核电站燃料管理及换料模式经济性分析

毛瑞

摘 要 对核电站燃料管理及换料模式经济性进行分析，分别介绍不同换料模式的特性及优缺点，通过燃料成本、大修费用、天然铀市场价格、上网电量以及乏燃料处理费用等几个方面对四分之一换料模式与十八月换料模式的经济性进行分析。在核电站受到电网负荷、市场环境、大修安排等影响下，合理选择并搭配不同的的换料模式能取得更好的经济性。

关键词 燃料管理；换料模式；经济性分析；1/4换料；18个月换料

一、前 言

核电站的换料模式是燃料管理的重要组成部分，它直接关系到核电站安全水平和运行的经济性，不同的换料模式会影响大修安排、上网电量和核燃料成本，由于国际市场上天然铀采购价格波动对发电成本的影响十分显著，通过对不同的换料模式进行对比分析，可以根据电站的实际情况选择最经济的换料模式。

在选择换料模式时除浓缩铀的市场价格因素外，还需要综合考虑核电站的设备检修周期及大修安排、电力市场的特点、电网的电力需求，各电站因根据具体情况并综合协调各方面的因素，选择最适合且经济可行的换料模式。

二、换料模式的特性和优缺点

1.18个月换料模式

大亚湾核电站18个月换料使用AFA 3G组件，装载4.45%富集度浓缩铀，并且使用长短循环结合的方式每次更换68-72个组件，即很好的满足了循环长度，又使3年总的装料组件组件数从1/3换料模式的156组减少为140组[1]。

18个月换料模式能有效减少大修次数，延长发电时间，提高负荷因子，增加发电量及收入，与此同时还能减少大修成本、减少工作人员的放射性辐射剂量、降低放射性废物产生量并较少后处理费，因此18个月换料模式有较高的经济性。

2.1/4换料模式

岭澳核电站1/4换料模式，采用全M5 AFA 3G燃料组件，使用4.2%富集度浓缩铀，使得燃料组件的燃耗深度进一步提高，并且使达到相同循环长度所需要的燃料组件数量减少到40组，较年度1/3换料每次更换52组相比，每年可以节省燃料组件约12组，大幅度地降低核燃料循环的费用[2]。

1/4换料模式机组的能力因子不高，发电时间较短，发电量较低，但较少的组件更换数量及较高的燃耗深度可以大幅降低燃料成本，低泄漏装料降低反应堆压力容器快中子注量，有利于延长反应堆压力容器寿命，同时可以电网季节性用电的波动及减载需求安排大修。

3.年度 1/3换料和24个月换料

年度1/3换料模式与1/4换料模式相比发电量并不能提高，但更换的组件数量显著高于1/4换料模式且燃耗深度较低，在技术上和经济上均达不到先进燃料管理的水平，正逐渐被1/4换料模式或18个月换料模式所取代。

24个月换料在国内电站中尚未实施过，美国核电站实施24个月换料后业绩并不理想，原因在与24个月换料模式经济性主要通过提高年发电量来实现，但燃料成本也显著提高。由于电网负荷及节假日减载的影响，24个月换料模式并不能持续满功率运行，同时长周期运行会使设备可靠性降低，一旦设备故障或减载时间过长，将使其经济性受较大影响。

三、经济性分析

年度1/3换料模式较1/4换料模式、18个月换料模式在经济性上有较大差距，本次主要针对年度1/4换料和18个月换料两种换料模式展开经济分析。核燃料成本，主要取决于更换组件的数量及燃料采购成本，其中天然铀价格变化较大，对核燃料成本有显著影响，而分离功、组件制造的价格相对稳定。

大修成本，由于18个月换料减少了大修次数，因此对经济性有一定影响。 上网电量，主要受机组状态、大修天数、减载天数影响，决定收入多少，对经济性有直接影响。日常运维成本、乏燃料成本、电价等基本不受换料模式影响，经济分析中暂不考虑。

1.燃料成本比较

根据大亚湾、岭澳核电站近几年统计数据，1/4换料模式和18个月换料模式的主要参数对比如下：

以天然铀单价30-140美元/磅、汇率6.5计算压水堆核电站两台机组每年平均燃料成本如下表，由此可以看出随着天然铀价格的上涨，18个月换料模式较1/4换料模式每年消耗成本逐步增加，因此在天然铀价格越高的情况下，18个月换料模式需要发更多的电才能弥补成本的增加。

2.大修成本及上网电量的比较

大修成本受检修及改造项目的不同，会有较大变化，同时大修天数决定人工成本，一般情况下18个月换料比1/4换料的大修时间长，因此单次大修成本也会有增加。假设1/4换料模式下每次大修成本1.2亿元人民币，18月换料模式下每次大修成本1.5亿元，大修天数、减载天数、机组功率等参数假设如下表所示，大修成本与上网电量差异如下：

3.经济性比较

不同换料模式的经济性主要比较发电收入减去燃料成本和大修成本后的净收益，根据表3中假设的数据分析，18个月换料模式比1/4换料多发电3.3亿，折算成收入为3.3亿*0.33元/度（不含增值税，并扣除乏燃料处置金0.026元/度）=1.09亿人民币；大修成本节省0.4亿人民币，合计增加利润1.49亿人民币。

（1）上网电量不受限制情况下

在基于上述假设的大修成本、换料组件数，上网电量等参数下，当燃料成本约为130美元/磅时，多发电收益和大修成本节省金额1.49亿元与核燃料成本多1.48亿元基本持平，此时18个月换料模式与1/4换料模式经济性基本相当；当燃料价格大于130美元/磅时，1/4换料模式更具有经济性；反之，燃料价格低于130美元/磅时，18个月换料模式更具有经济性。

（2）上网电量受限制情况下

当上网电量被限制在1/4换料模式下最大发电量时，如本次测算中141.6亿度时，18个月换料模式均不如1/4换料模式经济。

各核电站所处的市场环境均不相同，在选择换料模式时，核电站应根据机组状态、市场环境等情况，测算出不同换料模式下的大修成本（D1＼D2）及上网电量（A1＼A2），然后根据天然铀价格计算出相应的燃料成本（C1＼C2），最终比较净收益F1与F2的大小，选择相应的换料模式。

年度1/4换料减少了换料燃料组件数量，节省燃料成本；而18个月换料提高了机组的能力因子，增加年度上网电量，增加售电收入。因此，如果天然铀价格上扬，导致多耗用的燃料成本大于发电收入及大修节省成本之和，经济性就不如1/4换料，相反情况下，经济性比1/4换料模式好。如果能提高上网电量或电价，或者能节省的大修成本越多，则18个月换料的经济性就越好。

四、群堆模式下的换料模式选择及分析

18个月换料和年度1/4换料都是成熟的技术，有着广泛的运行经验，其中18个月换料更具有优势，主要表现在换料周期长、提高了机组的能力因子，增加年度上网电量，增加售电收入。群堆电厂4台或6台机组均采用18个月换料模式，则会出现部分机组在夏季用电高峰时进行大修的情况，而在冬季用电低谷时又被迫减载运行，导致上网电量达不到预期而大大影响经济效益[4]。

从上述分析看，对于群堆模式的核电站，部分机组选择18个月换料模式，其他机组采用1/4换料能更好的应对市场环境，一方面增加大修安排的灵活性，尽可能避开夏季用电高峰进行大修及大修重叠；另一方面在需要机组减载时，发挥1/4换料模式节省燃料的特点，降低燃料成本的浪费。

五、综合结论

目前的换料模式中18个月换料和年度1/4换料是比较先进的燃料管理方案，均是成熟的技术，而1/3换料模式正在被逐步替代。在核电站设计阶段确定换料模式是最经济的选择，对于在运核电站如果需要而改变原有的换料模式，则需要额外支出换料设计费。

在选择换料模式时，不仅要从天然铀价格、大修安排及成本等经济性进行分析和测算，还需要结合核电站所在地理位置及电力市场环境，结合18个月换料和年度1/4换料的优缺点，充分利用各换料模式的优点，实现最佳的经济效益。

参考文献：

[1]大亚湾核电站18个月换料燃料管理研究，《核动力工程》第23卷-第5期

[2]岭澳核电站1/4换料燃料管理方案研究，《核科学与工程》第32卷-第1期

[3]岭澳核电站先进燃料管理策略研究，《核动力工程》第26卷-第6期

[4]岭澳核电站先进燃料管理策略研究，《核动力工程》第26卷-第6期