核燃料循環(huán)成本與核電的競(jìng)爭(zhēng)力

季 彪，劉傳德

(秦山核電有限公司，浙江 海鹽 314300)

2003年，國(guó)際市場(chǎng)天然鈾（U3O8）價(jià)格曾為7美元/磅，2004年上漲至20美元/磅，到2006年則漲到40～70美元/磅，2007年6月份曾高達(dá)136美元/磅；價(jià)格到達(dá)高點(diǎn)后又快速下滑，目前在50美元/磅左右徘徊。其變化情況見(jiàn)圖1。

面對(duì)核燃料價(jià)格總體迅速的上漲趨勢(shì)，及其短期過(guò)山車(chē)式的振蕩，我國(guó)核電的競(jìng)爭(zhēng)力怎樣才能不受大的影響？核電怎樣保持成本的相對(duì)穩(wěn)定性？這是我們核電業(yè)界不能回避的問(wèn)題。

1 中國(guó)核電競(jìng)爭(zhēng)力概述

近幾年，我國(guó)電力建設(shè)保持高速增長(zhǎng)，每年全國(guó)電力裝機(jī)容量都上一個(gè)新臺(tái)階，截至2009年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到87 407萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)10.23%。其中，水電19 679萬(wàn)千瓦，約占總?cè)萘?3%；火電65 205萬(wàn)千瓦，約占75%；核電908萬(wàn)千瓦，只占1%。具體指標(biāo)如表1所示。

表1 2009年中國(guó)電力基本情況簡(jiǎn)表Table 1 Outline of electric power in China in 2009

我國(guó)核電占總發(fā)電量比值與發(fā)達(dá)國(guó)家相差甚遠(yuǎn)，隨著核能利用技術(shù)的不斷成熟以及核能知識(shí)的普及，核能迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)已確立了“積極發(fā)展核電”的方針，核電發(fā)展?jié)摿薮?。核電的發(fā)展是以其競(jìng)爭(zhēng)力為基礎(chǔ)的，競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)，發(fā)展勢(shì)頭也就越好。

體現(xiàn)一種商品競(jìng)爭(zhēng)力的因素主要有三個(gè)方面，即品牌、質(zhì)量、價(jià)格?，F(xiàn)逐一進(jìn)行分析：

（1）品牌。核電由于其技術(shù)含量高，安全、清潔，在人們心目中印象較好，但由于三哩島和切爾諾貝利核事故的負(fù)面影響，公眾對(duì)核的恐懼揮之不去，使核電的品牌受損。核電和其他電力的安全性對(duì)比類(lèi)似于飛機(jī)和汽車(chē)的對(duì)比，飛機(jī)的安全性應(yīng)該說(shuō)遠(yuǎn)高于汽車(chē)，但人們對(duì)飛機(jī)的擔(dān)心卻高于汽車(chē)。所以要加大核電的宣傳力度，樹(shù)立核電在公眾心目中的形象。隨著20多年來(lái)核電安全穩(wěn)定運(yùn)行業(yè)績(jī)的影響，核電在公眾中的形象逐漸恢復(fù)。當(dāng)然，核電的品牌需要靠我們每一個(gè)核電站來(lái)共同維護(hù)。

（2）質(zhì)量。核電的優(yōu)勢(shì)在于可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，但核電調(diào)峰能力差，難以頻繁調(diào)節(jié)功率水平，所以在市場(chǎng)缺電的情況下，核電的質(zhì)量?jī)?yōu)于火電和水電，市場(chǎng)電力過(guò)剩的情況下，核電的調(diào)峰能力就不如火電和水電。從表1可以清楚地看出這種情況，核電的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電力（也有因煤、電價(jià)格之爭(zhēng)而影響火電利用小時(shí)的情況），在近幾年缺電的環(huán)境下，核電對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

（3）價(jià)格。電力是一種通用商品，廣大群眾都要用，對(duì)價(jià)格漲落非常敏感，而價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)力是以低成本的優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)的，所以成本可以說(shuō)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力起到重要抑或決定性的作用。

2 核燃料循環(huán)成本簡(jiǎn)介

2.1 核燃料循環(huán)概念

核電站核反應(yīng)堆燃料不是一次耗盡的，必須定期地將它從堆內(nèi)卸出、處理（稱(chēng)為后處理）、再富集、再制成燃料元件、裝入堆內(nèi)循環(huán)使用。當(dāng)核電站發(fā)電到一定時(shí)間，由于燃料的消耗，以及運(yùn)行期間產(chǎn)生并積累起來(lái)的裂變產(chǎn)物的毒化效應(yīng)，使后備反應(yīng)性接近消失時(shí)，雖然燃料元件中尚含有相當(dāng)數(shù)量的裂變?nèi)剂希驳冒阉鼜亩褍?nèi)卸出，換入新燃料。卸出的燃料元件稱(chēng)為乏燃料，其中含有大量的易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，如鈾-235和钚-239，包括原先裝入未燃耗的和運(yùn)行周期中在堆內(nèi)轉(zhuǎn)換生成的，均屬價(jià)值貴重的能量資源。需要經(jīng)過(guò)后處理，將裂變產(chǎn)物分離出去，并回收這些易裂變核素和可轉(zhuǎn)換核素，重新制成可用的燃料元件返回反應(yīng)堆中復(fù)用，以構(gòu)成燃料循環(huán)。核燃料循環(huán)的全過(guò)程包括以下步驟：

（1）鈾礦地質(zhì)勘探；

（2）鈾礦石開(kāi)采；

（3）鈾的提取和精制；

（4）鈾的化學(xué)轉(zhuǎn)化；

（5）鈾-235的富集(鈾同位素分離)；

（6）燃料元件制造；

——以上稱(chēng)為燃料循環(huán)前段

（7）堆內(nèi)使用（燃耗）；

（8）乏燃料中間貯存；

——以下稱(chēng)為燃料循環(huán)后段

（9）乏燃料運(yùn)輸；

（10）乏燃料后處理；

（11）放射性廢物的處理和最終處置。

其中，乏燃料后處理工廠是回收鈾、钚資源必不可少的環(huán)節(jié)。

2.2 核燃料鈾钚循環(huán)的三種不同方式

（1）一次通過(guò)方式。美國(guó)出于防止核武器擴(kuò)散的考慮，首先提出核燃料循環(huán)的一次通過(guò)方式，這種不閉合的循環(huán)其實(shí)不成為循環(huán)，它僅利用0.5%的鈾資源，把乏燃料中尚存的鈾-235、钚-239和鈾-238等統(tǒng)統(tǒng)廢棄不用，付諸永久埋存。

（2）鈾復(fù)用方式。

（3）鈾钚復(fù)用方式。

后兩者皆需要對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理，它們屬封閉的燃料循環(huán)，如圖2。

三種循環(huán)方式比較：以低富集鈾輕水堆而言，乏燃料中尚含有約0.8%的235U，其豐度高于天然鈾，如果經(jīng)后處理加以回收，在反應(yīng)堆中復(fù)用，可節(jié)省天然鈾15%～20%。如果再將乏燃料中的钚回收復(fù)用，一次循環(huán)即可節(jié)省天然鈾35%～40%，即把鈾資源的利用率從不到0.6%提高到0.8%以上，多次循環(huán)復(fù)用還會(huì)有所增益，但由于輕水堆中的燃料轉(zhuǎn)換比C遠(yuǎn)小于1，鈾資源利用率的增長(zhǎng)趨緩，大概總共不會(huì)超過(guò)1%。天然鈾重水堆的燃料轉(zhuǎn)換比C較高，在重水堆中復(fù)用钚(重水堆乏燃料中的鈾豐度很低，已不值得復(fù)用)可把鈾資源利用率提高到1%～2%。而最初采用閉合燃料循環(huán)的意圖是在快中子增殖堆中復(fù)用钚，目前來(lái)看快堆可以使核燃料的利用率最大化。

2.3 核燃料循環(huán)成本

核燃料循環(huán)成本可以分解為三個(gè)方面：

（1）核燃料循環(huán)前段成本。包括鈾礦地質(zhì)勘探成本、鈾礦開(kāi)采和選礦成本、鈾礦石加工成本、鈾提取和精制成本、濃縮鈾生產(chǎn)成本、燃料元件制造成本等，這里只簡(jiǎn)單介紹一下濃縮鈾生產(chǎn)成本。天然鈾（100%純度）中含235U大約0.71%，生產(chǎn)1 t濃縮度為3%的低濃縮鈾，大約需要5.5t天然鈾原料。濃縮過(guò)程中剩下4.5 t貧化鈾，其235U豐度下降到0.2%左右，一般無(wú)工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，作為尾料排出儲(chǔ)存。把一定量的鈾濃縮到一定的235U豐度（也叫富集度，指235U的濃度）所需要投入的工作量叫做分離功，表達(dá)為多少千克分離功單位（kg Separation Work Unit,kgSWU）、多少?lài)嵎蛛x功單位（tSWU）或多少百萬(wàn)分離功單位（MSWU）。從天然鈾原料生產(chǎn)1 t 3%的濃縮鈾，大約需要4.3 tSWU。

（2）核燃料的堆內(nèi)使用（燃耗）成本。核燃料的堆內(nèi)使用指核燃料裝入反應(yīng)堆之后，發(fā)生裂變反應(yīng)放出能量發(fā)電，核燃料逐步消耗的過(guò)程。此階段核燃料利用率越高，則核電的成本也就越低；反之，利用率越低，成本越高。從核燃料裝入堆芯發(fā)電開(kāi)始到下一次停堆核燃料卸出堆芯，這一段時(shí)間我們叫一個(gè)換料循環(huán)，核燃料及其后處理的成本需要用這個(gè)循環(huán)發(fā)電的收入來(lái)補(bǔ)償。

（3）核燃料循環(huán)后段成本。包括乏燃料的運(yùn)輸成本和后處理成本。乏燃料運(yùn)輸成本主要為運(yùn)輸容器的成本和車(chē)船運(yùn)費(fèi)，因?yàn)楹税踩珮?biāo)準(zhǔn)要求高，運(yùn)輸容器的價(jià)格很高，由于運(yùn)輸過(guò)程中的高要求，使得運(yùn)輸費(fèi)用也非常高昂。核燃料循環(huán)后段成本主要集中在乏燃料后處理成本，將燃料棒分解，分離鈾、钚等有用資源，需要高端的工藝技術(shù)，投資這一套設(shè)備需幾百億元（經(jīng)濟(jì)規(guī)模廠），運(yùn)行維護(hù)成本也很高昂。

核電站除支付核燃料費(fèi)外，還必須支付乏燃料后處理費(fèi)，是整個(gè)核燃料循環(huán)成本的實(shí)際承擔(dān)者。

3 核燃料循環(huán)成本對(duì)核電競(jìng)爭(zhēng)力的影響

核燃料循環(huán)成本對(duì)核電的成本影響巨大，從某種程度上說(shuō)，決定了核電的競(jìng)爭(zhēng)力。因?yàn)檎麄€(gè)核燃料循環(huán)的成本，最終都是由核電通過(guò)燃料費(fèi)和乏燃料后處理費(fèi)的形式來(lái)承擔(dān)。所以研究核電的成本，必須研究核燃料循環(huán)成本，以期找到降低核電成本的切入點(diǎn)。我國(guó)核電的上網(wǎng)電價(jià)目前在發(fā)達(dá)地區(qū)平均略低于火電，比風(fēng)電的價(jià)格低了很多，同為清潔、環(huán)保的能源，核電的競(jìng)爭(zhēng)力比風(fēng)電等能源要強(qiáng)。但近幾年隨著國(guó)際核電建設(shè)的復(fù)蘇，天然鈾的價(jià)格上漲很快，對(duì)核電的影響很大。秦山核電站經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，總結(jié)分析多年運(yùn)行成本情況，核燃料費(fèi)和乏燃料后處理費(fèi)兩項(xiàng)合計(jì)占總成本的比例不低。如果核燃料價(jià)格繼續(xù)快速增長(zhǎng)，公司將面臨虧損的窘境。如何消除過(guò)高的核燃料價(jià)格給核電帶來(lái)的不利影響，很值得研究，筆者認(rèn)為研究的重點(diǎn)應(yīng)該是整個(gè)核燃料循環(huán)成本。核燃料循環(huán)成本對(duì)我國(guó)核電的競(jìng)爭(zhēng)力和核電長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有很大影響，特別是當(dāng)前核電正處于快速發(fā)展的關(guān)鍵期，這兩項(xiàng)成本的變動(dòng)尤為重要。所以應(yīng)統(tǒng)籌兼顧核電、核燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)，積極降低核燃料循環(huán)成本，保持核電和核燃料產(chǎn)業(yè)的健康、平穩(wěn)發(fā)展。

4 對(duì)策建議

4.1 完善核燃料循環(huán)發(fā)展戰(zhàn)略

依據(jù)我國(guó)核電發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)繼續(xù)完善核燃料循環(huán)配套的發(fā)展戰(zhàn)略。著重從整個(gè)燃料循環(huán)的角度進(jìn)行分析，做經(jīng)濟(jì)效益等利弊分析，考慮對(duì)策，降低整個(gè)燃料循環(huán)成本；并為我國(guó)制定乏燃料后處理政策等提供分析依據(jù)，全面評(píng)價(jià)核電的發(fā)展及其對(duì)國(guó)家的戰(zhàn)略作用。如對(duì)燃料循環(huán)方式（即乏燃料后處理方式）的選擇，影響的因素很多，需考慮政治、經(jīng)濟(jì)、防止核擴(kuò)散和環(huán)境保護(hù)等多方面的問(wèn)題，通過(guò)核燃料循環(huán)戰(zhàn)略的制定，有了定性和定量的分析依據(jù)，可以很好地指導(dǎo)這方面的實(shí)際工作?？梢詤⒖加嘘P(guān)國(guó)家的做法，如美國(guó)能源情報(bào)署（EIA）對(duì)美國(guó)核電從運(yùn)行機(jī)組容量、發(fā)電量角度，分析和預(yù)測(cè)其對(duì)核燃料的需求（包括天然鈾和分離功的需求）、乏燃料的產(chǎn)生數(shù)量等，并制訂了今后20多年的詳細(xì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表格，用以指導(dǎo)其核燃料循環(huán)戰(zhàn)略。

4.2 降低核燃料循環(huán)前段成本

加大投入，爭(zhēng)取在鈾礦地質(zhì)勘探和加工技術(shù)上取得突破。研究找礦新方法，加大找礦力度，相信經(jīng)過(guò)不懈努力，我國(guó)一定會(huì)解決核能發(fā)展的后顧之憂。研究開(kāi)發(fā)或引進(jìn)礦石開(kāi)采、選礦、加工、鈾濃縮等新技術(shù)，如已采用的地浸法采礦、鈾濃縮離心法，這些都是降低成本的有效措施；引進(jìn)消化國(guó)外新技術(shù)，提高元件制造勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)鋯合金包殼等材料的國(guó)產(chǎn)化，積極降低燃料元件制造成本；加強(qiáng)國(guó)際合作，采取“走出去”的戰(zhàn)略，堅(jiān)持兩個(gè)市場(chǎng)，兩種資源的路線，以加大我國(guó)鈾資源的保障能力。

4.3 核電站提升核燃料的利用率

提高核燃料的利用率，即提高燃耗深度，所謂燃耗深度是指單位質(zhì)量核燃料放出的能量。秦山核電站設(shè)計(jì)燃耗深度是24 GW·d/tU，目前通過(guò)提高核燃料富集度、改進(jìn)燃料設(shè)計(jì)和布置等辦法已達(dá)到30 GW·d/tU以上，見(jiàn)表2。

國(guó)際上很多核電站可增加燃耗至40～4 5 GW·d/tU，如法國(guó)阿海琺的AFA3G和美國(guó)西屋公司的Performance+等，目前相關(guān)國(guó)家都在開(kāi)發(fā)燃耗深度能達(dá)到更高值的先進(jìn)燃料組件，這樣可以減少乏燃料的產(chǎn)生量，降低核燃料費(fèi)和乏燃料后處理費(fèi)。我們可以通過(guò)引進(jìn)消化新的核燃料技術(shù)，逐步提高核燃料利用率，降低燃料循環(huán)成本。目前我國(guó)在引進(jìn)西屋公司第三代壓水堆核電站AP1000技術(shù)時(shí)，也引進(jìn)了其先進(jìn)的核燃料技術(shù)，這將促進(jìn)我國(guó)核燃料技術(shù)的提升。當(dāng)然，本階段的核燃料換料策略受核燃料裝載量、電站設(shè)備狀態(tài)、換料周期、電力市場(chǎng)等諸多因素影響，如秦山核電站堆內(nèi)燃料裝載量是121組，每次換1/3；而有的電站則采取1/4換料的策略。最好采用成本模型來(lái)進(jìn)行定量分析，根據(jù)不同的變化因子，在數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行詳細(xì)分析，得出準(zhǔn)確的分析結(jié)果，從而指導(dǎo)實(shí)際工作。

表2 秦山核電站核燃料燃耗情況表Table 2 Nuclear fuel burn-up of Qinshan Nuclear Power Plant

4.4 降低核燃料循環(huán)后段成本

（1）乏燃料的運(yùn)輸。乏燃料運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)需考慮熱工計(jì)算、力學(xué)計(jì)算、臨界計(jì)算和輻射防護(hù)等問(wèn)題，如對(duì)中子的防護(hù)。乏燃料運(yùn)輸容器由于對(duì)其要求特別高，所以造價(jià)也特別高，使得運(yùn)輸成本大大增加。今后應(yīng)該逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸容器的國(guó)產(chǎn)化，降低其運(yùn)輸費(fèi)用。

（2）乏燃料后處理回收。乏燃料回收還是不回收，在經(jīng)濟(jì)上要對(duì)回收情況下發(fā)生的后處理費(fèi)用，加上裂變產(chǎn)物玻璃固化和儲(chǔ)存費(fèi)用，減去由于復(fù)用鈾、钚而節(jié)省的天然鈾和分離功開(kāi)支，和不回收情況下發(fā)生的乏燃料封裝和無(wú)限期安全儲(chǔ)存（其體積為回收情況下的3～7倍）的費(fèi)用，兩者進(jìn)行比較。據(jù)一項(xiàng)估計(jì)，在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，當(dāng)天然鈾價(jià)格高于$90/kg時(shí)，以后處理回收為合算。2007年鈾價(jià)飛漲，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目標(biāo)價(jià)，目前價(jià)格基本在目標(biāo)價(jià)附近。當(dāng)然，這還需要根據(jù)我國(guó)的具體情況進(jìn)行具體分析。

乏燃料具有放射性強(qiáng)、毒性大、存在臨界事故的危險(xiǎn)等特點(diǎn)，所以后處理工廠不同于一般的化工廠，有其獨(dú)特性。后處理廠的工藝設(shè)備被包在很厚的屏蔽墻里面，須借助于遠(yuǎn)距離和自動(dòng)化方法進(jìn)行操作、控制和監(jiān)測(cè)，對(duì)工作人員要采取周密的輻射防護(hù)措施。往往一般化工廠中很簡(jiǎn)單的操作，在后處理廠中卻變得異常復(fù)雜。后處理廠需要特別重視系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性、密封性和維修條件，需要采用耐腐蝕和抗晶間腐蝕的不銹鋼材料、長(zhǎng)壽命的軸承和密封件，并需提高維修質(zhì)量，以確保連續(xù)安全生產(chǎn)。后處理廠的基建費(fèi)用很高，但工廠規(guī)模越大，比投資就越低，它大約與日處理重金屬量的平方根成正比。通常是一座后處理廠配合多個(gè)核電廠，如果后處理廠建成后得不到充分的定貨，經(jīng)濟(jì)損失會(huì)很大，所以需使后處理廠建設(shè)的規(guī)模和進(jìn)度同核電發(fā)展規(guī)劃或市場(chǎng)預(yù)測(cè)相適應(yīng)。應(yīng)該制定合理可行的乏燃料后處理政策，研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)，設(shè)備制造國(guó)產(chǎn)化，降低后處理設(shè)備的投資和運(yùn)行成本。及早啟動(dòng)我國(guó)后處理工作，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，條件成熟時(shí)盡快進(jìn)行后處理。從利用MOX（混合）燃料開(kāi)始，其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃則應(yīng)該和快中子增殖堆的推廣一并考慮，以提高乏燃料的利用率，降低乏燃料后處理成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)電力建設(shè)的快速推進(jìn)，以及電力體制改革的不斷深化，發(fā)電企業(yè)將面臨越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，這種壓力同樣會(huì)傳遞到核電企業(yè)。只有統(tǒng)籌考慮整個(gè)核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)，才能有效降低整個(gè)核燃料循環(huán)成本，提高核電的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也能保證核燃料產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)步發(fā)展。

[1] 全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)新聞信息.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)網(wǎng)站.

[2] 曹學(xué)武,編. 核燃料循環(huán).上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院.

[3] 微亮，譯. 劉軍韜,校.核電成本如何降低[J]. 國(guó)際核工程，英國(guó)，2000.4.