MOX燃料用于压水堆的经济性分析及回收钚的价值测算

2019-08-22

中国核电 2019年3期

(中广核铀业发展有限公司，北京 100029)

法国自1987年开始在压水堆中使用后处理回收钚制成的混合氧化物(MOX)燃料，截止2014年累计使用4500组MOX燃料组件。在运的58台压水堆核电机组中，目前有24台900 MW的机组具有装载MOX燃料的许可，22台使用MOX燃料混合堆型，每次换料40组燃料组件，其中12组为MOX组件，占比30%，MOX燃料平均钚含量为8.65%，与UO2燃料在发电方面的价值完全对等(Energy Equivalence)[1]。

MOX燃料在压水堆中再循环利用的主要问题是其较高的燃料成本和使用过程中产生的其它额外成本，总体增加了核电的运营成本，因此，法国目前在后处理厂开工率和回收钚利用能力之间施行物料平衡原则(Fluxes Equality)。此外，回收钚在压水堆中一般只能循环1～2次，之后由于钚的同位素谱变化，不能再次循环利用。乏 MOX燃料中次锕系元素大幅增加，导致其毒性增加，提高了再处理的难度。法国目前对使用过的MOX燃料不再进行二次后处理，暂存等待未来先进的核燃料循环系统再利用[2]。

我国引进后处理大厂项目目前已接近商务谈判尾声，即将进入立项阶段。一座年处理能力800 tHM的后处理厂，每年大约产生8 t钚，可制成大约92.5 t MOX燃料(参照法国压水堆MOX燃料8.65%的钚含量)，需要约16台压水堆机组消纳。

在我国电力市场改革不断深入的背景下，核电面临电价和电量双降的不利形势，对燃料经济性的要求不断提高。因此有必要对压水堆核电站使用MOX燃料与一般UO2燃料进行成本对比，衡量MOX燃料在压水堆中利用的经济性，在此基础上，按照与替代燃料等价计算的原则，衡量回收钚分别在压水堆和快堆中利用时的价值，为我国后处理回收钚的所有权归属、再循环利用路线等后端顶层设计问题提供参考依据。

1 压水堆使用MOX燃料经济性评估

1.1 前提和假设

回收钚在压水堆中利用的经济性影响因素较多，包括燃料本身成本，运输、乏MOX燃料贮存、反应堆适应性改造等其它额外成本，以及MOX加工时的贫铀物料成本，其中燃料成本是最主要的影响因素，为了简化计算，本文仅从燃料成本角度进行对比评估。

计算MOX燃料成本是在已产生回收钚的既定条件下进行，即不考虑获取回收钚的后处理成本，乏燃料后处理在减小废物体积方面的效益难以量化评估。

1.2 MOX燃料成本计算及对比

常规UO2燃料的丰度按照法国情况取3.7%，即与钚含量8.65%的MOX对等(Parity)，1 tU UO2燃料和1 tHM MOX燃料各环节数量需求和成本计算如表1所示。

表1 1 tU UO2燃料和1 tHM MOX燃料成本测算Table 1 Cost calculation of UO2 and MOX fuel

注：1.UO2燃料各环节产品或服务数量计算考虑了加工损失。

2.各环节产品或服务价格取Trade Tech 2017年1～8月份长期价格指数的平均值[3]，组件加工费参照BCG咨询报告[4]。

从上述价格计算可以看出，在当前市场情况下，压水堆使用MOX燃料比使用常规UO2燃料贵约65%。其主要原因是MOX燃料昂贵的加工成本。由于后处理回收的钚放射性性强、化学毒性大，制造过程大部分操作必须在屏蔽手套箱中进行，因此具有工艺难度大、设备复杂、安全要求高等特点，导致MOX组件加工成本远高于常规UO2组件加工。根据MIT《核燃料循环的未来》报告[5]，压水堆和快堆MOX燃料组件的加工成本为2400美元/kg HM，是目前UO2组件加工成本的大约6倍。正是由于MOX燃料组件昂贵的加工成本，抵消了其节省的天然铀和分离功价值[6]，严重影响了MOX燃料在轻水堆中使用的经济性。

2 回收钚价值测算

乏燃料后处理回收得到的可裂变材料钚系后处理厂的运行收益，其价值衡量直接决定乏燃料后处理的平准化成本。

按照与替代燃料等价的思路，分别衡量后处理回收钚在压水堆和快堆中使用的价值，压水堆中使用与常规UO2燃料对比，快堆中使用与高浓铀燃料对比，计算如表2所示。

表2 回收钚分别在压水堆和快堆中使用的价值测算Table 2 Value calculation of the recycled plutonium using in PWR and FR

注：1.俄罗斯BN600快堆使用的高浓铀丰度为17%～26%，本计算取值20%。中国原子能研究院CFR600示范快堆MOX燃料设计钚含量为20%。

2.根据MIT报告，压水堆和快堆MOX燃料的加工费均为2400美元/kg HM。

从表2的计算可以看出，回收钚在压水堆中使用时的价值为负值，这意味着在当前市场情况下，每在压水堆中使用1 t回收钚，需付出超过1 000万美元的额外成本，即在不考虑后处理成本的情况下，回收钚在压水堆中应用时的价值也为负值，意味着在压水堆中使用回收钚的成本高于其在提高天然铀利用率方面产生的效益，这一结论与IPFM研究报告中引用法国电力公司的说法完全一致[7]。

回收钚在快堆中利用时的价值大幅增加，在当前市场情况下，快堆中每使用1 t回收钚，与高浓铀燃料相比可节省超过2300万美元。