薄美芳，張 弘

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

目前增殖快堆在世界范圍內(nèi)正處于向商業(yè)化推進(jìn)的階段，很多國(guó)家正積極開展快堆的研究及設(shè)計(jì)工作，從目前的研究結(jié)果看，快堆是四代堆中最接近商業(yè)推廣的堆型之一，因此研究商用快堆的經(jīng)濟(jì)性尤為重要。商用快堆的造價(jià)分析在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，本文采用自上而下的思路，基于快堆與壓水堆的設(shè)計(jì)差異分析研究后得出快堆造價(jià)的分析方法。本文研究意義在于，在尚無(wú)詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案及大宗材料量的條件下，針對(duì)商用快堆的造價(jià)進(jìn)行了定量研究分析，得出了結(jié)論，并對(duì)我國(guó)快堆的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)研究提出了建議，即盡快開展適合快堆的費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)及定額體系的研究工作，并加快消化吸收國(guó)際上對(duì)于四代堆技術(shù)經(jīng)濟(jì)的最新成果，研究與國(guó)內(nèi)的差異，爭(zhēng)取早日完成技術(shù)經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的本地化建設(shè)。

1 快堆概況

按照冷卻劑劃分，快堆種類有鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)，其中鈉冷快堆是四代堆型中最接近商用推廣的堆型。國(guó)際上已有快堆投入運(yùn)行，我國(guó)已建成中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR),熱功率65 MW，電功率20 MW，采用堆本體池式結(jié)構(gòu)及鈉-鈉-水三回路傳熱系統(tǒng)，于2014年12月8日達(dá)到滿功率運(yùn)行，按照我國(guó)核能發(fā)展“熱堆、快堆、聚變堆”三步走發(fā)展戰(zhàn)略，快堆是重要的一環(huán)。

2 商用增殖快堆核電廠造價(jià)分析

2.1 前提條件

2.1.1 基本思路

不同于實(shí)驗(yàn)堆、示范堆，對(duì)于商用增殖快堆核電廠而言，經(jīng)濟(jì)性是國(guó)家(投資者)決定是否大批量建造及運(yùn)營(yíng)的最重要決策因素之一，這是本文重點(diǎn)討論商用快堆經(jīng)濟(jì)性的原因。

在當(dāng)前條件下，采用造價(jià)指標(biāo)自下而上估算商用快堆的造價(jià)是非常困難的，因?yàn)樽罱欢螘r(shí)期內(nèi)，世界上已經(jīng)建成的增殖快堆核電廠中，目前為止還基本沒(méi)有一座完全意義上的商用快堆，尚無(wú)符合自下而上深度的設(shè)備及大宗材料量。所以，分析商用快堆的經(jīng)濟(jì)性，主要基于一個(gè)相對(duì)的評(píng)價(jià)，即從商用快堆與壓水堆核電廠的差異入手，重點(diǎn)分析引起二者造價(jià)差異大的方面，如核電廠重要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)(主設(shè)備、DCS系統(tǒng))等。

2.1.2 基本假設(shè)：對(duì)比機(jī)型選擇

目前世界上發(fā)展的快堆中以MOX為燃料、不銹鋼為包殼、鈉為冷卻劑的占多數(shù)，原理都相似。因此本文對(duì)堆結(jié)構(gòu)池式、鈉冷、MOX燃料的商用增殖快堆進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

提到壓水堆，首先，壓水堆自身的造價(jià)也在不斷變化，設(shè)計(jì)深度、設(shè)備供應(yīng)鏈、核電廠執(zhí)照申請(qǐng)過(guò)程中的不確定都可能導(dǎo)致核電廠的建造過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)及造價(jià)提高。其次，我國(guó)目前建造或運(yùn)營(yíng)的壓水堆種類較多，每個(gè)機(jī)型單位造價(jià)也不盡相同。第三，大型壓水堆與模塊化小型壓水堆的發(fā)電容量、設(shè)備設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性差異較大，因此必然無(wú)法與所有的壓水堆核電機(jī)型進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比，本文選擇國(guó)內(nèi)建設(shè)的某一壓水堆作為對(duì)比核電廠。

綜合上述，選擇2臺(tái)相同規(guī)模的1 100 MW級(jí)的池式、鈉冷、MOX燃料設(shè)計(jì)的商用快堆與壓水堆進(jìn)行對(duì)比分析，單臺(tái)機(jī)組額定電功率均為1 100 MW，核電廠建設(shè)地點(diǎn)均按國(guó)內(nèi)沿海廠址考慮。不同快堆或壓水堆內(nèi)設(shè)計(jì)機(jī)型差異對(duì)于核電廠造價(jià)差異的影響較大，考慮本文的研究目的主要為方法研究，暫不考慮此方面引起的造價(jià)差異。

2.2 商用快堆造價(jià)分析

2.2.1 工藝設(shè)計(jì)對(duì)比

引起造價(jià)差異最根本的原因是快堆的工藝設(shè)計(jì)，見表1?？於讯研竟β拭芏雀撸仨氂脤?dǎo)熱性高的流體(如液態(tài)鈉)冷卻。一回路流經(jīng)堆芯的冷卻劑鈉屬于高放射性鈉(24Na)，為了將高放鈉與水蒸汽回路隔離開，增加了第二個(gè)回路，即一共三個(gè)回路。相對(duì)于壓水堆，高放射性鈉回路相當(dāng)于壓水堆的一回路，三回路相當(dāng)于壓水堆的二回路，快堆多了的二回路，包括中間熱交換器(IHX)及相關(guān)的管道及閥門引起的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用、安裝工程費(fèi)用，因設(shè)備及輔助設(shè)施數(shù)量增加導(dǎo)致的建筑體積增加從而引起建筑工程費(fèi)用等的增加，都會(huì)導(dǎo)致其造價(jià)增加。

表1 兩種堆型主要工藝參數(shù)表

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)為兩種堆型的大約范圍，實(shí)際核電廠設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)有所不同。

2.2.2 商用快堆重要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用分析

對(duì)比核電廠中，重要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用占工程費(fèi)用約30%，占設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用約50%，是整個(gè)核電廠固定投資中重要的組成部分，見表2。重要設(shè)備在全世界符合要求的設(shè)備制造廠數(shù)量都非常有限，設(shè)備制造壟斷現(xiàn)象非常明顯，設(shè)備造價(jià)昂貴，因此是本文造價(jià)分析中重點(diǎn)分析的部分。

表2 對(duì)比電廠工程費(fèi)用組成表

注：核電項(xiàng)目因廠址特殊差異可能引起工程費(fèi)用的比例會(huì)有不同。

從設(shè)計(jì)方案對(duì)比：首先，快堆的鈉池比壓水堆的壓力容器更加復(fù)雜。雖然壓水堆的壓力容器需要承受主回路的高壓，設(shè)計(jì)的比較厚，快堆主回路的工作壓力基本與大氣壓相當(dāng)，但是由于一回路主設(shè)備布置在鈉池中，鈉池及頂蓋均尺寸較大，鈉池內(nèi)的設(shè)備及鈉池本身都懸掛在頂蓋下，意味著增加了施工難度及成本，為了防止鈉與空氣接觸燃燒，增加了裝料和換料、控制棒密封等的難度。鈉池及頂蓋重量非常大，不可能完全在工廠完成安裝，需要現(xiàn)場(chǎng)有一定的現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作，因此必須有一個(gè)拼裝場(chǎng)地或工廠，也會(huì)增加造價(jià)?？紤]鈉池單臺(tái)設(shè)備比對(duì)比核電廠壓力容器造價(jià)增加50%。

其次，壓水堆的設(shè)計(jì)及運(yùn)行壓力非常高，主管道需要厚度大來(lái)承受高溫高壓，快堆一回路設(shè)計(jì)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓水堆，但設(shè)計(jì)溫度高，同時(shí)由于多了的二回路導(dǎo)致增加了鈉回路主管道的長(zhǎng)度，因此主管道考慮費(fèi)用比對(duì)比核電廠增加一倍。多了的二回路同樣要考慮增加的中間熱交換器(IHX)的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用?？於岩换芈吩O(shè)備需要承受高的溫度及輻照強(qiáng)度，同時(shí)要考慮鈉介質(zhì)帶來(lái)的難度，蒸發(fā)器及主泵考慮單臺(tái)費(fèi)用增加10%。快堆后備反應(yīng)性小，與熱中子不同，快堆控制棒數(shù)量極少，只有十幾根，因此堆內(nèi)構(gòu)件及控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求難度相對(duì)較小，考慮費(fèi)用增加5%。對(duì)于DCS數(shù)字化儀控系統(tǒng)，引起造價(jià)變化的重要因素為I/O點(diǎn)數(shù)，依據(jù)目前掌握的初步資料，快堆的I/O點(diǎn)數(shù)約為相同規(guī)模壓水堆的1.5倍多，考慮本因素對(duì)費(fèi)用的影響權(quán)重以及對(duì)比核電廠的實(shí)際招投標(biāo)情況，造價(jià)暫按壓水堆的1.4倍考慮。

另一方面，快堆三回路設(shè)計(jì)、運(yùn)行溫度遠(yuǎn)高于壓水堆，可以使用標(biāo)準(zhǔn)燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，在高加低加的蒸汽再熱的環(huán)節(jié)均不需要特殊設(shè)計(jì)及制造要求，對(duì)汽水分離器、再加熱器都無(wú)特殊要求。而壓水堆的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度低得多，需要特殊設(shè)計(jì)的大型尺寸的核電用的半速汽輪發(fā)電機(jī)，半速汽輪機(jī)尺寸大，重量重，更容易受到設(shè)備廠制約，造價(jià)要比同功率的全速汽輪機(jī)高60%左右。因此常規(guī)島的汽輪發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)的配套設(shè)備更加簡(jiǎn)化，造價(jià)降低，整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組按降低30%考慮。

綜上所述，相同規(guī)模的快堆核島的主設(shè)備更加復(fù)雜或數(shù)量更多，造價(jià)更高，而汽輪機(jī)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，常規(guī)島的主設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)更低，考慮部分設(shè)備完全不同后，綜合以上因素后目標(biāo)核電廠主要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用的單位估算結(jié)果約為對(duì)比核電廠的1.25倍，詳細(xì)對(duì)比關(guān)系見表3。

表3 主要設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用對(duì)比表

注：主設(shè)備因市場(chǎng)因素對(duì)設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用的影響暫不考慮。

2.2.3 商用快堆造價(jià)分析

裝換料設(shè)備：不同于壓水堆的硼水，快堆的冷卻介質(zhì)為液態(tài)鈉，每次換料前需要對(duì)設(shè)備及部件進(jìn)行鈉清洗，單次操作的換料量只有一根(壓水堆可以通過(guò)吊籃單次換料多根)，換料操作需要遠(yuǎn)距離進(jìn)行，堆容器鈉冷卻介質(zhì)相對(duì)于水介質(zhì)的不透明性質(zhì)，同時(shí)燃料保存水池設(shè)有蓋板，工作人員需要在蓋板上工作，以上均增加了快堆換料的復(fù)雜度與難度，考慮以上因素，裝換料相關(guān)設(shè)備按壓水堆翻倍考慮。

專設(shè)安全設(shè)施：快堆由于其固有安全性，簡(jiǎn)化了專設(shè)安全設(shè)施，設(shè)置了堆頂防護(hù)罩、事故余熱排放系統(tǒng)、反應(yīng)堆容器超壓保護(hù)系統(tǒng)， 壓水堆所用的高壓安注、低壓安注、安全殼噴淋系統(tǒng)、輔助給水等安全系統(tǒng)均得到了簡(jiǎn)化，此部分設(shè)備考慮為壓水堆的60%。

輔助及附屬系統(tǒng)：從前文的分析中可以看出，快堆由于使用不同的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，回路更多，重要設(shè)備數(shù)量更多、而且更加復(fù)雜，需要配套復(fù)雜的輔助及附屬系統(tǒng)。同時(shí)，鈉冷卻劑對(duì)于核級(jí)鈉的供應(yīng)、儲(chǔ)存、清潔、加熱以及監(jiān)測(cè)也提出了更特殊、更復(fù)雜的要求。因此輔助系統(tǒng)費(fèi)用按壓水堆的1.6倍考慮。

廢物處理系統(tǒng)：快堆減少了高放廢物的體積，而且可以嬗變高放廢物，廢物處理系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，按壓水堆的70%考慮。

鈉火消防系統(tǒng)：鈉火危害非常大，快堆需要配備鈉火探測(cè)系統(tǒng)以及能動(dòng)、非能動(dòng)的鈉火消防系統(tǒng)，消防系統(tǒng)費(fèi)用增加幅度較大。

核島、常規(guī)島建筑工程按照建筑體積以及相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮；核島、常規(guī)島安裝工程費(fèi)用依據(jù)設(shè)備費(fèi)差異及相應(yīng)工程量進(jìn)行調(diào)整；廠址相關(guān)費(fèi)用及BOP工程費(fèi)用按國(guó)內(nèi)一般沿海廠址考慮。工程其他費(fèi)用按照參考文獻(xiàn)[1]中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)算，基本預(yù)備費(fèi)、價(jià)差預(yù)備費(fèi)按照目前核電廠一般做法。

通過(guò)以上對(duì)比分析及測(cè)算，2臺(tái)電功率1 100 MW的商用快堆的基礎(chǔ)價(jià)單位投資約為14 500元/kW，比目前國(guó)內(nèi)商業(yè)壓水堆核電機(jī)組的基礎(chǔ)價(jià)單位投資高約8%。由于建成價(jià)單位投資受核電項(xiàng)目的融資方案影響或決定，因此本文未對(duì)后續(xù)固定價(jià)單位投資、建成價(jià)單位投資及項(xiàng)目計(jì)劃總資金進(jìn)行測(cè)算。

3 小結(jié)與展望

3.1 小結(jié)

經(jīng)估算，對(duì)于成熟商用快堆，基礎(chǔ)價(jià)單位投資比對(duì)比核電廠高約8%?？梢灶A(yù)見，隨著全世界范圍內(nèi)越來(lái)越多的快堆的建造，重要設(shè)備設(shè)計(jì)及制造的標(biāo)準(zhǔn)化水平的提高，核島主設(shè)備造成的投資增加將會(huì)逐漸減少并被快堆高溫高功率、低壓設(shè)計(jì)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)所補(bǔ)償，在不久的將來(lái)，商業(yè)快堆將具備一定的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

需要說(shuō)明的是，本文采用了差異分析的估算方法對(duì)商業(yè)快堆的造價(jià)進(jìn)行了估算，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的描述與成熟商業(yè)快堆的實(shí)際工程設(shè)計(jì)會(huì)存在偏差，相應(yīng)地，將會(huì)對(duì)造價(jià)造成影響，因此文內(nèi)的費(fèi)用研究分析存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本文的目的在分析研究不具備自下而上的估算方法時(shí)，商業(yè)快堆的造價(jià)研究方法，對(duì)于不同壓水堆機(jī)型差異導(dǎo)致的單位千瓦造價(jià)差異暫未考慮，因此當(dāng)對(duì)比核電廠機(jī)型不同時(shí)與對(duì)比核電廠的造價(jià)差異可能有所不同。

3.2 展望

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)快堆堆型合適的費(fèi)用性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系，后續(xù)在快堆項(xiàng)目的費(fèi)用編制過(guò)程中應(yīng)依據(jù)堆型的設(shè)計(jì)及采購(gòu)特點(diǎn)積極總結(jié)，以現(xiàn)有的基于壓水堆核電廠的能標(biāo)規(guī)定為基礎(chǔ)，分析快堆堆型的特殊性及差異，進(jìn)一步提出反饋，完成適合的費(fèi)用性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究、編制工作。

由于目前的核電定額是基于之前的二代加改進(jìn)型機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行編制的，快堆堆型的獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案以及施工方案難以找到合適的定額子目，或者合適的調(diào)整方案；另一方面，核工業(yè)定額體系處于正在調(diào)整及修訂的過(guò)程中，部分內(nèi)容存在一些待修改的地方，也需要持續(xù)改進(jìn)。

此外，國(guó)際上已經(jīng)開展了四代堆的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面的研究工作，并已有導(dǎo)則等指導(dǎo)性文件，為了加快國(guó)內(nèi)四代堆技術(shù)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的研究及頒布，要加快消化吸收國(guó)際上對(duì)于四代堆的估算思路，研究與國(guó)內(nèi)的差異，盡快推進(jìn)適應(yīng)我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的本土化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究分析工作。

因此建議在商用快堆的造價(jià)研究過(guò)程中，同時(shí)加快四代堆技術(shù)經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的消化吸收工作，推進(jìn)適合本機(jī)型的費(fèi)用性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系及定額體系的研究工作，爭(zhēng)取與造價(jià)研究分析同步。