商用增殖快堆造价研究

薄美芳，张 弘

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

目前增殖快堆在世界范围内正处于向商业化推进的阶段，很多国家正积极开展快堆的研究及设计工作，从目前的研究结果看，快堆是四代堆中最接近商业推广的堆型之一，因此研究商用快堆的经济性尤为重要。商用快堆的造价分析在国内尚无成熟的规范或标准，本文采用自上而下的思路，基于快堆与压水堆的设计差异分析研究后得出快堆造价的分析方法。本文研究意义在于，在尚无详细的设计方案及大宗材料量的条件下，针对商用快堆的造价进行了定量研究分析，得出了结论，并对我国快堆的费用标准研究提出了建议，即尽快开展适合快堆的费用标准及定额体系的研究工作，并加快消化吸收国际上对于四代堆技术经济的最新成果，研究与国内的差异，争取早日完成技术经济标准的本地化建设。

1 快堆概况

按照冷却剂划分，快堆种类有钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)、气冷快堆(GFR)，其中钠冷快堆是四代堆型中最接近商用推广的堆型。国际上已有快堆投入运行，我国已建成中国实验快堆(CEFR),热功率65 MW，电功率20 MW，采用堆本体池式结构及钠-钠-水三回路传热系统，于2014年12月8日达到满功率运行，按照我国核能发展“热堆、快堆、聚变堆”三步走发展战略，快堆是重要的一环。

2 商用增殖快堆核电厂造价分析

2.1 前提条件

2.1.1 基本思路

不同于实验堆、示范堆，对于商用增殖快堆核电厂而言，经济性是国家(投资者)决定是否大批量建造及运营的最重要决策因素之一，这是本文重点讨论商用快堆经济性的原因。

在当前条件下，采用造价指标自下而上估算商用快堆的造价是非常困难的，因为最近一段时期内，世界上已经建成的增殖快堆核电厂中，目前为止还基本没有一座完全意义上的商用快堆，尚无符合自下而上深度的设备及大宗材料量。所以，分析商用快堆的经济性，主要基于一个相对的评价，即从商用快堆与压水堆核电厂的差异入手，重点分析引起二者造价差异大的方面，如核电厂重要设备购置费(主设备、DCS系统)等。

2.1.2 基本假设：对比机型选择

目前世界上发展的快堆中以MOX为燃料、不锈钢为包壳、钠为冷却剂的占多数，原理都相似。因此本文对堆结构池式、钠冷、MOX燃料的商用增殖快堆进行经济性分析。

提到压水堆，首先，压水堆自身的造价也在不断变化，设计深度、设备供应链、核电厂执照申请过程中的不确定都可能导致核电厂的建造过程风险及造价提高。其次，我国目前建造或运营的压水堆种类较多，每个机型单位造价也不尽相同。第三，大型压水堆与模块化小型压水堆的发电容量、设备设计、经济性差异较大，因此必然无法与所有的压水堆核电机型进行统一对比，本文选择国内建设的某一压水堆作为对比核电厂。

综合上述，选择2台相同规模的1 100 MW级的池式、钠冷、MOX燃料设计的商用快堆与压水堆进行对比分析，单台机组额定电功率均为1 100 MW，核电厂建设地点均按国内沿海厂址考虑。不同快堆或压水堆内设计机型差异对于核电厂造价差异的影响较大，考虑本文的研究目的主要为方法研究，暂不考虑此方面引起的造价差异。

2.2 商用快堆造价分析

2.2.1 工艺设计对比

引起造价差异最根本的原因是快堆的工艺设计，见表1。快堆堆芯功率密度高，必须用导热性高的流体(如液态钠)冷却。一回路流经堆芯的冷却剂钠属于高放射性钠(24Na)，为了将高放钠与水蒸汽回路隔离开，增加了第二个回路，即一共三个回路。相对于压水堆，高放射性钠回路相当于压水堆的一回路，三回路相当于压水堆的二回路，快堆多了的二回路，包括中间热交换器(IHX)及相关的管道及阀门引起的设备购置费用、安装工程费用，因设备及辅助设施数量增加导致的建筑体积增加从而引起建筑工程费用等的增加，都会导致其造价增加。

表1 两种堆型主要工艺参数表

注：表内数据为两种堆型的大约范围，实际核电厂设计参数会有所不同。

2.2.2 商用快堆重要设备购置费用分析

对比核电厂中，重要设备购置费用占工程费用约30%，占设备购置费用约50%，是整个核电厂固定投资中重要的组成部分，见表2。重要设备在全世界符合要求的设备制造厂数量都非常有限，设备制造垄断现象非常明显，设备造价昂贵，因此是本文造价分析中重点分析的部分。

表2 对比电厂工程费用组成表

注：核电项目因厂址特殊差异可能引起工程费用的比例会有不同。

从设计方案对比：首先，快堆的钠池比压水堆的压力容器更加复杂。虽然压水堆的压力容器需要承受主回路的高压，设计的比较厚，快堆主回路的工作压力基本与大气压相当，但是由于一回路主设备布置在钠池中，钠池及顶盖均尺寸较大，钠池内的设备及钠池本身都悬挂在顶盖下，意味着增加了施工难度及成本，为了防止钠与空气接触燃烧，增加了装料和换料、控制棒密封等的难度。钠池及顶盖重量非常大，不可能完全在工厂完成安装，需要现场有一定的现场拼装工作，因此必须有一个拼装场地或工厂，也会增加造价。考虑钠池单台设备比对比核电厂压力容器造价增加50%。

其次，压水堆的设计及运行压力非常高，主管道需要厚度大来承受高温高压，快堆一回路设计压力远远低于压水堆，但设计温度高，同时由于多了的二回路导致增加了钠回路主管道的长度，因此主管道考虑费用比对比核电厂增加一倍。多了的二回路同样要考虑增加的中间热交换器(IHX)的设备购置费用。快堆一回路设备需要承受高的温度及辐照强度，同时要考虑钠介质带来的难度，蒸发器及主泵考虑单台费用增加10%。快堆后备反应性小，与热中子不同，快堆控制棒数量极少，只有十几根，因此堆内构件及控制棒驱动机构的要求难度相对较小，考虑费用增加5%。对于DCS数字化仪控系统，引起造价变化的重要因素为I/O点数，依据目前掌握的初步资料，快堆的I/O点数约为相同规模压水堆的1.5倍多，考虑本因素对费用的影响权重以及对比核电厂的实际招投标情况，造价暂按压水堆的1.4倍考虑。

另一方面，快堆三回路设计、运行温度远高于压水堆，可以使用标准燃煤汽轮发电机组，在高加低加的蒸汽再热的环节均不需要特殊设计及制造要求，对汽水分离器、再加热器都无特殊要求。而压水堆的设计运行温度低得多，需要特殊设计的大型尺寸的核电用的半速汽轮发电机，半速汽轮机尺寸大，重量重，更容易受到设备厂制约，造价要比同功率的全速汽轮机高60%左右。因此常规岛的汽轮发电机组及相应的配套设备更加简化，造价降低，整个汽轮发电机组按降低30%考虑。

综上所述，相同规模的快堆核岛的主设备更加复杂或数量更多，造价更高，而汽轮机设计更简单，常规岛的主设备相对简单，造价更低，考虑部分设备完全不同后，综合以上因素后目标核电厂主要设备购置费用的单位估算结果约为对比核电厂的1.25倍，详细对比关系见表3。

表3 主要设备购置费用对比表

注：主设备因市场因素对设备购置费用的影响暂不考虑。

2.2.3 商用快堆造价分析

装换料设备：不同于压水堆的硼水，快堆的冷却介质为液态钠，每次换料前需要对设备及部件进行钠清洗，单次操作的换料量只有一根(压水堆可以通过吊篮单次换料多根)，换料操作需要远距离进行，堆容器钠冷却介质相对于水介质的不透明性质，同时燃料保存水池设有盖板，工作人员需要在盖板上工作，以上均增加了快堆换料的复杂度与难度，考虑以上因素，装换料相关设备按压水堆翻倍考虑。

专设安全设施：快堆由于其固有安全性，简化了专设安全设施，设置了堆顶防护罩、事故余热排放系统、反应堆容器超压保护系统， 压水堆所用的高压安注、低压安注、安全壳喷淋系统、辅助给水等安全系统均得到了简化，此部分设备考虑为压水堆的60%。

辅助及附属系统：从前文的分析中可以看出，快堆由于使用不同的热传导介质，回路更多，重要设备数量更多、而且更加复杂，需要配套复杂的辅助及附属系统。同时，钠冷却剂对于核级钠的供应、储存、清洁、加热以及监测也提出了更特殊、更复杂的要求。因此辅助系统费用按压水堆的1.6倍考虑。

废物处理系统：快堆减少了高放废物的体积，而且可以嬗变高放废物，废物处理系统相对简化，按压水堆的70%考虑。

钠火消防系统：钠火危害非常大，快堆需要配备钠火探测系统以及能动、非能动的钠火消防系统，消防系统费用增加幅度较大。

核岛、常规岛建筑工程按照建筑体积以及相应的抗震设计进行考虑；核岛、常规岛安装工程费用依据设备费差异及相应工程量进行调整；厂址相关费用及BOP工程费用按国内一般沿海厂址考虑。工程其他费用按照参考文献[1]中相关规定进行测算，基本预备费、价差预备费按照目前核电厂一般做法。

通过以上对比分析及测算，2台电功率1 100 MW的商用快堆的基础价单位投资约为14 500元/kW，比目前国内商业压水堆核电机组的基础价单位投资高约8%。由于建成价单位投资受核电项目的融资方案影响或决定，因此本文未对后续固定价单位投资、建成价单位投资及项目计划总资金进行测算。

3 小结与展望

3.1 小结

经估算，对于成熟商用快堆，基础价单位投资比对比核电厂高约8%。可以预见，随着全世界范围内越来越多的快堆的建造，重要设备设计及制造的标准化水平的提高，核岛主设备造成的投资增加将会逐渐减少并被快堆高温高功率、低压设计带来的优势所补偿，在不久的将来，商业快堆将具备一定的经济竞争力。

需要说明的是，本文采用了差异分析的估算方法对商业快堆的造价进行了估算，对于设计方案的描述与成熟商业快堆的实际工程设计会存在偏差，相应地，将会对造价造成影响，因此文内的费用研究分析存在一定的风险。

本文的目的在分析研究不具备自下而上的估算方法时，商业快堆的造价研究方法，对于不同压水堆机型差异导致的单位千瓦造价差异暂未考虑，因此当对比核电厂机型不同时与对比核电厂的造价差异可能有所不同。

3.2 展望

目前国内尚无快堆堆型合适的费用性质标准体系，后续在快堆项目的费用编制过程中应依据堆型的设计及采购特点积极总结，以现有的基于压水堆核电厂的能标规定为基础，分析快堆堆型的特殊性及差异，进一步提出反馈，完成适合的费用性质标准体系的研究、编制工作。

由于目前的核电定额是基于之前的二代加改进型机组的数据进行编制的，快堆堆型的独特的设计方案以及施工方案难以找到合适的定额子目，或者合适的调整方案；另一方面，核工业定额体系处于正在调整及修订的过程中，部分内容存在一些待修改的地方，也需要持续改进。

此外，国际上已经开展了四代堆的经济性评价方面的研究工作，并已有导则等指导性文件，为了加快国内四代堆技术经济领域标准的研究及颁布，要加快消化吸收国际上对于四代堆的估算思路，研究与国内的差异，尽快推进适应我国市场经济条件下的本土化相关标准的研究分析工作。

因此建议在商用快堆的造价研究过程中，同时加快四代堆技术经济标准的消化吸收工作，推进适合本机型的费用性质标准体系及定额体系的研究工作，争取与造价研究分析同步。