提升燃料富集度对模块化小堆成本的研究

1、引言

小型模块化反应堆（SMR）凭借厂址适应性强、建设周期短、投资风险低等优势，成为核电领域重点发展方向。据行业统计，截至 2024 年，全球已有 50 余个 SMR 项目处于研发或示范阶段，涵盖多种技术路线。在 SMR 全生命周期成本构成里，燃料成本占比达 30%40% ，是影响其经济性的关键因素。

燃料富集度是决定核燃料使用效率的关键指标，也是决定堆芯燃耗水平和换料周期的重要因素， HALEU(高富集度低浓缩铀)可通过提高燃料的能量密度及中子学性质来实现更高的运行周期。鉴于 SMR 具有独特的技术特点及实际工程情况，结合本文对SMR 费用效益的影响研究发现提高燃料富集度使得成本增加较少且实施途径较为简单，提出提高燃料富集度为解决 SMR 经济性的切实可行的措施。

2、SMR 换料周期与燃料富集度现状

换料周期与燃料富集度密切相关，NuScale 作为早期 SMR 项目，燃料富集度小于5% ，此时燃料的换料周期较短，约 2 年；新一代 SMR 例如俄 KLT-40S、美 mPower等实现燃料方案设计优化改进，使燃料富集度从 5% 提高到 15%-19.75% 。随着燃料富集度增加，大多数换料周期长达 3 年以上。个别项目换料周期可达到 4.5 年。换料周期的增长能大大减少停堆换料次数，减少堆芯运维工作量，有利于 SMR 的运行与成本控制。

3、提升燃料富集度降低成本的分析

3.1 核燃料循环成本计算框架

燃料循环总成本拆解为铀采购、转换、浓缩、制造及乏燃料贮存五个核心环节，各环节成本计算方法如下：

3.1.1 铀采购成本

铀采购成本要综合考虑到天然铀原料需求、加工损耗和市场价格的变化，其计算公式为：

式中：

Mf 为天然铀原料需求量）；a 为 kgU 转换为 lb U₃O₈ 的系数；l2 为铀转换环节损耗率；l4 为燃料制造环节损耗率；P1 为 U₃O₈ 市场单价；s1 为铀价年浮动率；t-tb为采购与燃料装料的时间差。

3.1.2 浓缩成本

浓缩成本与分离功单位（SWU）直接相关，分离功反映将天然铀浓缩至目标富集度所需的能量与工艺成本，计算公式为：

式中：

S 为分离功（SWU）；P3 为浓缩服务单价； s3 为浓缩成本年浮动率。

3.1.3 总成本计算

燃料循环总成本需考虑资金时间价值，采用贴现率将各环节成本折算至基准年，公式为：

式中：F2 为转换成本，F4 为燃料制造成本，F5 为乏燃料贮存成本；r 为行业基准贴现率；

3.2 富集度提升的成本效益分析

以美国 mPowerSMR 为例，在 5% 和 15% 燃料富集度下的经济性比较，其中堆芯功率 180MW、堆芯装填量 50MTU、堆芯寿命 6 年（换料周期分别为 2 年、4.5 年）、计算周期均为 6 年。

当采用 15% 富集度进行铀采购、转换和浓缩时的成本要高于 5% 富集度，但是采取少换料策略后，使燃料制造、乏燃料贮存和换料运行维护成本显著下降，最终使得总的燃料运行费用降低约 37%_⨀ 。

3.3 关键成本敏感性分析

结合工程实际情况考虑工程中可能出现的市场波动和技术变革情况，选择铀价和浓缩成本两个重要参数，对其对各种富集度方案的影响做进一步探究。

1.铀价波动影响：当铀价从 40 美元/lb 上涨到 80 美元/lb 时， 5% 富集度方案的总成本提高了约 31% ，而 15% 富集度方案的总成本上涨了 28% ，因为长换料周期降低铀采购频次、降低市场价波动性，工程的抗风险能力得到了加强。

2.浓缩成本波动影响：若浓缩成本由每 SWU100 美元涨到 150 美元，那么富集度为 15% 的方案比富集度为 5% 的方案的总费用提高的多(前者约提高了 20% ，而后者只提高了 18% )。对于这种情况下富集度 15% 方案的前景来说，显然它是比富集度 5% 方案对浓缩成本更加敏感的，这就需要通过与浓缩厂签订长期合同、批量购买原材料等工程手段来锁定浓缩成本。

4、提升燃料富集度面临的工程挑战

4.1 技术挑战

提高燃料富集度的三大技术难点分别为：反应性控制难，堆芯初始富集度提高导致堆芯初少量增加，需配置反应性更高的控制棒和可燃毒物；材料瓶颈难，高富集度下堆芯功率密度提高造成燃料包壳所承受的中子通量、温度更高，在目前锆合金包壳服役寿命达到 60000MWD/MTU 以上，发生明显腐蚀增殖的情况下，需要开发出耐辐照性能更强的包壳；乏燃料处理难，高富集度乏燃料 Pu-239 含量更多，所以需要重点关注裂变气体释放率，并逐步开展干法后处理技术研究。

4.2 监管挑战

提高燃料富集度带来的监管难题一方面是指核不扩散风险控制问题。国际上一般将富集度限定在 20% 以下。因此需要通过国际合作和多边方式，建立健全统一的燃料监督管理体制，确保燃料从生产、运输、使用全寿期的可追踪性。另一方面则是标准体系的缺乏。当前的标准体系缺乏对高富集度燃料的详细要求。需要结合高富集度燃料的具体情况进行分析评价并有针对性地制定出相关 SMR 高富集度燃料的相关监管要求。

5、应对策略与建议

技术研发方向，为突破提升燃料富集度的技术瓶颈，研究及开发主要应放在燃料组件改进、先进反应性控制和乏燃料后处理三个方面。

政策与产业建议，针对高富集度燃料的 SMR 工程化应用需要从政策和产业两方面提出三项措施：第一，积极倡导国际合作，成立跨国燃料国际联盟，将 SMR 燃料富集度上限、燃料监管规则等升格成国际约定；第二，在国内强化高富集度燃料相关的技术研发资助力度，例如资助一些技术发展较好的或属先进发展方向的技术项目，支持先进包壳材料和干法后处理技术的研发等；第三，打造产业协同平台，促成涉核企业与浓缩厂之间形成长期稳定的合作关系，为两者签定固定价格的浓缩服务合同，以锁定浓缩成本，规避由于铀价、浓缩费用等导致经济性的不可控风险。

6、结论

提高燃料富集度可以大幅降低燃料成本，例如 mPower,在燃料富集度由 5%提高到15% 后，6 年总的燃料成本降低了约 37% ，其中主要收益来源于换料周期延长后所带来的制造、运行和维修成本节约。需要突破的技术难点在于：要解决高富集度堆芯反应性控制问题及材料承压问题；需要建立与完善具有世界先进水平的国际核不扩散机制；需要出台相应的产业协同政策来降低浓缩铀的成本，从而降低燃料成本。

参考文献

[1] 谢仲生。压水堆核电厂堆芯燃料管理计算及优化 [M]. 原子能出版社，2001.

[2] 肖岷。压水堆核电站燃料管理燃料制造与燃料运行 [M]. 原子能出版社，2009.

[3] 赵宏刚，李建刚，张平。核燃料循环经济性分析浅述 [J]. 科技创新导报，2024,21 (15): 123-125.

[4] 周洋，陈静，杨波。基于全生命周期的核燃料循环经济性评价 [J]. 能源技术经济，2023, 35 (5): 29-34.

作者简介：曹广玉出生年月：1986.10 性别：男籍贯具体到省市：山东省德州市民族：汉族职称：工程师学历：本科学位：学士研究方向（与工作相关）：核能供热与石化耦合相关技术管理工作