封闭燃料循环中MOX燃料的经济评价

摘要

混合氧化物（MOX）燃料是未来先进反应器最重要的燃料之一。在加压水反应器（PWR）等热反应器中或在快速反应器（FR）中是柔韧的。本文比较了燃料成本的两种方法。涉及两个功能。（1）基于实际PWW发电厂的现实运行和典型的快速饲养反应器设计，研究了电力（COE）的成本。（2）建立了新的经济分析模型，考虑到除燃料循环过程中的传统成本外，贴现折扣率和再加工钚的收入。还分析了COE对变化参数的敏感性。结果表明，在封闭的燃料循环中，在FBR中施加MOX燃料的燃料成本比当前操作和燃料循环水平下的PWR低约25％。

1.介绍

随着核工业的快速发展，闭式燃料循环越来越受到人们的青睐。许多国家已经实施或决定实施这一战略。特别是在中国，核能在过去几年中迅速发展。展望未来，2020年核电装机容量将达到75千兆瓦以上。需要大量的天然铀。当前资源利用效率低，承受较大压力。封闭燃料循环策略成为必要的选择。

混合氧化物（MOX）燃料的制造，应用和再处理是封闭燃料循环中的关键技术之一。通过使用再加工的钚，铀的利用效率，被定义为铀消耗二核以每千瓦时的电力生产，显着增加。先前的研究表明，在热反应器中利用MOX燃料可以将利用效率提高20％-30％[1]。如果在快速反应器（FRS）中应用，效率可以增加20次[2]。从1996年开始，欧洲联盟（欧盟）国家在热反应器中使用了超过104吨钚，并节省了约10％的铀[3.]。到目前为止，已经用Mox燃料装满了几个快速反应堆，并证明是可行的[4.]。

在中国，封闭的燃料循环战略和再生钚的重用已由政府确定。然而，重用钚的方法仍然需要进一步考虑，特别是对于核电站的投资者来说。必须认真考虑成本。它有时会主导决定。对于核电站，摩泽燃料可用于热和快速反应器。因此，在使用不同反应器中使用MOX燃料的同时分析成本的组成是有用的，并且除了技术之外，可以从经济学的角度提出更好的决定，等等。

自年前以前，对燃料循环的经济分析得到了重视。1991年，西屋应用了最低收入要求方法，以分析开放和封闭燃料循环的经济学[5.]。欧文和omberg比较了加压水反应堆（PWR）和Fr的经济学。他们指出，建筑成本和燃料成本是两个主要部分[6.]。2003年，Bunn和Fetter研究了考虑MOX燃料的开式和闭式燃料循环的经济性，其中对经济性参数的可靠性进行了专门评估[7.]。

在这项研究中，考虑到除了经济参数之外，研究了使用PWR和FBR中使用MOX燃料的燃料成本。电气设备的操作由反应堆核心分析码模拟。分析了当前或不久的情况的比较。还预测了成本的敏感性。结果表明，摩泽燃料加载的电力（FCoE）的燃料成本高于FBR中的25％。但情况会随着燃烧和折扣率而变化。

2.评价方法

2.1。反应堆核心仿真方法

要模拟PWR与负载MOX燃料的操作，代码包Casmo / simulate [8.那9.]根据如图所示的计算流程图进行应用1．对于快堆模拟，使用了代码包PIJ/CITATIONBN。这是一个自行开发的快速反应堆分析代码，也是基于如图所示的计算流程图1．

2．2．经济分析方法

为避免反应堆的差异困惑，通过从燃料循环的每千瓦时电力生产成本评价的电力（FCoE）的燃料成本应用于分析。在封闭的燃料循环中的重金属（包括铀和钚）的质量流动在图中示出2．在两个主要方面产生重新循环钚之间的差异。即使在装载钚后，压水堆中的燃料仍然由MOX燃料和必需的UO组成₂燃料。因此，成本从两种燃料贡献。在快br中繁殖的钚有进一步使用的价值。FBR的原料来自两个来源，即压水堆乏燃料的回收钚和在FBR中繁殖的钚。

现金流如图所示3.描述了MOX燃料在燃料循环中的主要成本。水平轴表示时间轴，条形图的大小表示与下标流程相关的名义成本。如图所示，横轴上的数值表示成本，横轴下的数值表示收益。在这里,时间，燃料被消耗用于产生电力，被任命为参考时间。- - --分别为压水堆和快堆中的变量。那那和原始铀的成本，UF的化学转化_6.，分居的工作和丰富的过程，和Uo₂燃料组件制造分别。那那和是相对于这些成本的次数．那那和是重新加工uo的成本₂燃料组件，处理高水平废物（HLW），耗尽铀（来自丰富过程中的尾部）采购，以及MOX燃料组件制造那那和， 分别。当燃料准备好时，它们将装入反应器中。和作为MOX燃料和UO的临时储存和处置的总成本₂分别卸货后的燃料。对于快中子增殖反应堆，需要注意的是增殖产生的钚作为收益。为快堆燃料层排放后燃料总成本。

发电厂的成本包括基本建设成本、燃料成本、年成本等。本研究只关注燃料成本。

对于PWR，由于装载分数的限制，应该在一起两种燃料，即UO₂燃料和MOX燃料。成本公式为: 在哪里反应堆堆芯中MOX燃料的功率分数是多少是电厂的热效率（）。和是MOX燃料和UO的成本₂燃料分别。承载充电因子，(通常小于1.0)，说明了在一段时间内支付处置费用的电力收入在(2），，是排放燃烧。然后， 在哪里表示贴现率。

UO的成本₂根据上述材料流动和现金流量获得燃料和摩泽燃料。它们表示如下： 在哪里-表示与压水堆有关的变量。那那那,表示与图中相同的变量3.．上标表示在这些过程中包括物质和资本损失在内的损失。

对于快速育种反应器，还有两种类型的燃料组件。由MOX燃料制成的种子组件产生用于产生电力的大部分能量。毯子组件仅含有耗尽铀，品种钚，较少的电力生产。因此，燃料成本的组成是 在哪里那,是种子组装，轴向毯子和径向毯子中的成本。它们根据材料和现金流确定，如下所示： 在哪里-表示与FBR相关的变量。

在快中子增殖反应堆中，增殖释放的钚是非常重要的，可以进一步用于其他快中子反应堆。它被认为是潜在的收入。利益的表述如下(4.）。是再生钚育种的收入。代表质量。

此外，还有一个特别的问题需要注意，钚在被制造到新的燃料组件之前应该储存一段时间。然而，安全保存经过再处理的钚是昂贵的。应该包括额外的费用。

3.装有MOX燃料的压水堆和快堆的模拟

3.1。PWR与MOX燃料负载的性能

在仿真中选择M310型PWR以进行常见安装。但是，由于钚的变化，反应器芯中的MOX燃料分数不应超过30％[1]。

在原来的反应堆核心，只有UO₂装载燃料组件。MOX燃料组件通过批次进口批次。MOX燃料中的钚再处理当前的PWR废燃料。组合物如表中给出1．

加油方案如图所示4.．采用低泄漏的进出加油方案。经过5次加油后，得到了新的平衡循环。在堆芯中总共装载了48个MOX燃料组件。这一比例为30%，与欧盟的压水堆发电厂常见的情况相似[3.]。平衡循环中的反应器性能如表所示2．它表明，在这种反应堆核心设计中，加载MOX燃料与传统UO相比，核心性能不会带来显着变化₂- fueled pwr。

3.2。用MOX燃料的FBR性能负载

选择bn600型快堆作为其成功运行经验的依据[10]。MOX燃料中钚的组成与PWR中的一个相同，但重量百分比较高，高达22.05％。

在开发快速反应器时有两种选择，一种称为饲养反应器，另一个称为燃烧器反应器。在这项研究中，只有在燃烧器的经济学不是如此有意义的情况下，植物反应器仅进行了研究。从这一点来看，核心设计从当前的BN600的改进。添加径向毯子以增强育种，并使转换比大于1.0。装载模式如图所示5.，主要基于原始设计，但是四个毯子组件的套圈布置在驾驶员外面。加载了总共474种种子组件和336个毯子组件。

设计了外汇加油方案。数字5.还显示了加油方案。在每种加油过程中，加载了120个新的种子组件和66个毯子组件。在4批加油后，种子组件完全更新，毯子组件在5批加油后更新。

通过使用PIJ /引用模拟反应器性能。10批次加油后，可以获得平衡循环。参数如表中获得3.．平均燃耗达到105.19 GWd/tHM。每个循环的钚消耗量为0.6吨，转换比大于1.0。这与快中子增殖反应堆的一般堆芯性能是一致的。

基于模拟，物质平衡可以通过以下经济分析得到。此外，放电参数也是分析FCOE所必需的。由于压水堆和快堆堆芯的所有性能都没有偏离当前UO的传统条件₂在使用MOX燃料的反应堆中，不应考虑因装载MOX燃料而进一步操作反应堆。

4.经济分析

4.1。当前水平分析

燃料循环过程中的价格是最重要的经济参数。这项研究中使用的价格引用自该网站http://www.uxc.com和文献[6.]。表格4.总结数据，及其参考变更间隔进行敏感性分析。

根据M310型PWR和BN600样快速育种反应器的模拟，基于如图所示的质量流量的质量平衡2决心，决意，决定。结果如图所示6.，其中在FBR周期中省略了用于使耗尽铀的预处理以简化。

对于用MOX燃料（高达30％）装载的PWR，所需的钚的量等于来自三个PWR的再加工质量。在这种情况下，铀资源可以节省超过10％。如果使用当前预留的PWR废燃料，则分数将增加到超过30％。

MOX燃料的最终价格达到每公斤22720美元（$ / kghm），比当前UO之一高出大约8.5倍₂燃料。数字7.说明价格构成。与UO不同，后处理成本占燃料成本的主导地位₂燃料，其主要部分是原始铀和浓缩过程的成本。

压水堆的最终FCOE是2。43¢/千瓦时。数字8.说明了组成。对于压水堆，燃料循环的主要成本是后处理产生的成本。FBR的FCOE是1.83¢/ kWh;它甚至低于PWR中的那个。它是从毯子繁殖的钚的收入贡献。在这里，收入占最终FCOE的55％（4.10 ¢/kwh)，即2.27¢/千瓦时。数字9.说明了不包括收入的组成。

本文研究了一种典型的增殖反应堆设计。不考虑像ABR这样的快反应堆的收入[11]（由Argonne National实验室设计的先进的燃烧器反应器），成本将显着增加。它将是PWR之一的两倍。然而，考虑到收入，FCoE比载有30％摩泽燃料的PWR低25％。

4.2。敏感性分析

在经济分析中，由于因素复杂，参数的不确定性是非常重要的。敏感性分析是必要的。本研究将弹性系数定义为:

在燃料循环中的成本中，重新处理成本占PWR或FBR中的最大比例。数字10显示了FCOE相对于后处理成本的变化。随着后处理成本的增加，线性增加。基于(6.)，弹性系数分别为0.64和0.72。也就是说，如果再处理成本增加1%，PWR FCOE增加0.64%，FBR FCOE增加0.72%，即PWR FCOE增加0.016美分，FBR FCOE增加0.013美分。

反应堆的实际设计和运行对成本也有很大影响。对于FCOE，压水堆和快堆的弹性系数均为−0.99。这意味着燃耗增加1%，FCOE减少约0.99%，这对压水堆具有较大的吸引力，因为其现值FCOE较高。数字11分别对压水堆和快堆燃耗时FCOE的变化进行了分析。给出了参考成本，分别为快堆和压水堆的当前FCOE值。结果表明，如果压水堆燃耗增加到62 GWd/tHM，即使考虑到钚的收益，其FCOE也将小于现有的FBR。另一方面，如果快堆燃耗不能达到本研究设计的值，快堆的FCOE将会增加。如果该值低于80gwd /tHM，则压水堆的FCOE值会更低，即使考虑到钚的收益也是如此。

折现率对FBR非常重要，因为再处理钚的收益对FCOE有很大的影响。不幸的是，钚不能立即应用。钚要小心储存，因为它很贵。由于时间滞后的影响，成本会增加。快堆的弹性系数为0.73，是压水堆的10倍。如果贴现率大于8%，则快堆的FCOE大于压水堆的FCOE。

此外，原来的铀成本被认为对PWR敏感，因为大多数燃料仍然是UO₂燃料。然而，分析表明，由于原始铀的当前价格，弹性系数仅为0.081。这个因素变得微不足道。

结论

在本研究中，分析了闭合燃料循环中的MOX燃料经济学。考虑到应用MOX燃料的两种选择，分别研究了PWR和FBR的成本。FCoE用作评估参数。为了找到有价值的结论，使用反应堆核心分析代码模拟典型PWR和FBR的操作。建立经济分析模型，考虑到封闭式燃料循环中的所有组件，特别是在时间滞后的后处理钚和资本损失的收入。

基于平衡循环中的反应器参数获得PWR和FBR的FCOE。对于PWR，FCoE是2.43 ¢/ kWh，以及FBR，FCoE是4.10 ¢/千瓦时。如果考虑了从繁殖中进行后处理的钚的价值，则成本将减少到1.83 ¢/ kWh，甚至低于PWR之一。结果对再加工成本敏感。CCoE随着PWR和FBR中的再加工成本的增加而线性增加，其中PWR的FCOE保持更大。此外，FCoE敏感地改变了燃烧和折扣率。随着PWR燃烧的增加或FBR中的燃烧减少，即使在考虑到繁殖的收入之后，PWR的FCoE也会比FBR更小。如果折扣率很大，则培育钚的价值将减少。此外，PWR的FCOE将较小。

虽然它只是构造和操作发电厂的整体成本的一部分，但FCOE是日常运营中最重要的影响因素之一。该研究提供了对不同局部燃料加载反应器中的FCOE的比较。分析未来闭合燃料循环中利用MOX燃料的效果将是有用的。

承认

本文在中国国家自然科学基金的财政支持下部分进行（批准的第11105104）。

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