核電站燃料管理及換料模式經濟性分析

毛瑞

摘 要 對核電站燃料管理及換料模式經濟性進行分析，分別介紹不同換料模式的特性及優缺點，通過燃料成本、大修費用、天然鈾市場價格、上網電量以及乏燃料處理費用等幾個方面對四分之一換料模式與十八月換料模式的經濟性進行分析。在核電站受到電網負荷、市場環境、大修安排等影響下，合理選擇并搭配不同的的換料模式能取得更好的經濟性。

關鍵詞 燃料管理；換料模式；經濟性分析；1/4換料；18個月換料

一、前 言

核電站的換料模式是燃料管理的重要組成部分，它直接關系到核電站安全水平和運行的經濟性，不同的換料模式會影響大修安排、上網電量和核燃料成本，由于國際市場上天然鈾采購價格波動對發電成本的影響十分顯著，通過對不同的換料模式進行對比分析，可以根據電站的實際情況選擇最經濟的換料模式。

在選擇換料模式時除濃縮鈾的市場價格因素外，還需要綜合考慮核電站的設備檢修周期及大修安排、電力市場的特點、電網的電力需求，各電站因根據具體情況并綜合協調各方面的因素，選擇最適合且經濟可行的換料模式。

二、換料模式的特性和優缺點

1.18個月換料模式

大亞灣核電站18個月換料使用AFA 3G組件，裝載4.45%富集度濃縮鈾，并且使用長短循環結合的方式每次更換68-72個組件，即很好的滿足了循環長度，又使3年總的裝料組件組件數從1/3換料模式的156組減少為140組[1]。

18個月換料模式能有效減少大修次數，延長發電時間，提高負荷因子，增加發電量及收入，與此同時還能減少大修成本、減少工作人員的放射性輻射劑量、降低放射性廢物產生量并較少后處理費，因此18個月換料模式有較高的經濟性。

2.1/4換料模式

嶺澳核電站1/4換料模式，采用全M5 AFA 3G燃料組件，使用4.2%富集度濃縮鈾，使得燃料組件的燃耗深度進一步提高，并且使達到相同循環長度所需要的燃料組件數量減少到40組，較年度1/3換料每次更換52組相比，每年可以節省燃料組件約12組，大幅度地降低核燃料循環的費用[2]。

1/4換料模式機組的能力因子不高，發電時間較短，發電量較低，但較少的組件更換數量及較高的燃耗深度可以大幅降低燃料成本，低泄漏裝料降低反應堆壓力容器快中子注量，有利于延長反應堆壓力容器壽命，同時可以電網季節性用電的波動及減載需求安排大修。

3.年度 1/3換料和24個月換料

年度1/3換料模式與1/4換料模式相比發電量并不能提高，但更換的組件數量顯著高于1/4換料模式且燃耗深度較低，在技術上和經濟上均達不到先進燃料管理的水平，正逐漸被1/4換料模式或18個月換料模式所取代。

24個月換料在國內電站中尚未實施過，美國核電站實施24個月換料后業績并不理想，原因在與24個月換料模式經濟性主要通過提高年發電量來實現，但燃料成本也顯著提高。由于電網負荷及節假日減載的影響，24個月換料模式并不能持續滿功率運行，同時長周期運行會使設備可靠性降低，一旦設備故障或減載時間過長，將使其經濟性受較大影響。

三、經濟性分析

年度1/3換料模式較1/4換料模式、18個月換料模式在經濟性上有較大差距，本次主要針對年度1/4換料和18個月換料兩種換料模式展開經濟分析。核燃料成本，主要取決于更換組件的數量及燃料采購成本，其中天然鈾價格變化較大，對核燃料成本有顯著影響，而分離功、組件制造的價格相對穩定。

大修成本，由于18個月換料減少了大修次數，因此對經濟性有一定影響。 上網電量，主要受機組狀態、大修天數、減載天數影響，決定收入多少，對經濟性有直接影響。日常運維成本、乏燃料成本、電價等基本不受換料模式影響，經濟分析中暫不考慮。

1.燃料成本比較

根據大亞灣、嶺澳核電站近幾年統計數據，1/4換料模式和18個月換料模式的主要參數對比如下：

以天然鈾單價30-140美元/磅、匯率6.5計算壓水堆核電站兩臺機組每年平均燃料成本如下表，由此可以看出隨著天然鈾價格的上漲，18個月換料模式較1/4換料模式每年消耗成本逐步增加，因此在天然鈾價格越高的情況下，18個月換料模式需要發更多的電才能彌補成本的增加。

2.大修成本及上網電量的比較

大修成本受檢修及改造項目的不同，會有較大變化，同時大修天數決定人工成本，一般情況下18個月換料比1/4換料的大修時間長，因此單次大修成本也會有增加。假設1/4換料模式下每次大修成本1.2億元人民幣，18月換料模式下每次大修成本1.5億元，大修天數、減載天數、機組功率等參數假設如下表所示，大修成本與上網電量差異如下：

3.經濟性比較

不同換料模式的經濟性主要比較發電收入減去燃料成本和大修成本后的凈收益，根據表3中假設的數據分析，18個月換料模式比1/4換料多發電3.3億，折算成收入為3.3億*0.33元/度（不含增值稅，并扣除乏燃料處置金0.026元/度）=1.09億人民幣；大修成本節省0.4億人民幣，合計增加利潤1.49億人民幣。

（1）上網電量不受限制情況下

在基于上述假設的大修成本、換料組件數，上網電量等參數下，當燃料成本約為130美元/磅時，多發電收益和大修成本節省金額1.49億元與核燃料成本多1.48億元基本持平，此時18個月換料模式與1/4換料模式經濟性基本相當；當燃料價格大于130美元/磅時，1/4換料模式更具有經濟性；反之，燃料價格低于130美元/磅時，18個月換料模式更具有經濟性。

（2）上網電量受限制情況下

當上網電量被限制在1/4換料模式下最大發電量時，如本次測算中141.6億度時，18個月換料模式均不如1/4換料模式經濟。

各核電站所處的市場環境均不相同，在選擇換料模式時，核電站應根據機組狀態、市場環境等情況，測算出不同換料模式下的大修成本（D1＼D2）及上網電量（A1＼A2），然后根據天然鈾價格計算出相應的燃料成本（C1＼C2），最終比較凈收益F1與F2的大小，選擇相應的換料模式。

年度1/4換料減少了換料燃料組件數量，節省燃料成本；而18個月換料提高了機組的能力因子，增加年度上網電量，增加售電收入。因此，如果天然鈾價格上揚，導致多耗用的燃料成本大于發電收入及大修節省成本之和，經濟性就不如1/4換料，相反情況下，經濟性比1/4換料模式好。如果能提高上網電量或電價，或者能節省的大修成本越多，則18個月換料的經濟性就越好。

四、群堆模式下的換料模式選擇及分析

18個月換料和年度1/4換料都是成熟的技術，有著廣泛的運行經驗，其中18個月換料更具有優勢，主要表現在換料周期長、提高了機組的能力因子，增加年度上網電量，增加售電收入。群堆電廠4臺或6臺機組均采用18個月換料模式，則會出現部分機組在夏季用電高峰時進行大修的情況，而在冬季用電低谷時又被迫減載運行，導致上網電量達不到預期而大大影響經濟效益[4]。

從上述分析看，對于群堆模式的核電站，部分機組選擇18個月換料模式，其他機組采用1/4換料能更好的應對市場環境，一方面增加大修安排的靈活性，盡可能避開夏季用電高峰進行大修及大修重疊；另一方面在需要機組減載時，發揮1/4換料模式節省燃料的特點，降低燃料成本的浪費。

五、綜合結論

目前的換料模式中18個月換料和年度1/4換料是比較先進的燃料管理方案，均是成熟的技術，而1/3換料模式正在被逐步替代。在核電站設計階段確定換料模式是最經濟的選擇，對于在運核電站如果需要而改變原有的換料模式，則需要額外支出換料設計費。

在選擇換料模式時，不僅要從天然鈾價格、大修安排及成本等經濟性進行分析和測算，還需要結合核電站所在地理位置及電力市場環境，結合18個月換料和年度1/4換料的優缺點，充分利用各換料模式的優點，實現最佳的經濟效益。

參考文獻：

[1]大亞灣核電站18個月換料燃料管理研究，《核動力工程》第23卷-第5期

[2]嶺澳核電站1/4換料燃料管理方案研究，《核科學與工程》第32卷-第1期

[3]嶺澳核電站先進燃料管理策略研究，《核動力工程》第26卷-第6期

[4]嶺澳核電站先進燃料管理策略研究，《核動力工程》第26卷-第6期