處理的美國相關標準推測出的。而一旦真正開展后處理業(yè)務，實際成本可能會與按監(jiān)管要求核定出的廢物處置成本存在較大差異。

第二，乏燃料后處理成本以及再循環(huán)燃料制造成本方面存在較大的不確定性。雖然英、法兩國已經擁有商業(yè)化的后處理廠，以及MOX燃料制造廠，日本的六所村商用后處理項目也在建設中，但要進行可靠的成本估算，僅這3個樣本是遠遠不夠的。而且這些后處理廠一般是由受到政府資助的公司建設，可供參考的公開數(shù)據(jù)極少。日本六所村后處理廠項目目前的建設成本也已達到先期估算的3倍。因此，不能忽視這種看似成熟技術所伴隨的不確定性。對于像目前正在開發(fā)的快堆燃料后處理技術，由于缺乏商業(yè)運行經驗，其成本估算所面臨的不確定性會非常大。

第三，快堆的建設及運行成本方面存在很大的不確定性。由于目前所有已經建成的快堆都為試驗堆或示范堆，只有少數(shù)快堆并網(wǎng)發(fā)電，從這些快堆項目所能獲取的數(shù)據(jù)非常有限，對于未來商用快堆成本估算的參考作用不大。

1.2 投資成本

投資成本（或貼現(xiàn)率）是研究各種燃料循環(huán)替代方案中成本計算的重要且敏感因素。針對反應堆、后處理廠及處置設施的大規(guī)模資本性投入，其回報需要通過多年發(fā)電所帶來的收益來實現(xiàn)。投入的資本成本越高，要求的回報也就越高。

雖然一些國家的后處理或快堆的投資成本較低，那是因為：①其所有權歸國家所有（屬國有企業(yè)，例如我國），這些設施在其建設或運營過程中可以享受到私企無法取得的減免稅優(yōu)惠政策；②國有企業(yè)的抗風險能力較強；③市場管制環(huán)境下經營的企業(yè)較非管制環(huán)境下經營的企業(yè)所面臨的風險要小得多。這些因素導致用于補償其他機會成本所需要的投資回報，及補償風險所需要的投資回報會下降，必然造成國有企業(yè)投資成本相對較低。

2 MIT基本方案測算結果介紹

對于任何一個行業(yè)，各種替代技術方案比較都必須采用相同的評價標準。平準化發(fā)電成本方法是國際上通用的，用于比較各種基荷發(fā)電技術替代方案的評價手段。其考慮了投資方回報，但一般不包括稅收（稅收與國家、地區(qū)、行業(yè)政策相關），可以理解為含利成本，而非我們所說的上網(wǎng)電價。

MIT的《核燃料循環(huán)的未來》研究報告給出的案例研究背景，考慮的是在完全市場經濟體制下的競爭性電力市場環(huán)境，其研究的發(fā)電成本正是以平準化發(fā)電成本來衡量的。平準化發(fā)電成本需要考慮在某一確定的燃料循環(huán)方案下所將發(fā)生的全部成本，并將其分攤到該循環(huán)服役期內所產生的發(fā)電量上。

MIT研究報告就前述3種燃料循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本分別進行了測算。表1給出了測算所用的主要輸入?yún)?shù)的假設值（而對3種燃料循環(huán)模式分別進行測算所需的技術經濟參數(shù)，文章不再列出）。

2.1 一次通過循環(huán)模式（見表2）

表2列出了一次通過循環(huán)模式平準化發(fā)電成本構成。一次通過循環(huán)模式總的平準化發(fā)電成本為83.81美厘/千瓦時，其中，燃料循環(huán)前段成本為7.11美厘/千瓦時，占總成本的8%；天然鈾成本僅為2.76美厘/千瓦時，占總成本的3%。可以看出：①天然鈾采購價格的變化對總成本影響較??；②在鈾價格一定的條件下，天然鈾節(jié)省的成本對總成本幾乎沒有影響。另外，反應堆投資成本為67.68美厘/千瓦時，占總成本的81%，因其涵蓋了建造成本、運行期間固定資產投資成本以及反應堆退役成本，比重較高（注：與我國核電投資成本的構成有所不同）；與燃料無關的運行維護成本為7.72美厘/千瓦時，占總成本的9%；燃料循環(huán)后段成本為1.30美厘/千瓦時，占總成本的2%。

表1 基本輸入?yún)?shù)假設Table1 Hypothesis of basic input parameters

2.2 二次通過循環(huán)模式

表3列出了二次通過循環(huán)模式平準化發(fā)電成本構成。其中，[1]～[11]是以UOX燃料形式初次通過反應堆的平準化發(fā)電成本，[12]～[19]是以MOX燃料形式二次通過反應堆的平準化發(fā)電成本。

表2 一次通過循環(huán)模式平準化發(fā)電成本Table2 LCOE of once-through fuel cycle mode

表3 二次通過循環(huán)模式平準化發(fā)電成本Table3 LCOE of twice-through fuel cycle mode

對于初次通過焚燒UOX燃料的反應堆來講，前段燃料成本、堆投資成本及運行維護成本，是與之前介紹的一次通過循環(huán)模式的[1]～[5]是相同的。由于要對乏燃料進行后處理，使得兩者的后段燃料成本有所不同。后段燃料循環(huán)成本包括：UOX乏燃料后處理成本[6]、高放廢物的處置成本[7]、回收鈾成本[8]（由于可用于制造UOX燃料，其回收價值可抵扣部分后段成本）、回收钚成本[9]（可用于制造二次通過式循環(huán)MOX燃料），燃料循環(huán)后段總成本[10]為2.87美厘/千瓦時，大大高于一次通過循環(huán)模式，這也是導致二次通過循環(huán)模式中，初次通過反應堆的總平準化發(fā)電成本（85.38美厘/千瓦時）高于一次通過循環(huán)模式的原因。

對于第二次通過焚燒MOX燃料的反應堆來講，前段燃料成本由貧鈾采購[12]、分離钚產生的抵扣收益[13]及制造MOX燃料成本[14]三部分構成。第二次通過式燃料循環(huán)前段總成本[15]（3.02美厘/千瓦時）遠低于初次通過的相應成本（7.11美厘/千瓦時），這是因為在二次通過式反應堆的業(yè)主需要支付分離钚的費用，從而抵扣了制造MOX燃料的大部分成本，抵扣收益相當于[13]給出的值（4.39美厘/千瓦時）。另外，無論采用UOX燃料還是MOX燃料，反應堆投資成本[16]和運行成本[17]都是一樣的。

使用MOX燃料的反應堆，其燃料循環(huán)后段成本[18]為6.96美厘/千瓦時，其中包括了MOX乏燃料的中間貯存成本以及在地質深埋處置庫內的最終處置成本。其值遠高于UOX乏燃料直接處置的成本（可與表2中[6]對比）。

目前，雖然已有國家能夠利用再循環(huán)回收钚，來制造MOX燃料，但還沒有使用地質處置庫對MOX乏燃料進行處置的先例。為有效開展平準化發(fā)電成本測算，需確定某種最終處置方案，可選擇：①在地質處置庫中進行最終處置；②進一步進行再循環(huán)；③最終處置方式尚不確定，將視未來具體情況而定。表3中給出的二次通過循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本是針對方案①的，在后述的表4中給出的快堆循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本相關分析是針對方案②和方案③的。如果在快堆內進行進一步的再循環(huán)，將UOX乏燃料直接用作快堆燃料，成本會更低，因為跳過了MOX燃料制造這一步。雖然測算結果均采用了同樣的假設條件，但實際情況可能會有較大出入。

2.3 快堆再循環(huán)模式（見表4）

表4列出了轉換比（CR）為1的快堆再循環(huán)模式平準化發(fā)電成本構成，并給出了兩個堆的平準化發(fā)電成本。第一個是使用原料鈾生產的UOX燃料的熱堆，[1]～[11]具體介紹了其平準化發(fā)電成本構成。第二個是快堆，使用的是通過UOX乏燃料分離出的超鈾元素制造的燃料，[12]～[23]具體給出了其平準化發(fā)電成本構成。

再次強調一下，對于使用新UOX燃料的熱堆而言，其前段燃料成本、堆投資成本及運行維護成本（見表4中[1]～[5]）與“一次通過循環(huán)模式”相同。后段燃料循環(huán)成本包括后處理成本、高放廢物處置成本、回收鈾的成本抵扣、超鈾元素回收成本（見表4中[6]～[10]）。該反應堆總的平準化發(fā)電成本為86.57美厘/千瓦時。

快堆燃料循環(huán)前段成本[15]為負值（-15.66美厘/千瓦時），是因為用回收的超鈾元素制成燃料可以獲得高額的成本抵扣收益[13]（-19.72美厘/千瓦時）。貧鈾采購成本[12]只有0.02美厘/千瓦時，燃料生產成本[14]為4.05美厘/千瓦時。與熱堆相比，快堆的投資成本和運營成本要高出20%。在燃料循環(huán)后段環(huán)節(jié)，快堆乏燃料經再次后處理，提取出鈾和超鈾元素的混合物，并分離出由裂變產物組成的高放廢物，該分離成本[18]為2.66美厘/千瓦時。高放廢物的處置成本[19]為0.34美厘/千瓦時，鈾的成本抵扣[20]為0.01美厘/千瓦時，超鈾元素的回收成本[21]為8.75美厘/千瓦時。所以，總的燃料后段成本[22]為11.74美厘/千瓦時，快堆最終平準化發(fā)電成本為86.57美厘/千瓦時。

2.4 3種循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本比較

從上述3種燃料循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本比較中，可得出一個重要結論：三者間的成本差異比起發(fā)電總成本而言是很小的?？於蜒h(huán)成本是3個循環(huán)中最高的，比成本最低的一次通過式循環(huán)高出2.76美厘/千瓦時，成本增加3%左右，從圖1、圖2中可看出這種細微的差別（圖1中最右列的快堆燃料循環(huán)成本正負相抵后，其凈值與左側相鄰列相同）。

由于燃料循環(huán)成本占發(fā)電總成本的比重較少，因此各個燃料循環(huán)成本變化量就顯得非常小。但如果與一次通過式燃料循環(huán)前后段總成本相比，其成本增幅可達33%；與一次通過式燃料后段的成本相比，成本增幅可達212%。

圖1 3種燃料循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本構成（按各反應堆分別列出）Fig.1 Composition of LCOE under three fuel cycle modes (as per reactor)

圖2 3種燃料循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本構成（按各循環(huán)模式分別列出）Fig.2 Composition of LCOE under three fuel cycle modes (as per fuel cycle)

通過對比表2、表3可以發(fā)現(xiàn)后處理成本的重要。在一次通過式循環(huán)中，UOX乏燃料的處置成本為1.30美厘/千瓦時，而如果燃料經過再循環(huán)，其后處理成本就達到2.36美厘/千瓦時，且不包含分離出的高放廢物的處置成本及提取鈾和钚的種成本差距是很難通過節(jié)省第二個反應堆所需的原料鈾來彌補的——生產新UOX燃料的鈾成本為2.76美厘/千瓦時。此外，制造MOX燃料的成本遠遠大于制造全新UOX燃料的成本。再者，?MOX乏燃料處置成本更高，這些因素導致二次通過式循環(huán)的成本高于一次通過式循環(huán)成本。

對于快堆循環(huán)模式，表4中的數(shù)據(jù)提供了類似的結論：比起節(jié)省天然鈾的效果，后處理和廢物處置的成本是相當高的。快堆循環(huán)中之所以沒有像表3給出的二次通過式循環(huán)中的二次通過反應堆的高額的處置費用，是因為在快堆循環(huán)中，超鈾元素繼續(xù)被再循環(huán)利用，而二次通過式循環(huán)中MOX乏燃料被送去處置了。不過這種再循環(huán)只是推遲了對超鈾元素管理所應支付的費用，對于未來的超鈾元素管理費用可通過評估最終卸出并待處置的超鈾元素所需的費用來確定。

與一次通過式循環(huán)相比，快堆循環(huán)中還有另外一個起作用的因素，即快堆的投資成本和運維成本大大高于熱堆的投資成本和運維成本——總共高出15.08美厘/千瓦時，而這一差額是很難靠節(jié)省天然鈾來彌補的。

另外，在快堆循環(huán)模式中，不同的CR取值，對平準化發(fā)電成本也有一定影響。CR小于1時，快堆作為“焚燒”堆平準化發(fā)電成本相對較低；CR大于1時，快堆作為“增殖”堆平準化發(fā)電成本相對較高。這是由于隨著CR的提高，快堆燃料后段成本加大，抑制了回收超鈾元素形成的成本抵扣作用。

3 對MIT基本方案的敏感性分析

文章運用MIT評價方法及提供的參數(shù)，針對MIT基本方案進行了敏感性分析。

3.1 比投資變動的敏感性

在3種循環(huán)模式中，由于投資成本在成本結構中的占比較高，所以對成本的影響最為顯著，表5顯示，如果基礎價比投資降到2?000美元/千瓦（快堆另需增加20%，下同），平準化發(fā)電成本均在50美厘/千瓦時左右；但比投資一旦升高到6?000美元/千瓦，平準化發(fā)電成本將攀升到120美厘/千瓦時左右。從圖3可以清晰地看出，3種循環(huán)模式的比投資變化率與成本變化率幾乎都呈同比變化。

圖3 基礎價比投資變動的敏感性Fig.3 Sensitiveness of basic price variation

3.2 貼現(xiàn)率變動的敏感性

圖4 貼現(xiàn)率變動的敏感性Fig.4 Sensitiveness of discount rate variation

貼現(xiàn)率反映是資金成本。從表6和圖4可以看出，平準化發(fā)電成本對貼現(xiàn)率的變化也高度敏感，并與比投資的敏感性基本相似。貼現(xiàn)率越高，需要支付給投資者作為投資報酬的資金收益率越高，平準化發(fā)電成本也隨之增高。所以，貼現(xiàn)率的變動對3種循環(huán)模式的經濟性都會造成影響。

另外，在快堆再循環(huán)模式中，貼現(xiàn)率變動對不同堆型投資成本的影響也有所不同（見圖5）。隨著貼現(xiàn)率由低走高，投資成本較高的快堆與熱堆間的差距會明顯拉大。

3.3 天然鈾價格變動的敏感性

如圖6所示，當天然鈾價格大幅度變化（變化幅度從－25%～150%）時，3種循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本變化卻非常平緩，且三者間的價差也幾乎不變。據(jù)測，在其他參數(shù)不變的情況下，只有當天然鈾價格達到$620/kgHM時，才會使3種平準化發(fā)電成本相等。所以，鈾價格還不能成為選擇循環(huán)模式的主要因素。

表5 不同比投資的平準化發(fā)電成本（美厘/千瓦時）Table5 LCOE for different overnight costs

表6 不同貼現(xiàn)率的平準化發(fā)電成本（美厘/千瓦時）Table 6 LCOE of different discount rates

圖5 貼現(xiàn)率變動對不同堆型投資成本的影響Fig.5 The impact of discount rate variation on the cost of different reactor types

圖6 天然鈾價格變動的敏感性Fig.6 Sensitiveness to the change of natural uranium price

4 結論與建議

1)?3種循環(huán)模式下總的平準化發(fā)電成本并無明顯差異，相對而言，雖然快堆循環(huán)模式的平準化發(fā)電成本及后處理成本略高，但其鈾钚回收價值高于后處理成本，抵扣作用明顯。

2)?由于缺乏可供參考的經驗數(shù)據(jù)，文中對快堆后處理取費較高，也影響到快堆的經濟性。如果未來快堆循環(huán)實現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?；\作，其經濟性可顯著提高，所以具有潛在的市場競爭力。

3)?由于平準化發(fā)電成本對天然鈾購置價格的變動不敏感，所以發(fā)展快堆的真正意義應側重在對乏燃料的充分再利用、減少核燃料循環(huán)中產生的核廢物處置量、防止核擴散等方面。

4）后處理技術與快堆技術結合，是推進我國核能發(fā)展“熱堆（壓水堆）—快堆—聚變堆”三步走發(fā)展戰(zhàn)略第二步的關鍵。我國建成的第一個快堆，尚處于實驗階段（目前各國的快堆正處于示范堆階段，無法投入成熟的商業(yè)運行），后處理技術（尚不包括快堆乏燃料后處理技術）也只是在關鍵技術方面有所突破。要實現(xiàn)市場化運作，目前這兩種技術都不成熟。所以，考慮到技術進步及各種不確定因素，借鑒國外經驗，繼續(xù)開展多種方式的研究開發(fā)，尤其是重視對技術、經濟數(shù)據(jù)的收集與篩選，燃料循環(huán)評價模型的構建，為后續(xù)開展項目評估、方案比較等工作提供分析手段和參考依據(jù)，是十分必要的。

5）考慮到能源需求及溫室效應問題，目前，國際社會更傾向于對改進型核能的依賴?；诖耍七M我國核燃料循環(huán)技術的不斷創(chuàng)新（包括管理體系及人才培養(yǎng)），應該成為國家核能戰(zhàn)略的一個長久計劃，并扎實推進。

[1]?尤卡山高放廢物處置計劃的失敗與藍帶委員會的報告[J].?國外核動力，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

丁曉明（1961—），女，北京人，研究員級高級工程師，長期從事核工業(yè)軟科學研究工作。