我国乏燃料后处理经济性研究

赵弥 彭海成 董博

摘要：随着我国核能产业快速发展，天然铀需求和所产生乏燃料的数量也逐年增加，后处理产业的经济性必然会再次成为发展闭式核燃料循环产业需要回答的问题之一。该文参考经合组织核能署相关研究，开展乏燃料后处理经济性分析，对“一次通过”和后处理两种核燃料循环方式的成本进行测算。结果显示，现阶段后处理方案比“一次通过”更加经济，并且随着天然铀价格的持续上涨与后处理、MOX燃料制造技术成熟所带来的价格下降，其经济性将在未来愈发凸显。

关键词：核燃料循环 乏燃料 后处理 经济性

中图分类号：F426.61;F426.23     文献标识码：A

Research on the Economy of Irradiated Fuel Reprocessing in China

ZHAO Mi  PENG Haicheng  DONG Bo

（Nuclear Technology Support Center of SASTIND，Beijing， 100071 China）

Abstract： With the rapid development of China's nuclear energy industry， the demand for natural uranium and the amount of produced spent fuel are also increasing year by year， and the economy of the reprocessing industry will inevitably become one of the questions that need to be answered in the development of the closed nuclear fuel cycle industry again. This study refers to relevant research from the OECD Nuclear Energy Agency， analyzes the economy of spent fuel reprocessing， and calculates the costs of two nuclear fuel cycle methods of "once-through" and reprocessing. The results show that the reprocessing scheme is more economical than "once-through" at this stage， and its economy will become increasingly prominent in the future with the continuous rise of the price of natural uranium and the decrease of the price caused by the maturity of reprocessing and MOX fuel manufacturing technology.

Key Words： Nuclear fuel cycle; Spent fuel; Reprocessing; Economy

近年來，随着世界各国积极推进“碳达峰、碳中和”，以及更安全的核电机组投运，核能产业开始逐渐复苏。积极安全有序发展核电也成为我国优化能源机构，保障能源供给安全，实现“双碳”目标、应对气候变化的重要手段。截至2022年底，我国运行核电机组54台，总装机容量5 573.7万kW，位列全球第3；在建核电机组22台，总装机容量2 518万kW，位居世界第一，核能产业正在迎来前所未有的发展机遇。核电对天然铀需求规模将持续增长，乏燃料总量也逐年上涨，后处理产业的经济性必然会再次成为发展闭式核燃料循环产业需要回答的问题之一，有必要针对新时代核行业发展面临的新形势、新要求，开展我国乏燃料后处理经济性研究。

该文在参考经合组织核能署及国内相关研究[1]的基础上，研究相关分析方法，结合中国核能行业协会[2]、中国核协会[3]等机构给出的燃料循环各阶段价格指数及相关趋势分析，开展乏燃料后处理经济性分析研究，对我国后处理经济性进行测算，以期对我国核电反应堆燃料循环的两种方案从经济性角度做出合理评价。

1 压水堆燃料循环各阶段成本

1.1 燃料循环前端成本

1.1.1 铀采购

根据经合组织核能署研究，购买铀所需费用约占压水堆燃料循环总成本的30%～50%，占总发电成本的5%～20%。显然，与化石燃料相比，核能发电成本对燃料价格波动的敏感度要低得多。

因此，考虑到近10年来铀价格的最低值20美元/磅（该价格出现在2017年）、中国核能行业协会预测未来十年可能出现的高值70美元/磅（该价格可能出现在2030年），该文选取50美元/磅为参考价格。

1.1.2 铀转化

铀转化市场是核燃料循环前端中最小的市场。随着世界核电复苏，以及关键铀转化设施供应削减和其它因素，铀转化服务价格一直居高不下。根据中国核学会核燃料价格指数，近期铀转化服务平均价格为15万元/tU，折合美元约22美元/kgU。

与铀采购与铀浓缩服务价格相比，铀转换价格只占燃料循环总成本的几个百分点，其波动对整个燃料循环成本影响不大。该文选取近期铀转化服务平均价格22美元/kgU为参考价格。

1.1.3 铀浓缩

影响铀浓缩市场的因素多种多样，并且还受严格贸易管制。根据世界核协会（WNA）统计，全球分离功总产能约为60 000 tSWU，總需求却仅为50 000 tSWU。在供大于求的环境下，全球主要铀浓缩供应商均放缓提升产能的计划。根据中国核学会核燃料价格指数，近期铀浓缩服务平均价格为75万元/tSWU，折合美元约108美元/kgSWU。

铀浓缩费用是燃料循环总费用的重要组成部分。根据经合组织核能署研究，铀浓缩费用约占燃料循环总费用的1/4。该文选取近期铀浓缩服务平均价格108美元/kgSWU为参考价格。

1.1.4 燃料制造

与铀采购、转化和浓缩不同，核燃料元件属于反应堆定制化产品，不同堆型所需元件不同，其价格也不同，因此国际市场并未正式统计燃料元件制造的市场价格。

由于燃料制造服务供应商之间竞争一直很激烈，且所涉及工艺已经十分成熟，燃料制造价格一直保持相对稳定。因此，该文选取2017—2019年美国市场压水堆元件平均价格354.5美元/kgU为参考价格[4，5]。

1.2 在堆核燃料管理成本

为简化计算，且相关费用不大，该文不考虑在反应堆场址贮存新燃料或乏燃料的费用，以及与管理或处置反应堆运行期间产生的低放、中放废物有关费用。

1.3 燃料循环后端成本

从反应堆卸出后，乏燃料将在水池中贮存一段时间，以使释热量显著减少。在该文中，两种方案都假定乏燃料在水池贮存五年，同时在此期间产生的贮存费用由核电厂运行费用支付，不计入燃料循环费用。

1.3.1 “一次通过”方案成本

在“一次通过”方案中，乏燃料离开核电厂贮存水池后，需要经过运输、贮存、封装及处置等过程。

（1）乏燃料运输。参考经合组织核能署的相关研究，欧洲地区乏燃料运输平均价格约为50美元/kgU，考虑到欧洲地区内的运输距离相对较短，该文选取150美元/kgU为参考价格。

（2）乏燃料临时贮存。“一次通过”方案主要特点是相对较长的临时贮存时间，参考瑞典曾采用的策略，大约需要30～40年长期贮存期。参考经合组织核能署的相关研究，该文假定乏燃料临时贮存35年，选取200美元/kgU为参考价格。

（3）乏燃料封装与最终处置。目前全球范围内尚未出现乏燃料封装与地质处置实践，因此难以估算该环节所需成本与费用。经合组织核能署曾对瑞典乏燃料封装与最终处置费用做出过估算，大约为610欧元/kgU。因此，该文保守选取700美元/kgU为参考价格。

1.3.2 后处理方案成本

（1）乏燃料运输。后处理方案与“一次通过”方案乏燃料运输成本一致。

（2）乏燃料临时贮存。乏燃料运抵后处理厂后，将再进行一段时间的短期贮存，一般从数月到数年不等。在此报告的研究分析中，假定乏燃料在进行后处理之前于后处理厂贮存一年，同时将此种短期贮存成本包含进入后处理价格中。

（3）后处理。该文参考法国、英国后处理设施运行实践，对乏燃料后处理成本进行分析。目前，世界上较为成熟的商业后处理厂年处理能力大多为800 t，在此基础上估算出的后处理边际成本约为700～800美元/kgU（不包含后处理厂建设成本）。因此，该文保守选取900美元/kgU为参考价格。

（4）废物暂存与处置。根据英国核燃料有限公司（BNFL）相关数据，商业后处理厂每年约产生600桶（150 L）高放玻璃固化体，这些固化体在临时贮存设施中暂存50年后，进行最终处置。暂存与处置成本为60～90欧元/kgU。因此，该文保守选取120美元/kgU为参考价格。

（5）MOX燃料制造。国际上不同国家间的MOX燃料元件制造成本存在较大差异，普遍为铀氧化物燃料的4～6倍。因此，该文分别选取MOX燃料元件制造成本为铀氧化物燃料元件制造成本的4、5、6倍，计算不同比率下的回收钚价值。

2 压水堆总燃料成本计算

2.1条件假设

该报告对我国压水堆核电站燃料循环两种方案的经济性进行研究分析，相关假设如下。

2.1.1 反应堆及燃料数据

（1）反应堆类型：压水堆。（2）装机容量：1GW。（3）燃料中235U富集度：4%。（4）燃耗深度：45GW·d/tU。（5）燃料消耗量：28tU/a。

2.1.2 燃料循环前后端数据

（1）天然铀中235U富集度：0.71%；（2）贫铀中235U富集度：0.25%；（3）乏燃料中235U富集度：1%；（4） “一次通过”方案乏燃料贮存时间：35年。

2.1.3 损耗因子

为计算成本，假定燃料循环不同阶段铀损失率为：转化阶段0.5%，制造阶段1.0%，其他过程无损失（实际发生的损失低于假设值）。

2.1.4 计算参数

计算所需全部参数如表1所示。

其中：j=1时为铀采购；  j=2时为铀转化；  j=3时为铀浓缩；j=4时为燃料元件制造；j=5时为乏燃料运输；j=6时为乏燃料临时贮存；j=7时为乏燃料最终处置；j=8时为乏燃料后处理；j=9时为高放废物暂存与处置；j=10时为后处理时的铀回收率。

2.1.5 单价假设

燃料循环各阶段单位价格如表2所示。

2.2 “一次通过”方案总燃料成本计算

（1）铀采购成本。F1 = Mf·r1·P1                                                              （1）

式中，Mf = Mp·m ，m为铀浓缩过程中的质量因子，m = ，r1 = （1+l2） （1+l3） （1+l4）。

（2）铀转化成本。

式中，S = MpV（cp）+MtV（ct）MfV（cf），Mt = MfMp 。

（7）乏燃料最终处置成本。F7 = Mp·P7                                                                                             （7）

（8）“一次通過”方案总燃料成本。

根据上述燃料循环各阶段经济性计算模型，可以得到燃料循环前端总成本Cf、“一次通过”方案下后端总成本Cb1及燃料循环总成本C1的投入产出计算模型如下：

將2.1节中的条件假设带入经济性计算模型，可得到“一次通过”方案下燃料循环各阶段及总体成本（表3）。

2.3 后处理方案总燃料成本计算

后处理方案计算模型前端（从铀采购到铀氧化物燃料制造环节）与“一次通过”方案相同，区别主要在于乏燃料离堆后不进行长期贮存而是直接进行后处理。

2.3.1 乏燃料运输成本F5 = Mp·P5                                                                                         （11）

2.3.2 乏燃料后处理成本

2.3.5 回收钚价值

受到防扩散政策影响，钚无法在市场上交易，同时其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燃料贮存等[8]，其中燃料成本是最主要的影响因素，为简化计算，本文仅从燃料成本角度进行对比评估。

根据经合组织核能署1989年发布的《钚燃料—评估》研究，制造1 kgHM的MOX燃料元件（预期燃耗深度42.5 GW·d/t）大约需要44 g钚与0.933 kg天然铀。同时结合该文1.3.2（5）内容，分别选取MOX燃料元件制造成本为铀氧化物燃料元件制造成本的4倍、5倍、6倍，计算得出回收钚的单位价值（PPu）（表4）。

2.3.6 后处理方案总燃料成本

根据上述燃料循环各阶段经济性计算模型，可以得到后处理方案下，燃料循环后端总成本Cb2及燃料循环总成本C2的投入产出计算模型如下：Cb2 = F5+F8+F9EUEPu                                                                      （16）