核燃料循环成本与核电的竞争力

2010-05-23刘传德

中国核电 2010年3期

关键词：燃耗核燃料后处理

季彪，刘传德

(秦山核电有限公司，浙江海盐 314300)

2003年，国际市场天然铀（U3O8）价格曾为7美元/磅，2004年上涨至20美元/磅，到2006年则涨到40～70美元/磅，2007年6月份曾高达136美元/磅；价格到达高点后又快速下滑，目前在50美元/磅左右徘徊。其变化情况见图1。

面对核燃料价格总体迅速的上涨趋势，及其短期过山车式的振荡，我国核电的竞争力怎样才能不受大的影响？核电怎样保持成本的相对稳定性？这是我们核电业界不能回避的问题。

1 中国核电竞争力概述

近几年，我国电力建设保持高速增长，每年全国电力装机容量都上一个新台阶，截至2009年底，全国发电装机容量达到87 407万千瓦，同比增长10.23%。其中，水电19 679万千瓦，约占总容量23%；火电65 205万千瓦，约占75%；核电908万千瓦，只占1%。具体指标如表1所示。

表1 2009年中国电力基本情况简表Table 1 Outline of electric power in China in 2009

我国核电占总发电量比值与发达国家相差甚远，随着核能利用技术的不断成熟以及核能知识的普及，核能迎来新的发展机遇。我国已确立了“积极发展核电”的方针，核电发展潜力巨大。核电的发展是以其竞争力为基础的，竞争力越强，发展势头也就越好。

体现一种商品竞争力的因素主要有三个方面，即品牌、质量、价格。现逐一进行分析：

（1）品牌。核电由于其技术含量高，安全、清洁，在人们心目中印象较好，但由于三哩岛和切尔诺贝利核事故的负面影响，公众对核的恐惧挥之不去，使核电的品牌受损。核电和其他电力的安全性对比类似于飞机和汽车的对比，飞机的安全性应该说远高于汽车，但人们对飞机的担心却高于汽车。所以要加大核电的宣传力度，树立核电在公众心目中的形象。随着20多年来核电安全稳定运行业绩的影响，核电在公众中的形象逐渐恢复。当然，核电的品牌需要靠我们每一个核电站来共同维护。

（2）质量。核电的优势在于可以保持长期稳定运行，但核电调峰能力差，难以频繁调节功率水平，所以在市场缺电的情况下，核电的质量优于火电和水电，市场电力过剩的情况下，核电的调峰能力就不如火电和水电。从表1可以清楚地看出这种情况，核电的发电利用小时数远远高于其他电力（也有因煤、电价格之争而影响火电利用小时的情况），在近几年缺电的环境下，核电对我国经济发展作出了巨大的贡献。

（3）价格。电力是一种通用商品，广大群众都要用，对价格涨落非常敏感，而价格的竞争力是以低成本的优势为基础的，所以成本可以说对竞争力起到重要抑或决定性的作用。

2 核燃料循环成本简介

2.1 核燃料循环概念

核电站核反应堆燃料不是一次耗尽的，必须定期地将它从堆内卸出、处理（称为后处理）、再富集、再制成燃料元件、装入堆内循环使用。当核电站发电到一定时间，由于燃料的消耗，以及运行期间产生并积累起来的裂变产物的毒化效应，使后备反应性接近消失时，虽然燃料元件中尚含有相当数量的裂变燃料，也得把它从堆内卸出，换入新燃料。卸出的燃料元件称为乏燃料，其中含有大量的易裂变核素和可转换核素，如铀-235和钚-239，包括原先装入未燃耗的和运行周期中在堆内转换生成的，均属价值贵重的能量资源。需要经过后处理，将裂变产物分离出去，并回收这些易裂变核素和可转换核素，重新制成可用的燃料元件返回反应堆中复用，以构成燃料循环。核燃料循环的全过程包括以下步骤：

（1）铀矿地质勘探；

（2）铀矿石开采；

（3）铀的提取和精制；

（4）铀的化学转化；

（5）铀-235的富集(铀同位素分离)；

（6）燃料元件制造；

——以上称为燃料循环前段

（7）堆内使用（燃耗）；

（8）乏燃料中间贮存；

——以下称为燃料循环后段

（9）乏燃料运输；

（10）乏燃料后处理；

（11）放射性废物的处理和最终处置。

其中，乏燃料后处理工厂是回收铀、钚资源必不可少的环节。

2.2 核燃料铀钚循环的三种不同方式

（1）一次通过方式。美国出于防止核武器扩散的考虑，首先提出核燃料循环的一次通过方式，这种不闭合的循环其实不成为循环，它仅利用0.5%的铀资源，把乏燃料中尚存的铀-235、钚-239和铀-238等统统废弃不用，付诸永久埋存。

（2）铀复用方式。

（3）铀钚复用方式。

后两者皆需要对乏燃料进行后处理，它们属封闭的燃料循环，如图2。

三种循环方式比较：以低富集铀轻水堆而言，乏燃料中尚含有约0.8%的235U，其丰度高于天然铀，如果经后处理加以回收，在反应堆中复用，可节省天然铀15%～20%。如果再将乏燃料中的钚回收复用，一次循环即可节省天然铀35%～40%，即把铀资源的利用率从不到0.6%提高到0.8%以上，多次循环复用还会有所增益，但由于轻水堆中的燃料转换比C远小于1，铀资源利用率的增长趋缓，大概总共不会超过1%。天然铀重水堆的燃料转换比C较高，在重水堆中复用钚(重水堆乏燃料中的铀丰度很低，已不值得复用)可把铀资源利用率提高到1%～2%。而最初采用闭合燃料循环的意图是在快中子增殖堆中复用钚，目前来看快堆可以使核燃料的利用率最大化。

2.3 核燃料循环成本

核燃料循环成本可以分解为三个方面：

（1）核燃料循环前段成本。包括铀矿地质勘探成本、铀矿开采和选矿成本、铀矿石加工成本、铀提取和精制成本、浓缩铀生产成本、燃料元件制造成本等，这里只简单介绍一下浓缩铀生产成本。天然铀（100%纯度）中含235U大约0.71%，生产1 t浓缩度为3%的低浓缩铀，大约需要5.5t天然铀原料。浓缩过程中剩下4.5 t贫化铀，其235U丰度下降到0.2%左右，一般无工业应用价值，作为尾料排出储存。把一定量的铀浓缩到一定的235U丰度（也叫富集度，指235U的浓度）所需要投入的工作量叫做分离功，表达为多少千克分离功单位（kg Separation Work Unit,kgSWU）、多少吨分离功单位（tSWU）或多少百万分离功单位（MSWU）。从天然铀原料生产1 t 3%的浓缩铀，大约需要4.3 tSWU。

（2）核燃料的堆内使用（燃耗）成本。核燃料的堆内使用指核燃料装入反应堆之后，发生裂变反应放出能量发电，核燃料逐步消耗的过程。此阶段核燃料利用率越高，则核电的成本也就越低；反之，利用率越低，成本越高。从核燃料装入堆芯发电开始到下一次停堆核燃料卸出堆芯，这一段时间我们叫一个换料循环，核燃料及其后处理的成本需要用这个循环发电的收入来补偿。

（3）核燃料循环后段成本。包括乏燃料的运输成本和后处理成本。乏燃料运输成本主要为运输容器的成本和车船运费，因为核安全标准要求高，运输容器的价格很高，由于运输过程中的高要求，使得运输费用也非常高昂。核燃料循环后段成本主要集中在乏燃料后处理成本，将燃料棒分解，分离铀、钚等有用资源，需要高端的工艺技术，投资这一套设备需几百亿元（经济规模厂），运行维护成本也很高昂。

核电站除支付核燃料费外，还必须支付乏燃料后处理费，是整个核燃料循环成本的实际承担者。

3 核燃料循环成本对核电竞争力的影响

核燃料循环成本对核电的成本影响巨大，从某种程度上说，决定了核电的竞争力。因为整个核燃料循环的成本，最终都是由核电通过燃料费和乏燃料后处理费的形式来承担。所以研究核电的成本，必须研究核燃料循环成本，以期找到降低核电成本的切入点。我国核电的上网电价目前在发达地区平均略低于火电，比风电的价格低了很多，同为清洁、环保的能源，核电的竞争力比风电等能源要强。但近几年随着国际核电建设的复苏，天然铀的价格上涨很快，对核电的影响很大。秦山核电站经过多年运行，总结分析多年运行成本情况，核燃料费和乏燃料后处理费两项合计占总成本的比例不低。如果核燃料价格继续快速增长，公司将面临亏损的窘境。如何消除过高的核燃料价格给核电带来的不利影响，很值得研究，笔者认为研究的重点应该是整个核燃料循环成本。核燃料循环成本对我国核电的竞争力和核电长远发展有很大影响，特别是当前核电正处于快速发展的关键期，这两项成本的变动尤为重要。所以应统筹兼顾核电、核燃料产业的发展，研究开发新技术，积极降低核燃料循环成本，保持核电和核燃料产业的健康、平稳发展。

4 对策建议

4.1 完善核燃料循环发展战略

依据我国核电发展战略，应继续完善核燃料循环配套的发展战略。着重从整个燃料循环的角度进行分析，做经济效益等利弊分析，考虑对策，降低整个燃料循环成本；并为我国制定乏燃料后处理政策等提供分析依据，全面评价核电的发展及其对国家的战略作用。如对燃料循环方式（即乏燃料后处理方式）的选择，影响的因素很多，需考虑政治、经济、防止核扩散和环境保护等多方面的问题，通过核燃料循环战略的制定，有了定性和定量的分析依据，可以很好地指导这方面的实际工作。可以参考有关国家的做法，如美国能源情报署（EIA）对美国核电从运行机组容量、发电量角度，分析和预测其对核燃料的需求（包括天然铀和分离功的需求）、乏燃料的产生数量等，并制订了今后20多年的详细预测数据表格，用以指导其核燃料循环战略。

4.2 降低核燃料循环前段成本

加大投入，争取在铀矿地质勘探和加工技术上取得突破。研究找矿新方法，加大找矿力度，相信经过不懈努力，我国一定会解决核能发展的后顾之忧。研究开发或引进矿石开采、选矿、加工、铀浓缩等新技术，如已采用的地浸法采矿、铀浓缩离心法，这些都是降低成本的有效措施；引进消化国外新技术，提高元件制造劳动生产率，实现锆合金包壳等材料的国产化，积极降低燃料元件制造成本；加强国际合作，采取“走出去”的战略，坚持两个市场，两种资源的路线，以加大我国铀资源的保障能力。

4.3 核电站提升核燃料的利用率

提高核燃料的利用率，即提高燃耗深度，所谓燃耗深度是指单位质量核燃料放出的能量。秦山核电站设计燃耗深度是24 GW·d/tU，目前通过提高核燃料富集度、改进燃料设计和布置等办法已达到30 GW·d/tU以上，见表2。

国际上很多核电站可增加燃耗至40～4 5 GW·d/tU，如法国阿海珐的AFA3G和美国西屋公司的Performance+等，目前相关国家都在开发燃耗深度能达到更高值的先进燃料组件，这样可以减少乏燃料的产生量，降低核燃料费和乏燃料后处理费。我们可以通过引进消化新的核燃料技术，逐步提高核燃料利用率，降低燃料循环成本。目前我国在引进西屋公司第三代压水堆核电站AP1000技术时，也引进了其先进的核燃料技术，这将促进我国核燃料技术的提升。当然，本阶段的核燃料换料策略受核燃料装载量、电站设备状态、换料周期、电力市场等诸多因素影响，如秦山核电站堆内燃料装载量是121组，每次换1/3；而有的电站则采取1/4换料的策略。最好采用成本模型来进行定量分析，根据不同的变化因子，在数学模型中进行详细分析，得出准确的分析结果，从而指导实际工作。

表2 秦山核电站核燃料燃耗情况表Table 2 Nuclear fuel burn-up of Qinshan Nuclear Power Plant

4.4 降低核燃料循环后段成本

（1）乏燃料的运输。乏燃料运输容器的设计需考虑热工计算、力学计算、临界计算和辐射防护等问题，如对中子的防护。乏燃料运输容器由于对其要求特别高，所以造价也特别高，使得运输成本大大增加。今后应该逐步实现运输容器的国产化，降低其运输费用。

（2）乏燃料后处理回收。乏燃料回收还是不回收，在经济上要对回收情况下发生的后处理费用，加上裂变产物玻璃固化和储存费用，减去由于复用铀、钚而节省的天然铀和分离功开支，和不回收情况下发生的乏燃料封装和无限期安全储存（其体积为回收情况下的3～7倍）的费用，两者进行比较。据一项估计，在目前的技术经济条件下，当天然铀价格高于$90/kg时，以后处理回收为合算。2007年铀价飞涨，已经远远超过目标价，目前价格基本在目标价附近。当然，这还需要根据我国的具体情况进行具体分析。

乏燃料具有放射性强、毒性大、存在临界事故的危险等特点，所以后处理工厂不同于一般的化工厂，有其独特性。后处理厂的工艺设备被包在很厚的屏蔽墙里面，须借助于远距离和自动化方法进行操作、控制和监测，对工作人员要采取周密的辐射防护措施。往往一般化工厂中很简单的操作，在后处理厂中却变得异常复杂。后处理厂需要特别重视系统和设备的可靠性、密封性和维修条件，需要采用耐腐蚀和抗晶间腐蚀的不锈钢材料、长寿命的轴承和密封件，并需提高维修质量，以确保连续安全生产。后处理厂的基建费用很高，但工厂规模越大，比投资就越低，它大约与日处理重金属量的平方根成正比。通常是一座后处理厂配合多个核电厂，如果后处理厂建成后得不到充分的定货，经济损失会很大，所以需使后处理厂建设的规模和进度同核电发展规划或市场预测相适应。应该制定合理可行的乏燃料后处理政策，研究开发新技术，设备制造国产化，降低后处理设备的投资和运行成本。及早启动我国后处理工作，选择适当时机，条件成熟时尽快进行后处理。从利用MOX（混合）燃料开始，其长远发展规划则应该和快中子增殖堆的推广一并考虑，以提高乏燃料的利用率，降低乏燃料后处理成本。