法 丹,鄭保軍
(中國核電工程有限公司,北京 100840)
“華龍一號”是中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù),肩負著全面參與國際和國內(nèi)市場競爭的使命,而合理的經(jīng)濟性分析是評價其競爭力的前提基礎(chǔ)和必要條件。根據(jù)以往的電站運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),燃料費用在核電廠工程造價中有著舉足輕重的地位。以目前國內(nèi)的百萬千瓦級二代改進型壓水堆核電機組為例,2/3首爐核燃料費用占整個電廠設(shè)備費用的11% 以上,占核島設(shè)備費用的20%以上,年燃料費用以及核后處理費更是占整個發(fā)電成本的35%左右。
“177堆芯”設(shè)計作為 “華龍一號”核電廠三大技術(shù)特點之首,其經(jīng)濟性分析必然是 “華龍一號”經(jīng)濟性分析中最重要的組成部分。本文通過對 “華龍一號”機型燃料在首循環(huán)階段和換料階段的發(fā)電成本進行計算,并與二代改進型核電機組和AP1000核電機組進行比較,分析研究“華龍一號”核電機組的燃料經(jīng)濟性,并對相關(guān)影響因素進行了敏感性分析。
核燃料循環(huán)是指與裂變材料在裂變堆中應(yīng)用有關(guān)的活動,即包括反應(yīng)堆的燃料供給和乏燃料處理在內(nèi)的全過程[1]。核電站在壽期內(nèi)要經(jīng)歷幾十個運行循環(huán),按照各循環(huán)的特性,分為初始循環(huán)、過渡循環(huán)和平衡循環(huán)系列。每個循環(huán)期末,反應(yīng)堆必須停堆換料,兩次停堆換料完成后核電站啟動之間的時間間隔稱為一個換料周期,反應(yīng)堆經(jīng)歷一個換料周期,則稱為經(jīng)歷一個運行循環(huán)。運行循環(huán)的循環(huán)長度為該循環(huán)經(jīng)歷的相當于滿負荷運行的時間,以等效滿功率天 (EFPD)表示。
核燃料循環(huán)通常分成兩部分:1)核燃料循環(huán)的前端:包括鈾礦的開采和加工、鈾的提取和精制、鈾濃縮、燃料元件制造等環(huán)節(jié);2)核燃料循環(huán)的后端:包括反應(yīng)堆輻照過的乏燃料的中間儲存、乏燃料后處理、放射性廢物的處理處置等[2]。
與核燃料相關(guān)的費用,既包括循環(huán)前端的燃料制作相關(guān)費用,即天然鈾采購、轉(zhuǎn)化服務(wù)、鈾濃縮服務(wù)、組件制作服務(wù)的費用,也包括后端的乏燃料后處理費用。
對于后處理費用,本文暫不列入分析范圍。這主要是由于目前對于后處理費用通常按照0.026元/k W·h計算,未考慮組件形式帶來的差異,但這并不代表不同乏燃料進行后處理的實際經(jīng)濟性特點。而且由于缺少商業(yè)核電廠大規(guī)模乏燃料后處理的實際工程建設(shè)和運行經(jīng)驗,不同燃料組件的處理成本短期內(nèi)無法分析。
在組件制作過程中不可避免地在各階段產(chǎn)生損失,在此設(shè)定,轉(zhuǎn)化、富集、制造階段的損失因子分別取0.5%、0.5%、0.8%。天然鈾富集度0.711%,尾料富集度為0.25%。
目前,對于燃料的各階段采購量 (服務(wù)量)(后文統(tǒng)稱消耗量)和費用的計算方法已有一套成熟的計算模型,在此不再贅述。為了避免單價高低對對比結(jié)果的影響,分別以消耗量和總價進行對比,以全部消耗量除以發(fā)電量作為單位發(fā)電量的消耗。
2.1.1 “華龍一號”
反應(yīng)堆電功率為1 161 MW,熱功率為3 050 MW。初始堆芯由177個AFA3 G燃料組件或CF-3型燃料組件,兩者在參數(shù)和設(shè)計特點上比較接近。堆芯鈾裝量為81.35 t。
第一循環(huán)分三區(qū)裝載,富集度和燃料組件個數(shù)分別為:第一區(qū)1.8%,61個;第二區(qū)2.4%,68個;第三區(qū)3.1%,48個。第一循環(huán)循環(huán)長度為336 EFPD(12 585 MW·d/t)。
2.1.2 百萬千瓦二代改進型機組
反應(yīng)堆熱功率輸出為2 895 MW,最大連續(xù)出力為1 089 MW;堆芯由157個帶改進型格架的AFA-3G燃料組件構(gòu)成,首爐堆芯裝鈾量為72.1 t。
第一循環(huán)堆芯燃料組件分三區(qū)裝載,燃料組件數(shù)量為53、52、52個,對應(yīng)的三種富集度分別為1.8%、2.4%、3.1%。第一循環(huán)循環(huán)長度為319 EFPD(12 817 MW·d/t)。
2.1.3 60萬千瓦二代改進型機組
反應(yīng)堆熱功率輸出為1 930 MW,最大連續(xù)出力650 MW。
堆芯由121個AFA3G燃料組件構(gòu)成,裝載分三區(qū)布置,三區(qū)燃料組件數(shù)量分別是41、40、40個,對應(yīng)的富集度分別為1.9%、2.6%、3.1%,堆芯裝鈾量55.6 t。第一循環(huán)循環(huán)長度為387 EFPD(13 430 MW·d/t)。
2.1.4 AP1000
反應(yīng)堆電功率為1 250 MW,熱功率為3 400 MW,燃料組件類型為17×17 XL Robust。
第一循環(huán)分5區(qū)裝載,燃料組件數(shù)量分別是16、49、28、36、28個,對應(yīng)的富集度分別為0.74%、1.58%、3.2%、3.776%、4.376%,平均值是2.723 9%。首循環(huán)裝鈾量為84.73t,第一循環(huán)循環(huán)長度為450 EFPD(18 073 MWd/t U)。
“華龍一號”機組采用AFA3G燃料組件或CF-3型燃料組件,百萬千瓦二代改進型機組和60萬千瓦二代改進型機組采用AFA3G型燃料組件,AP1000核電機組采用XL Robust型燃料組件。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),“華龍一號”組件與二代改進型機組在主要規(guī)格參數(shù)等方面沒有大的差異,主要差別對組件制造過程中的費用影響很小。
AP1000組件主要體現(xiàn)在組件較長,其他方面 (燃料棒設(shè)計、組件尺寸、包殼厚度等方面)基本一致,其組件制造也可以與 “華龍一號”進行比較。各機組燃料組件參數(shù)見表1。
表1 燃料組件參數(shù)Table 1 Component parameter difference
按照首爐燃料裝載方案,計算各種機型單位發(fā)電量消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功和組件數(shù)量,結(jié)果如表2所示。
表2 首爐階段單位發(fā)電量消耗的燃料工程量Table 2 The amount of fuel consumed of electricity in the first f uel cycle
“華龍一號”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功均低于百萬千瓦和60萬千瓦二代改進型機組,在組件數(shù)量上則是 “華龍一號”機組消耗最多,這主要與 “華龍一號”首爐核燃料富集度與其他機型相比較低有關(guān)。
與AP1000機組相比, “華龍一號”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功低于AP1000機組,但單位發(fā)電量所消耗的組件數(shù)量遠多于AP1000機組。
根據(jù)調(diào)研的相關(guān)資料,在計算中采用的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功和組件制造價格如表3所示,單價信息詳見UXC.COM網(wǎng),組件制作費用則根據(jù)不同機組相關(guān)情況確定。
表3 燃料相關(guān)價格參數(shù)Table 3 Relevant f uel price parameter
綜合各階段消耗量和單價計算首爐階段單位發(fā)電量所需核燃料費用,結(jié)果見表4。
由于 “華龍一號”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功的數(shù)量均低于AP1000機組和二代改進型機組,因此采購天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功所需的費用最低。AP1000機組天然鈾、轉(zhuǎn)化費用水平與 “華龍一號”較為接近,分離功費用相差約16%;與60萬千瓦二代改進型機組相比,各階段費用均有差異,但總體差異約為1%;而與百萬千瓦二代改進型機組相比費用差距總體約在5%左右。對于單位發(fā)電量所消耗的組件制作費用,則是 “華龍一號”最多,導(dǎo)致總費用上“華龍一號”并不占優(yōu)勢。
表4 首爐階段單位發(fā)電量所需核燃料費用Table 4 The f uel cost of electricity(¥/MW·h)in the first f uel cycle
計算各階段所需消耗的燃料費用,結(jié)果表明燃料組件制作和天然鈾采購在整個費用中占比最大,總計達到80%左右;其次是分離功費用,而轉(zhuǎn)化過程中消耗的費用最少,因此購買天然鈾、進行鈾濃縮和燃料組件制作是費用控制的重點,尤其是燃料組件制作費用和天然鈾費用。
天然鈾、轉(zhuǎn)化和分離功價格是國際市場價格,受供需變化和市場發(fā)展趨勢的影響很大,由于福島事故對世界核電建設(shè)產(chǎn)生嚴重的不良影響,近幾年價格下降幅度很大,其價格變化分別如圖1至3所示。燃料組件制作價格是國內(nèi)價格,受國際市場影響較小,而且由于產(chǎn)量有限,國內(nèi)核燃料制作價格相對穩(wěn)定。
圖1 國際天然鈾價格變化情況Fig.1 Price change of natural uraniu minternationally
圖2 國際鈾轉(zhuǎn)化價格變化情況Fig.2 Price change of uraniu m conversion inter nationally
圖3 國際分離功價格變化情況Fig.3 Price change of separation wor k inter nationally
從近20余年的價格變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),存在天燃鈾價格達到40~50$/lb,轉(zhuǎn)化價格達到8~10$/kg,分離功價格達到80~90$/SWU的可能性。針對這些價格變化進行分析,假定三個價格分別達到45$/l b、9$/kg、85$/SWU,燃料組件制作價格由于相對穩(wěn)定,暫按增長10%變化幅度考慮,單位發(fā)電量的核燃料費用見表5。
表5 首循環(huán)階段價格變化時單位發(fā)電量所需核燃料費用Table 5 The f uel cost of electricity(¥/MW·h)with market change in the first fuel cycle
通過計算發(fā)現(xiàn),天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及組價制作價格上漲后,各種核電機組單位發(fā)電量的核燃料成本上升12~15元/MW·h,二代改進型60萬千瓦機組單位發(fā)電量消耗的核燃料費用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價格、其次是分離功價格。
平衡循環(huán)序列是在理想條件下無限的循環(huán)序列,每個循環(huán)的性能參數(shù)相同,是核電站壽期內(nèi)的主要循環(huán)序列。由于過渡循環(huán)序列數(shù)量有限,在總的循環(huán)數(shù)量中所占比例很小,并且循環(huán)的性能參數(shù)通常并不完全相同,同時為了簡化分析,文中主要分析平衡循環(huán)換料的燃料經(jīng)濟性,分析方法與首爐燃料的分析基本相同。
3.1.1 “華龍一號”
采用低泄漏 (in-out)裝載方式,從第三循環(huán)開始,每次裝入68個富集度為4.45%的新燃料組件,到第五循環(huán)達到18個月平衡換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長度為475 EFPD(17 870 MW·d/t),批卸料燃耗為46 410 MW·d/t。
3.1.2 百萬千瓦二代改進型機組
從第二循環(huán)開始,堆芯沿用out-in裝載方式,每次裝入52個富集度為3.2%的新燃料組件,卸出52個燃耗較深或富集度較低的燃料組件,到第五循環(huán)達到平衡年換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長度為273 EFPD(10 966 MW·d/t),批卸料燃耗為33 150 MW·d/t。
3.1.3 六十萬千瓦二代改進型機組
從第二循環(huán)開始,采用out-in的換料方式,每次裝入36個富集度為3.25%新燃料組件,到第六循環(huán)達到平衡換料,平衡循環(huán)的循環(huán)長度為284 EFPD(9 866 MW·d/t),批卸料燃耗為33 305 MW·d/t。
3.1.4 AP1000
第三循環(huán)及以后,每次裝入64個富集度分別為4.45%和4.95%的新燃料組件,到第五循環(huán)達到18個月平衡換料。平衡循環(huán)的循環(huán)長度為507 EFPD(20 480 MW·d/t),批卸料燃耗為50 013 MW·d/t。
計算單位千瓦發(fā)電量所需消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功、組件數(shù)量如表6所示。
表6 平衡循環(huán)內(nèi)單位發(fā)電量消耗的燃料工程量Table 6 The amount of f uel consumed of electricity in equilibriu m ref ueling stage
通過計算發(fā)現(xiàn),“華龍一號”單位發(fā)電量消耗的天然鈾數(shù)量以及轉(zhuǎn)化數(shù)量與AP1000和百萬千瓦二代改進型機組基本持平,比60萬千瓦二代改進型機組低13%左右。單位發(fā)電量消耗的分離功與AP1000和60萬千瓦二代改進型機組持平,比百萬千瓦二代改進型機組高12%左右。單位發(fā)電量消耗的組件數(shù)量低于二代改進型機組,但比加長型組件的AP1000多18%左右。
提高富集度、燃耗、循環(huán)長度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節(jié)省天然鈾。
利用消耗的工程量和各自的單價,平衡循環(huán)內(nèi),單位發(fā)電量所需的核燃料費用見表7。
表7 平衡循環(huán)內(nèi)單位發(fā)電量消耗的核燃料費用Table 7 The f uel cost of electricity(¥/MW·h)in equilibriu m ref ueling stage
通過計算發(fā)現(xiàn),從平衡循環(huán)的燃料方案看,“華龍一號”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化的費用與AP1000和百萬千瓦二代改進型機組基本持平,比60萬千瓦二代改進型機組低13%左右。單位發(fā)電量分離功費用與AP1000和六十萬千瓦二代改進型機組接近,比百萬千瓦二代改進型機組高12%左右。單位發(fā)電量所需消耗的組件制作費用比二代改進型機組和AP1000機組均低,是 “華龍一號”換料燃料設(shè)計的最大優(yōu)勢。
計算各階段所需的燃料費用,結(jié)果表明燃料組件制作和天然鈾采購在整個費用中占比在75%~80%,其次是分離功費用所占比例較多。組件制作單價和天然鈾采購費用依然是燃料費用控制的重點。
根據(jù)天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功的市場價格變化,假定分別達到45$/l b、9$/kg U、85$/SWU,燃料組件制作價格暫按增長10%變化幅度考慮,單位發(fā)電量的核燃料費用計算見表8。
表8 平衡換料階段價格變化時單位發(fā)電量核燃料費用Table 8 The f uel cost of electricity(¥/MW·h)with mar ket change in equilibrium refueling stage
通過計算發(fā)現(xiàn),天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及組價制作價格上漲后,核燃料費用上升13~16元/MW·h左右,60萬千瓦二代改進型機組單位發(fā)電量消耗的核燃料費用提高幅度最大,即敏感性最高。這其中影響最大的是天然鈾價格、其次是分離功價格。
通過對 “華龍一號”首爐階段和平衡換料階段燃料經(jīng)濟性進行分析,并與AP1000機組和二代改進型核電機組進行對比,得到結(jié)論如下:
1)目前鈾市場下,首爐階段 “華龍一號”單位發(fā)電量所需的核燃料費用不足0.027元/k W·h,與AP1000機組持平,略高于二代改進型機組;平衡換料階段 “華龍一號”單位發(fā)電量的核燃料費用不高于0.025元/k W·h,在上述比較的各機型中費用最低,展現(xiàn)了更好的競爭力。
2)首爐階段,“華龍一號”單位發(fā)電量所消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功均低于其他機型,但由于富集度相比其他機型較低,導(dǎo)致單位發(fā)電量所消耗的組件數(shù)量最多,因而首爐階段燃料費用較多,未能完全體現(xiàn)優(yōu)勢;
3)平衡循環(huán)換料階段,隨著富集度提高、循環(huán)長度增大,與AP1000機組和二代改進型機組相比,“華龍一號”單位發(fā)電量消耗的天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功數(shù)量相對較低或與其他機型持平,單位發(fā)電量消耗的組件數(shù)量降低明顯,有助于降低核燃料費用,體現(xiàn)了新設(shè)計的優(yōu)勢;
4)在采購天然鈾、轉(zhuǎn)化、分離功以及燃料組件制作的過程中,天然鈾費用和燃料組件制作費用在整體費用中占比較大,是費用控制的重點;當價格隨市場波動時,天然鈾價格、分離功價格變化對核燃料費用的影響較大;
5)提高富集度、燃耗、循環(huán)長度有利于控制燃料組件消耗,但并不能明顯節(jié)省天然鈾。
6)為了進一步提升核燃料經(jīng)濟性,未來在進行優(yōu)化時,應(yīng)從提高燃料的富集度,增加燃料燃耗,降低尾料的富集度方面入手。而對于燃料組件生產(chǎn)過程本身的費用控制上,應(yīng)著重優(yōu)化燃料組件制作和天然鈾采購費用。
[1]薄美芳,周林軍.壓水堆核電廠燃料循環(huán)前端經(jīng)濟性分析 [J].核動力工程,2010,31(1):1-4.
[2]王成孝.核電站經(jīng)濟 [M].北京:原子能出版社,1998,72-109.