压水堆核电厂乏燃料后处理平准成本分析

张小枝, 何 辉, 郑卫芳, 叶国安

（中国原子能科学研究院, 北京 102413）

压水堆核电厂乏燃料后处理平准成本分析

张小枝, 何 辉, 郑卫芳, 叶国安

（中国原子能科学研究院, 北京 102413）

基于压水堆核电厂乏燃料后处理工厂的规模与建设费用的半定量关系，以年处理能力为800 t的商用后处理厂为例，采用自上而下的方法，重点分析了隔夜成本、建造期和建造期间的利率，对采用PUREX流程的后处理工厂的建设费用影响；并用与建造期相同的利率，计算了UOX乏燃料后处理的平准成本。

压水堆乏燃料; PUREX流程; 核电平准成本

伴随着我国核电规模化、系列化和商业化的进程，核电厂乏燃料的最终处置或处理进行市场运作是必然的。核燃料闭合循环是我国核电基本政策[1]，乏燃料后处理是闭合循环后段的主要环节。因此，乏燃料后处理平准成本是核电全成本的重要组成部分。

以PUREX为主要流程的轻水堆乏燃料后处理技术是国际公认成熟的商业化技术。然而，后处理技术自身的难度和复杂程度，使得其工厂的建造、运行和退役有较大的不确定性。以商业为目的建设和运行后处理厂的公司只有AREVA和BNFL[2]。

乏燃料后处理技术涉及国际、国内不同领域的政策和法规，也受地方法规的影响，加之不可预测的自然灾害，为了保障核能长期稳定的发展，世界核电大国一直持续开展核电厂乏燃料后处理的经济分析工作[4-6]。

1 乏燃料后处理平准成本的主要构成

乏燃料后处理的经济分析是基于后处理厂的建设规模、后处理厂自身建设、运行、融资结构、退役等5项关键因素而开展的[3-4，9]。这5项因素的费用同时决定了后处理的平准成本。如果注重闭合循环，通常还计算乏燃料的中间储存（湿法或干法）费用和高放废液玻璃固化体的地质处置费用。前者已经充分市场化，后者国际上另有专门的研究报告。在核电总平准成本计算中，从铀矿开采到放射性废物的最终处置，每一环节被分割为独立核算单元，每个单元又被分割为模块。模块、单元之间的费用是线性加和关系[6-8]。因此中间储存和高放玻璃固化体地质处置费用的变化或调整，能够用相应的单位电价表述。这里重点关注后处理厂建设规模、隔夜成本（基本建设投资）和建设期间利息3项主要因素对乏燃料后处理平准成本的影响。

1.1 乏燃料后处理厂的建设规模与投资强度的关系

对于工业化生产，提高生产能力，可以降低产品的单位成本，实现规模经济。生产能力与单位成本的关系可以用拇指定律（Thumb Law）定量描述：

其中，年处理能力为M0的工厂需要投资C0，γ在0.1～0.9取值。

橡树岭实验室根据后处理厂的特点，详细分析了生产能力与单位成本的关系[9]。对于UOX乏燃料，当C≤500 HMT/a时，γ接近0.1，其物理意义在于年生产能力在几十吨和500 t之间时，后处理厂的投资费用相差不大；当C≥5 000 HMT/a时，γ接近0.9，意为工厂生产能力增加1倍，投资费用几乎翻翻。呈显规模效益的工厂，其能力在500～5 000 HMT/a，实现单位成本最小的工厂生产能力为2 500 HMT/a。建设两座2 500 t/a后处理设施的费用，比建设一座生产能力为5 000 HMT/a的费用高30%，但降低了偶然因素导致全部后处理能力丧失的风险。这是美国在20世纪60年代建立1 500 t商用厂和21世纪初GNEP倡议建立2 500 t后处理厂的依据之一。波斯顿咨询集团（BCG）受AREVA委托，在对美国压水堆乏燃料后处理做经济分析时，同样采用年2 500 t的生产能力。值得注意的是在BCG的报告中，工厂的生产规模主要是通过增加主工艺生产线的数量得到提高，而不是提高单一生产线的年处理能力, 采用的工艺也由PUREX流程改为COEX流程。

事实上，目前商业化的后处理厂年处理能力仍为800 t。UOX乏燃料的处理速度还要受到被分离钚的使用情况所限。否则，多余钚及其他超铀物质的管控会增加燃料循环后段的费用。

1.2 乏燃料后处理厂的建设成本

后处理厂的成本可分为建设成本、运行成本和退役费用。在没能够直接获取运行成本和退役费用时，经常按照建设成本的一定比例计提后两项，乏燃料后处理成本的核心是建设成本。

建设成本Ccap受4项因素决定：后处理厂建设的隔夜成本Cb、建设期间的利息IDC（Interest During Construction）、投入商业运行前的其他费用和不可预测费:式中：Fidc——建设期间利息系数；

Fpreop——工厂满负荷运行前的其他费用系数；

Fcont——不可预见费用系数。

1.2.1 后处理厂建设的隔夜成本

国际上关于采用PUREX流程处理轻水堆乏燃料工厂的建设费用的研究一直不断。2007年，GIF对以前的报告进行了汇总。在对先进核燃料循环进行经济分析时，GIF提出了模块化、单元化的“自上而下”（Top-Down）和“自下而上”(Bottom-Up)的大型核设施建设成本估算方法[10]。

自下而上的估算方法与施工前的工程预算相似。基于施工设计或三维模型，造价工程师根据主要工艺单元的布置图能够准备出详细的基本预算，它包括设备清单及各个物项的特征描述，以及物品单价和工时费用。施工单位根据项目进度要求做出现场间接费用预算。所有物项最终用2位或3位财会成本代码COA（Code of Accounts）汇总计算。显然，该方法主要适用于具备核设施设计建设能力的公司进行成本核算，自下而上核算出的成本中的不可预测费用的比例也可以控制得比较低。

在早期研发阶段，能够获得的信息是非常有限的。对这类项目进行成本分析时，一般采用自上而下的成本核算策略。在至上而下的方法中，选择和设计好参考目标是重点。大型设施建设的隔夜成本、建设期间的利息和不可预测费用等是核心参数。显然自上而下核算出的成本中的不可预测费用的比例较高。如果在商用后处理厂概念、主要工艺和设备等方面研究深入，采用自上而下的策略，对我国大厂建设费用进行宏观评估还是可行的。这里以年处理800 t压水堆乏燃料后处理厂为参考对象，估算采用PUREX流程的工厂建设核心金融参数。

如前所述，只有AREVA和BNFL具有建设和运行商业后处理工厂的经验。处于商业利益的考虑，这两家公司从未公布他们的建设费用和年度运行费用。美国一直有独立的报告分析这两家工厂的经济运行指标。表1中采用的年处理量800 t的后处理厂的基本建设费用数据，被认为是可靠的[4,11]。

表1 采用PUREX流程、年处理量800 t的后处理厂建设基本费用Table 1 Overnight capital for constructing LWR spent fuel reprocessing plant with 800 tHM/a treatment capability

表1同时给出了20世纪90年代前后，日本的六个所（RRP）建设的预算经费[5，10]。该数据是法国和日本于1987年签订后处理技术转让协议和1990年UP3厂热试成功之后预估的5年（1993－1998年）建设费用。根据圣戈班SGN的报告，在对六个所工厂的设计中，SGN建议“JNFL简化后处理厂的设计，去掉铀和钚的第三纯化循环，以节约投资和运行成本”[12]。考虑日本处于环太平洋地震带上，在8 400亿日元的预算中，用于减震和安全方面的费用大幅增加。这里简单假设，抗震引起的费用增加部分，被因技术更成熟而引起的RRP成本降低部分所抵消。按照当时技术水平和预算，JNFL能够在5年内建成、3年内调试完毕、2001年投入工业运行的后处理厂。作为技术出让方，法国同时在8年内获得足够的商业利益。事实上，如果用2003年美元计，RRP的建设费用至少比UP3高20%。

在对英、法工厂的建设费用进行年代换算时，仅考虑了美元的现金流值（以3%计）。如果把后处理厂建设技术作为垄断性的储备资产，使其以年盈利1%～2%累计增长是合理的（与美国债盈利率持平）。如此，2010年建造UP3厂的隔夜成本应在91亿～108亿美元， THORP厂应在72亿～101亿美元。

1.2.2 后处理厂建设期间的利息成本

THORP厂建设和UP2厂扩建是政府控股的企业行为，后处理的军民两用性，使得这两座民用工厂的建设不承担建造期利息IDC。UP3厂是应国外用户需求、并由客户出资建设的工厂，计算其IDC没有商业意义。RRP是JNFL为业主、以引进UP3为核心技术、并商业运作的工厂。IDC在RRP总的建设成本中占有一定比例。

假设后处理厂的建设年数（含调试时间）为n年，以贷款年息iidc计算，IDC因子Fidc可以表示为：

我国首座后处理工厂的建设已被列入国家重大专项。其建设过程中，部分引进国外技术是必然的。涉及到国际合作时，按照国际商业运作模式，应计算建造期间的利息。国际原子能机构IAEA和核能协会NEA推荐，在不计通胀、收入所得税、资产税、保险等因素时，建设期间的年利息分为5%和10%两个级别。前者接近于美国债利息，后者稍低于风险融资利率。这里仍然假设后处理厂建设历时5年、调试3年、累计8年时，分别以5%和10%两种利息计算IDC。假设前4年用去65%的基本资金，后3年的调试费用约占基本资本的21%。按照式（3），对应5%和10%的Fidc的计算值分别约为28%和63%。

1.2.3 后处理厂的建设成本估算

后处理厂投入商业运行前的其他费用和不可预测费分别按照总建设成本的10%计算。其比例与完全市场化的压水堆核电站建设的相应参数相同。实际上大型设施的不可预见费用与其技术成熟度等级有一定的关系。显然，商用后处理厂的技术成熟度远不及轻水堆核电站，这里选用10%的比例是保守的。

把基本投资（隔夜成本）Cb、建设期间利息因子Fidc、工厂满负荷运行前的其它费用因子Fpreop和不可预见费用因子Fcont带入式（2）中，可以估算出2011—2019年，以THORP厂和UP3厂为例，为期8年，以2010年美元计算，建成800 HMT/a轻水堆乏燃料后处理厂的建设资本成本，约需110亿～150亿美元。

其中，kf是在第k年借贷的隔夜总成本的份额

1.2.4 乏燃料后处理基本成本及相应核电平准成本计算

乏燃料后处理厂的建设成本可以用单位乏燃料处理成本或单位电价表述。公式（4）用于年度定额偿还本息Cyr计算。

乏燃料后处理厂寿期N取30年，年度还贷率i分别取值5%和10%（与建设期间的利息因子相同），Fcr分别为6.51%和10.61%，年度定额偿还本息额度对应7.26亿～7.66亿美元和15.07亿～15.90亿美元。

根据乏燃料的年度处理量和乏燃料的燃耗及核电站热工转换效率，可以获得对应后处理厂建设的乏燃料处理基本成本及相应核电平准成本LUEC。

按照年处理能力800 HMT计算，分摊到核电平准成本时，采用的燃耗B是55 MW·d/kg，热电转换率ε为0.34，以此获得的平准成本分别是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h，它们对应的利率分别是5%和10%。

2 结果与讨论

后处理厂的规模效应符合拇指定律。当其能力在500～5 000 HMT/a时，显示了规模经济效益，实现单位成本最小的工厂生产能力为2 500 HMT/a。

明确了后处理厂建设成本主要组成，建立了后处理厂基本成本计算方法。以2010年美元计算，年处理800 t压水堆乏燃料工厂建设的隔夜成本为72亿～76亿美元，建设周期8年，使用寿命30年，投入商业运行前的其他费用和不可预测费各占10%，分别用5%和10%贷款利率，计算出乏燃料分摊的建设成本为907～957美元/kg和1 883～1 988美元/kg。采用平均燃耗55 MW·d/kg，堆热电转换率ε为0.34，获得的核电平准成本是2.02～2.13美元/MW·h和4.20～4.40美元/ MW·h。

后处理厂建设期间的利息成本是建设资本的主要构成。对应5%和10%的利率，建设周期8年时，建设期间的利息因子Fidc达1.28和1.63，即建设利息是隔夜资本的28%或63%。实际上，英国用10年进行建设和调试THORP厂，日本自1993年开始建设RRP厂，至今仍然在调试。工厂的建设和调试时间越长，Fidc就越高。如果不能够按期进行工业规模生产，即使不增加隔夜资金投入，后处理厂的总资本成本以（1＋iidc）m的速度增长（m为延期年数）。

RRP实际建设和调试时间到2007年时，已经延长了7年（日本和法国的合作部分于2008年完成）。按照IAEA建议的商业运作利息10%计算，其延期的属于法日商业合作的资本成本部分就可以使早期的预算增加近1倍。如果考虑延期的7年期间维持工厂调试必须承担的薪资、技术研发等费用，RRP实际建设和调试总的资本成本即使超过15年前（1992年）预计的3倍也是可以理解的。

后处理厂的年度运行费用约在6.8亿～7.2亿美元（850～900美元/kg），实际退役费用尚无可靠数据，有学者采用保守值100美元/kg[3]。这两项费用会导致核电平准成本增加2.11～2.24美元/MW·h，使得压水堆核电站乏燃料后处理成本增加到4.13～6.87美元/MW·h。

分摊建设成本时，假设后处理厂是以800 HMT/a满负荷运行的。实际上，扣除2005－2007年的停运期，THORP厂在1994年3月至2009年7月的15年内的实际年处理量仅有460 t，而UP3的年均处理量估计在650 t。因此，核电的实际平准成本将增加23%～74%，达到7.18～8.4美元/MW·h。

在估算后处理厂建设成本时，这里采取了“自上而下”的方法。如果根据后处理工艺流程进行模块拆解，采用“自下而上”方法，把每一模块中的全部物象按照COA代码进行分类计量，可以获得商用后处理厂建设的更准确费用。

[1] 顾忠茂，严叔衡，郝东秦. 我国核燃料循环后段及商用后处理厂建设相关问题探讨[J]. 乏燃料管理及后处理，2008,（1）: 1-7. （GU Zhong-mao, YAN Shu-heng, HAO Dong-qin. Discussion on Problems Related to the Back End of Nuclear Fuel Cycle and Construction of Commercial Reprocessing Plant in China [J], Spent Fuel Management and Reprocessing, 2008, (1):1.7.）

[2] Chiguer M. Economic analysis of used nuclear fuel management options[C]. Technical Meeting on Cost of Spent Fuel Management Options, Vienna: IAEA, 2011.

[3] Bunn M., Fetter S., Holdren J.P. The Economics of Reprocessing vs. Direct Disposal of Spent Nuclear Fuel, Project on Managing the Atom[R]. Harvard University: 2003: 26-34.

[4] Rothwell G. Forecasting Light Water Reactor Fuel Reprocessing Costs[C]. Proceedings of Global 2009, Paris: 2009.

[5] 孙晓飞，黄钟. 日本的乏燃料管理及后处理[J]. 乏燃料及后处理，2007,(3): 17-23.（SUN Xiaofei, HUANG Zhong. Spent Fuel Management and Reprocessing in Japan [J]. Spent Fuel and Reprocessing, 2007, (3):17-23.）

[6] Economic Modeling Working Group (EMWG). Cost Estimating Guidelines for Generation IV Nuclear Energy Systems[R]. Generation IV International Forum, 2007.

[7] David E. Shropshire. Advanced Fuel Cycle Economic Tools, Algorithms, and Methodologies[R]. INL/EXT-09-15483, Idaho National Laboratory，2009.

[8] Economic Modeling Working Group (EMWG). Generation IV Economic Cost of Nuclear Systems (G4-ECONS) [R]. Generation IV International Forum, 2008.

[9] Haire M.J. Nuclear Fuel Reprocessing Costs [C]. the American Nuclear Society Topical Meeting, Hilton Head Island, S.C.，2003.

[10] Shropshire D.E., Williams K.A., Hoffman E.A. Advanced Fuel Cycle Cost Basis[R]. INL/ EXT-07-12107, Idaho National Laboratory, 2007.

[11] Drain F., Bretault P., Fagot L. Rokkasho reprocessing project from design to the end of active tests: 21 years of fruitful French-Japanese cooperation[C]. Proceedings of Global 2009, Paris, France，2009.

Calculation of Levelized Electricity Cost for Reprocessing Spent Fuel of LWR Power Plant

ZHANG Xiao-zhi，HE Hui，ZHENG Wei-Fang，YE Guo-an
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

The reprocessing plant, with an annual processing capacity of 800 metric ton of heavy metal, was studied to observe the overnight capital, construction time and the interest value on the effect of construction cost, after learning the semi-quantitative relationship between the plant scale and the corresponding investment. The levelized electricity cost for reprocessing UOX spent fuel was estimated by using the Top Down method.

spent fuel of LWR; PUREX reprocessing; levelized electricity cost

TL24Article character：A

：1674-1617(2014)04-0331-05

TL24

：A

：1674-1617(2014)04-0331-05

2014-09-19

张小枝（1965—），女，河南孟州人，研究员，博士学位，核化学化工专业。