日本乏燃料管理系統(tǒng)分析：(I) - 圖文-

1、 對材料平衡和貯存需要的預測Koji NAGAN(電力工業(yè)中央研究院(CRIEPI社會經(jīng)濟學研究中心前言介紹了用“SFTRACE”(乏燃料貯存、運輸和成本評價系統(tǒng)分析日本未來乏燃料的累積及適當?shù)墓芾響?zhàn)略,該系統(tǒng)包括3個子模型:(1乏燃料貯存技術的經(jīng)濟成本數(shù)據(jù)庫;(2反應堆混合氧化物和钚利用的遠期效果模擬;(3對乏燃料管理戰(zhàn)略的具體模擬。遠期效果模擬展示了在某個時間點應該解決全日本多少乏燃料庫存的宏觀概況。初步計算表明,到2050年在日本需要貯存的乏燃料將有很大變化從減少到零或持續(xù)增加達到2000025000 tHM。乏燃料管理模擬的子模型是論證日本處理乏燃料累積戰(zhàn)略的工具,這些乏燃料在假設的時

2、間范圍內(nèi)存放在每個核電廠場址上或許多中心設施中,并需要運輸。一個示例性分析示出了乏燃料管理戰(zhàn)略涉及因素之間的平衡關系,例如“離堆(AFR”貯存能力和全面運輸要求,生動地證明了一體化分析工具的用處。關鍵詞:乏燃料,在堆貯存,離堆貯存,材料平衡,模擬1引言核電廠經(jīng)過數(shù)年的運行,不斷增加的由乏燃料引起的壓力在日本受到了極大關注,目的是讓那些核電廠在不造成電廠內(nèi)貯存池超出貯存能力的情況下繼續(xù)運行。為管理與整個系統(tǒng)有關的風險,需要有戰(zhàn)略規(guī)劃及戰(zhàn)略分析工具,而認真避免貯存池可能超出貯存能力,從而保持核能在國家能源系統(tǒng)中的可操作性。在描述了日本乏燃料的現(xiàn)狀和遠景之后,本文首先將乏燃料管理規(guī)劃的分析方法分類。

3、從有限地理范圍內(nèi)(例如一個電廠或一個電力公司的微觀衡算到全國范圍的宏觀戰(zhàn)略模擬,潛在的用戶會注意到這樣的事實,即對方法的選擇會嚴格依據(jù)具體的目的。然后本文作者根據(jù)日本國情提出一個乏燃料管理的一體化分析工具。在接下來的一節(jié)中解釋了模型結構之后,列出了示例的數(shù)字結果。2日本乏燃料的現(xiàn)狀和遠景表1示出了截至2001年3月日本所有核電廠乏燃料累積的現(xiàn)狀,并附帶2000年9月之后6個月內(nèi)的變化。日本目前的核電狀況是:53個機組,總裝機容量為45.9 GWe(見圖12,每年卸出約900 tU乏燃料。產(chǎn)生的這些乏燃料主要存儲在核電機組場址的乏燃料池中。由于乏燃料存儲量已接近乏燃料池的容量,一些核電廠被迫增加

4、存儲能力,以避免乏1燃料池的存儲量超出貯存能力。1997年在東京電力公司的福島I核電廠建成了一個容量為1120 tU池式貯存設施,以及一個干式金屬屏蔽容器貯存設施。這些設施示于圖22。按照此方針,在日本原子能公司(JAPCO的東海2核電廠建造了容量為260 tU(24個屏蔽容器干式金屬罐貯存設施,見圖32。其它幾個電廠通過重新安裝貯存架,也增加了貯存能力,在表1中列出了一些。很明顯提高現(xiàn)有反應堆現(xiàn)場(AR貯存設施能力的機會幾乎沒有了,這就明確暗示迫切需要采取離堆(AFR貯存措施。2000年11月青森縣陸奧市宣布,邀請東京電力公司在其地域內(nèi)進行AFR貯存設施的場址調(diào)查。因為場址的特性調(diào)查早已開始

5、,希望該倡議能為其它電力公司打開通往此方向之路。表1 日本核電廠中貯存的乏燃料(tHM截至2001年3月電力公司核電廠堆芯裝料每批燃料貯存的乏燃料貯存能力北海道泊100 30 250(+10 420 東北女川160 40 200(+10 370東京福島-1福島-2柏崎刈羽5805209601501402501140(+401280(+301470(+100210013601890中部濱岡420 110 730(+10 860 北陸志賀60 20 50(+20 100關西美濱高濱大飯16029036050100120280850(+60740(+7030011001370(+530a中國島根17

6、0 40 340(+70 440 四國伊方170 60 330 980(+450b九州玄海川內(nèi)27014010050420580(+101060900(+200c日本原子能發(fā)電公司敦賀東海-21401304030440(+10220870260總計4630 1330 9290(+380 14380(+1190*括號中的變化是2000年9月以后的。a 3號和4號機組重新安裝貯存架b 3號機組重新安裝貯存架c 1號和2號機組重新安裝貯存架乏燃料管理的遠景,即對額外貯存設施的需求,在很大程度上受下列因素影響:(1目前正在青森縣六個所村建造的設計生產(chǎn)能力為800 tU/a的日本核燃料有限公司(JNFL

7、后處理廠,何時開始運營以及生產(chǎn)能力能達到多少。(2預計從2010年開始的機組退役后一次全堆芯卸料,而電廠內(nèi)貯存池在退役的某個階段也將拆除。即使六個所后處理廠能夠成功以設計能力運營,它也不能每年接收日本核電廠的全部2卸料,以及過去的卸料。政府的官方觀點示于圖4和表2。那些基本假設,尤其是后處理廠的進度表已經(jīng)過時了,因為JNFL的六個所后處理廠已經(jīng)重新制定了進度表,計劃在2005年7月開始運營。此實例清楚地說明了根據(jù)上面提到的因素的變化重做預測的重要性。表2 乏燃料管理的官方期望(tHM(來源:國家資源和能源機構“關于乏燃料中間貯存”,199919972010 20112020累積乏燃料(a 15

8、200 16000 運往JNFL/六個所后處理廠的乏燃料(b 5900 8000 運往海外后處理廠的乏燃料(c 70 -AR貯存能力(d5300 4200 AFR貯存的要求(a-b-c-d 3900 3800 累積AFR要求3900 7700 從長遠方面說,明顯需要大規(guī)模貯存設施。尤其是在2010以后,那時一些老的商用輕水堆電廠可能要退役。隨后一系列輕水堆電廠要關閉,這就意味著將會出現(xiàn)一方面是大量一次性乏燃料卸出而與此同時損失了現(xiàn)場的貯存能力。3 方法學和模型結構3.1 預測乏燃料平衡和貯存需求的方法學圖5 示出了在分析乏燃料管理戰(zhàn)略時應該考慮的因素。在一個國家將乏燃料直接處置作為國家政策的情

9、況下,圖5中的“后處理設施”應該換成“地質(zhì)處置庫”。即使在直接處置的情況下,下面意見也適用。涉及的設施數(shù)將依據(jù)分析的具體范圍或地理邊界而定,反映出分析的目的。乏燃料平衡計算有如下3種方法:(1為每個電廠和/或電力公司衡算微觀衡算著重于根據(jù)已有的貯存能力計算每年乏燃料卸料的累積量。如果預期要超出貯存能力,那么要在場址內(nèi)(即AR貯存規(guī)劃增加貯存能力。無疑,所有核電廠和/或電力公司都必須用該方法描繪一個最合理的場景,必要時設計一個應急控制場景。(2遠期模擬宏觀計算覆蓋較大的地理范圍,適用于一個擁有多個核電廠的電力公司、一個有多個電力公司的地區(qū)或國家。該計算基本上是根據(jù)第一種方法微觀計算的所有相關結果

10、的總和,在合適的情況下,可以選擇乏燃料在各電廠之間和/或電力公司之間轉(zhuǎn)運。依據(jù)下面總戰(zhàn)略的選擇設定幾個場景:是選擇在每個場址的單個AR貯存裝置,還是選擇集中貯存設施(即AFR貯存設施,控制超出貯存能力,還是允許在各場址間轉(zhuǎn)運等。如果不久就會有足夠的管理乏燃料的貯存和裝卸能力,用該方法可以解釋一種管理戰(zhàn)略,與此同時可以用經(jīng)濟指標和其它性能指標判斷哪一個戰(zhàn)略最理想。34 堆型 運行中 建造中 建造籌備中PWR BWR GCR,FBR 運行中 建造中 計劃中 總計總裝機容量 機組數(shù) GWe 機組數(shù)GWe 機組數(shù)GWe 機組數(shù)GWe 1991年9月 41 32 11 12 3 2 55 36 1996

11、年12月 51 43 4 3 2 2 57 48 2002年1月53 45.9 4 4.12 6 7.24 63 57.26敦賀 普賢 文殊 美濱 大飯 高濱卷東通女川福島I 福島II 東海東京濱岡 島根上關 柏崎刈羽大間泊志賀玄海川內(nèi)伊方六個所核燃料循環(huán)設施圖1 截至2002年1月日本的核電廠情況(注:東海-1核電廠已于1998年3月31日關閉(a 池式貯存(b 金屬屏蔽容器貯存圖2 在福島核電廠的AR 貯存裝置5(3遠期最優(yōu)化如果有钚再循環(huán)方案,乏燃料管理場景就可能要復雜得多,因為钚再循環(huán)在不同時間會產(chǎn)生不同的乏燃料(UO 2和MOX 。這種方法的目的是根據(jù)钚再循環(huán)要達到的程度、要建造的乏

12、燃料后處理設施貯存能力的大小以及整體乏燃料管理戰(zhàn)略構想,來最優(yōu)化核能生產(chǎn)及利用的整體國家戰(zhàn)略。很明顯,重點應放在國家反應堆混合戰(zhàn)略上,帶乏燃料管理的燃料循環(huán)戰(zhàn)略作為協(xié)調(diào)方式的核心。該模型不僅包括核能生產(chǎn)部分,還結合了整個能源系統(tǒng)模型,這樣,就計算出了核能生產(chǎn)的最佳水平。遠期最優(yōu)化技術的例子可見于本文作者開發(fā)的FCOM (燃料循環(huán)最優(yōu)化模型應用中,3,4更詳盡的細節(jié)可見一體化能源環(huán)境預測框架LDNE21模型(21世紀線性動態(tài)新地球模型。5 圖3 截至2001年在東海-2核電廠建造中的 干式金屬罐貯存設施 圖4 對乏燃料產(chǎn)生量和管理的預測(來源:通產(chǎn)省 5001995 2000 2005 2010

13、JNFL 后處理廠PNC 東海設施海外后處理量假定:財政年度1995 2000 2010 核電生產(chǎn)能力(GWe4150 4500 7000 乏燃料年卸出量 9001300 tU/aPNC 東海后處理廠 1996年底接收乏燃料 JNFL 后處理廠 1997年開始接收乏燃料。2003年以800 tU/a 的生產(chǎn)能力開始運營。表3 成本數(shù)據(jù)庫結構 3.2模型結構本文作者開發(fā)的此模型命名為SFTRACE6(乏燃料貯存、運輸和成本評價系統(tǒng),它主要建立在上一節(jié)描述的遠期模擬方法上。圖6是對該框架的概述。SFTRACE有3個子模67型: 貯存成本數(shù)據(jù)庫 遠期反應堆混合模擬 乏燃料管理戰(zhàn)略的模擬 3.3 貯存

14、成本數(shù)據(jù)庫乏燃料貯存的成本數(shù)據(jù)庫包括水池、金屬屏蔽容器和混凝土屏蔽容器技術方案各成本項以及相關運輸成本的一整套數(shù)據(jù)。在該數(shù)據(jù)庫中還補充了根據(jù)具體的重要變量各項成本變化因素。例如,建造成本用貯存能力的函數(shù)表示,反映了經(jīng)濟規(guī)模的大小。表3顯示了該數(shù)據(jù)庫的各項。3.4 遠期反應堆混合模擬子模型在該子模型建立之初有一套核電(或是輕水堆(LWR和/或其它類型的反應堆總生產(chǎn)能力的假定。該子模型的主要特點是具有計算材料平衡的能力,不僅能計算與動力堆運行有關的所有輸入和輸出材料,還能確定钚使用的合適水平。在乏燃料后處理設施(假定了運行時間表,相應的同位素組成產(chǎn)生相應量的钚。該模型計算了再循環(huán)程度,使得在某個再

15、循環(huán)時間段內(nèi)要消耗掉所有钚。所以卸出的乏燃料組成將隨钚再循環(huán)程度而變。 乏燃料流圖5 在乏燃料管理戰(zhàn)略分析中要考慮的因素8圖6 SFTRACE 的子模型結構3.5 乏燃料管理戰(zhàn)略子模型模擬整個框架的主要特點涉及包括所有相關設施的整個系統(tǒng),即核電廠、已經(jīng)計劃或已經(jīng)建成的AR 和/或AFR 貯存設施、后處理設施,以及兩個地點之間的運輸活動。正如在圖7中詳細說明的,子模型根據(jù)不同的目的以tHM 或組件的形式,跟蹤所有乏燃料的目前位置、運往另一個地點的運輸,以及“消失”在后處理設施中。連同每個核電廠貯存能力的信息,可以確定超出貯存能力的各種風險,換言之就是確定對貯存的要求,然后子模型允許在核電廠(AR

16、 貯存或者作為集中方式的另一個地點(AFR 貯存建造新的貯存設施。 圖7 乏燃料管理戰(zhàn)略模擬子模型的示意圖核電廠AB AFR后處理廠備注:AR/AFR 可以是池式、金屬屏蔽容器、混凝土屏蔽容器系統(tǒng)4解釋性說明模擬結果4.1钚在輕水堆中的利用及其在乏燃料管理中的含意圖8顯示了遠期反應堆混合模擬。主要假定如下:根據(jù)核電廠裝機容量的基礎是現(xiàn)在所有設計為40年壽期的發(fā)電能力、所有在建和計劃建造的裝機容量,國家政策指出,在2010年新建核電裝機容量將達到70 GWe,目的是達到“京都”目標。在此之后還要建造更多的核電廠,以補償因電廠退役而減少的容量,減少的部分將由自退役開始16年后新增加的1350 MW

17、e機組所替代。由于過去的建造活動不規(guī)范,該替代原則將使發(fā)電容量在20302040年期間暫時增加,如圖8所示。 UO2乏燃料用下列兩種方式中的任一種進行后處理情況O:優(yōu)先后處理燃耗較低(平均為33000 MWd/tU并已冷卻了較長時間的老的燃料。由于钚含量較少,這種情況產(chǎn)生的钚將會比另一種情況產(chǎn)生的少。情況N:優(yōu)先后處理燃耗較高(平均為45000 MWd/tU,1990年以后裝的料并已冷卻了5年以上但短于其它情況的新的燃料。從20052050年以800 tHM/a生產(chǎn)能力提供后處理業(yè)務。僅后處理UO2乏燃料。所有回收的钚作為與UO2燃料完全兼容的MOX燃料在輕水堆中再循環(huán)。表4 從遠期反應堆混合

18、模擬計算得出在2050年對乏燃料管理的要求(tHM模擬情況低燃耗乏燃料,UO2乏燃料高燃耗乏燃料,UO2乏燃料MOX乏燃料要管理的總量(AAR總貯存能力(B對新貯存玻璃需求(C=A-B2020年開始運營的第二個后處理廠對貯存需要的范圍O 03900010000N 700030000-O+2Rep 0 21000 1300034000 N+2Rep 0 23000 110002400027000 7000100008000025000對每種預測情況的假定:情況O:沒有第二個后處理廠。第一個后處理廠優(yōu)先接收原有的乏燃料。情況N:沒有第二個后處理廠。第一個后處理廠優(yōu)先接收較新的的乏燃料(較高燃耗。情

19、況O+2Rep:第二個后處理廠2030年開始運營。不后處理MOX乏燃料。優(yōu)先接收原有的乏燃料。情況N+2Rep:第二個后處理廠2030年開始運營。優(yōu)先后處理MOX乏燃料和原有的乏燃料。總裝機容量在2010年和2050年分別為70 GWe和80 GWe。假定AR的貯存能力為300 tU/GWe,略高于目前的平均水平(270 tU/GWe。假定第二個后處理廠2030年開始運營,生產(chǎn)能力為800 tHM/a。在1992年以前換料用的二氧化鈾燃耗低(平均在33000 MWd/tU,1992年以后較高(45000 MWd/tU。910 情況O 和情況N 在后處理之后會產(chǎn)生不同量的钚,會使钚在輕水堆中再循

20、環(huán)的數(shù)量不同,如圖8所示。反過來又會使產(chǎn)生的UO 2乏燃料和MOX 乏燃料的組成不同,盡管總量是一樣的。表4示出了乏燃料管理要求的含意,在表4中,前兩種情況分別對應于情況O 和情況N 。后兩種情況分別與情況O 和情況N 一樣,只是增加了生產(chǎn)能力為800 tHM/a 在2030年開始運營的第二個后處理廠,在敏感情況下提前10年開始運營(即2020年,如表4所示。盡管下面的假定還應該核實,但下面的觀測數(shù)據(jù)是從例證研究中導出的: 可以相對準確地中期預測乏燃料卸出及其累積量,例如,到2030年乏燃料貯存需求將一直增加到10000 tHM 。 在直到2050年這段長時間里,日本乏燃料貯存需求會有很大變化

21、,從減少到零,到保持持續(xù)的增加態(tài)勢,直到2050年的2000025000 tHM 。 乏燃料(即已很好冷卻的低燃耗UO 2乏燃料、新的高燃耗UO 2乏燃料和MOX 乏燃料不僅在總量上,而且在組成上在以后將依總體戰(zhàn)略而變。有必要為正確管理進行認真規(guī)劃,例如,貯存設施、貯存和/或運輸用容器設計。 4.2 乏燃料管理戰(zhàn)略規(guī)劃由于沒有必要了解每個核電廠運行程序的具體情況或其與模型一致,這里顯示的只是子模型在一套初步數(shù)據(jù)基礎上能夠說明問題的一個示例。7 圖9的(a 和(b 用與圖8和表4相同的假定,顯示了乏燃料管理戰(zhàn)略的結果。子模型給出了按分類(即UO 2和MOX 和產(chǎn)生時間(即自卸出開始的年數(shù)的乏燃料

22、數(shù)量的具體結果,以及乏燃料的地點。盡管圖9是按所有 “多出來”的乏燃料將放在AR 貯存裝置中做的,該模型也能考慮AFR 設施的可能性。在這里,作為示例考慮了3種AFR 貯存戰(zhàn)略:LWR (較低燃耗 LWR (較高燃耗钚-LWR (優(yōu)先后處理的老的燃料 钚-LWR (優(yōu)先后處理的新的乏燃料年圖8 遠期反應堆混合模擬的示例結果核電廠裝機容量(G W e 日本10個電力公司各自管理其乏燃料并單獨建造AFR貯存設施。幾個電力公司合作建造地區(qū)AFR貯存設施。在這種情況下,劃分了3個地區(qū)塊,在每一個地區(qū)建造一個AFR設施。所有電力公司合作建造一個國家級AFR貯存設施。結果列在了表5中。由于有后處理優(yōu)先規(guī)則

23、,在AFR貯存能力和對運輸?shù)目傂枨笾g是平衡的;為了限制貯存總量,需要更頻繁地將乏燃料從AFR設施運進、運出。另外在總貯存能力和地區(qū)合作上也是平衡的。單獨處理可以在一個企業(yè)有需求時再建造貯存設施,不用過早投資,而集中戰(zhàn)略必須在第一個企業(yè)有需求時就要將資金全部投入。這些方面清楚地論證了像SFTRACE這樣的一體化分析工具的必要性,它能充分分析乏燃料管理戰(zhàn)略中各因素之間的平衡關系。表5 對模擬結果的解釋;AFR貯存裝置,累積運輸要求和2050年在AFR貯存乏燃料量(tHM 情況O:優(yōu)先后處理老的乏燃料情況N:優(yōu)先后處理新的乏燃料AFR貯存運輸 AFR貯存運輸核電廠運往AFRAFR運往后處理廠核電廠

24、運往AFRAFR運往后處理廠AFR戰(zhàn)略貯存能力建造時間UO2 MOX UO22050年貯存在AFR的乏燃料貯存能力建造時間UO2 MOX UO22050年貯存在AFR的乏燃料每10個公司1個AFR 9750 2011204715000 3700 11500 7200 11100 201120479100 1600 400 10000地區(qū)3個AFR 8550 2014202715000 3800 11000 7800 11200 201420279400 1600 400 10600國家1個AFR 8150 2014 15800 3800 12000 7800 11700 2014 9800 1

25、600 400 11000tHM反應堆水池剩余貯存空間貯存在反應堆水池中的貯存在反應堆水池中的ARARAFRAFR(每年后處理量(每年卸出的乏燃料量2001 2006 2011 2016 2021 2026 2031 2036 2041 2046 2050 2001 2006 2011 2016 2021 2026 2031 2036 2041 2046 20501112 作者的目的是要強調(diào)本報告中材料平衡計算的框架,SFTRACE 就有根據(jù)戰(zhàn)略情景的設置計算系統(tǒng)總成本的功能。盡管乏燃料貯存的經(jīng)濟分析和成本分析在其它報告中做了詳細討論8,圖10還是用歸一化乏燃料管理總成本的相對值(即貯存設施和

26、運輸成本的凈現(xiàn)值(NPV 除以卸出的乏燃料量的凈現(xiàn)值概括了適用于AR/AFR 貯存設施采用不同貯存技術情況下的整體經(jīng)濟性。雖然由于適用的成本數(shù)據(jù)的限制,使各場景之間相比較還為時過早,但是這些結果更進一步強調(diào)該一體化工具的獨特作用,因為可以評價整個系統(tǒng)內(nèi)的平衡關系,例如,運輸與貯存之間的平衡關系、反應堆運行戰(zhàn)略和乏燃料管理戰(zhàn)略之間的平衡關系,以及各種地區(qū)合作程度之間的關系。對于這里使用的數(shù)據(jù)需要更詳細研究和確認,與此同時也是為判斷哪種戰(zhàn)略更好。 4.3 觀測數(shù)據(jù)盡管上面描述的模擬過程僅是對模型的確認,但可以很好地導出下面政策中的含意。 對乏燃料貯存的需求將會穩(wěn)步且迅速增加,在20202030年達

27、到700010000 tU 。到2050年圍繞乏燃料管理的不確定因素也會成堆。在最可能出現(xiàn)的場景中,20202030年之后到2050年對貯存的需求將穩(wěn)定在10000 tU 上下,建議到2020年時建成約10000 tU 的貯存能力。雖然該貯存可以是單個的和分散的AR 裝置和/或集中的AFR 設施,應該關注整個乏燃料管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào),以適當?shù)卣{(diào)整各種平衡關系,諸如貯存設施的地理分布和運輸。該分析沒有暗示選擇哪種貯存技術。根據(jù)成本計算,池式的貯存成本似乎很高,因此除非它的其它優(yōu)勢壓倒成本因素,否則該方法就會被放棄。分析發(fā)現(xiàn),在金屬屏蔽容器和混凝圖10 全部成本比對結果(用相對比例*:“X/Y ”指的

28、是X 技術適用于AR 貯存設施而Y 技術適用于AFR 貯存設施;M :金屬屏蔽容器,C :混凝土屏蔽容器,P :水池優(yōu)先后處理的老的燃料 優(yōu)先后處理的新的乏燃料自備戰(zhàn)略(10個公司1個AFR 區(qū)域合作戰(zhàn)略(3個AFR 國家合作戰(zhàn)略(1個AFR 區(qū)域合作戰(zhàn)略(3個AFR 歸一化成本運輸 公用工程購買屏蔽容器 退役人工 設備雜項維護 建造土屏蔽容器彼此之間有很大的競爭性。有意思的是,一種比另一種優(yōu)越的情況會依據(jù)具體情況(像貯存能力和運輸需要而改變。需要就這兩種技術的比較做進一步的研究。4.4結論在文章中,作者努力概括乏燃料管理戰(zhàn)略分析的方法,用SFTRACE做例證說明。雖然這個工具很好,完全能分析

29、情況的變因,但本報告中使用的一套假定和數(shù)據(jù)僅是用于解釋目的,需要進一步詳細闡述。作者希望用該工具分析日本的實際情況以及應急控制情況,以獲得日本能應對將來不確定情況的戰(zhàn)略。參考文獻1 K.Nagano,”A system analysis of spent fuel management in Japan,” Proc.PBNC-2002 Inc. Conf., Shenzhen,China, Oct. 21-25, 2002, (20022 K.Nagano,”Methodologies for Economic Analysis of Spent Fuel Storage,” paper p

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32、arch Institute of Electric Power Industry, Tokyo, (20026 CRIEPI, Demonstration Test of Recyclable Fuel Resources-Development of Concrete Modular StorageTechnologies, Final Report for Fiscal Year 2000 subnitted to the Government, (2001, in Japanese7 K.Nagano, ”A strategic consideration on nuclear fue

33、l cycle with spent fuel management as its core,” J. Nucl.Fuel Cycle Environ., 82, (2002, in Japanese8 K.Nagano, “A Systems analysis of spent fuel management in Japan (2: Methodologies for economicanalyses of spent fuel storage,” J. Nucl. Sci. Technol. 404, 182-191 (2003(哈琳譯自Journal of Nuclear Scienc

34、e and Technology 2003,V(40,No.4,p173-18113日本乏燃料管理系統(tǒng)分析:(II乏燃料貯存的經(jīng)濟分析方法學Koji NAGAN(日本電力工業(yè)中央研究院前言乏燃料貯存的經(jīng)濟分析被分類為三個層次:(1靜態(tài)工程經(jīng)濟成本估算;(2動態(tài)戰(zhàn)略分析;和(3具體項目財務評估。在描述了日本乏燃料的管理和貯存的現(xiàn)行立法和制度上的演變之后,報告用數(shù)字扼要介紹了三個層次方法的應用實例。作為結論,作者認為用戶應該根據(jù)具體目標選擇最適宜的方法類別或計算工具。選擇方法的一般導則是應作為結論加以精心描述。關鍵詞:經(jīng)濟分析,乏燃料貯存,歸一化成本,動態(tài)模擬,項目財務1引言本文首先討論日本在乏燃

35、料管理和貯存方法的制度上的發(fā)展和新趨向,并且強調(diào)私營化機遇。繼續(xù)全面評估乏燃料貯存經(jīng)濟的分析方法1,其中包括在目前情況下,日本乏燃料管理每種方法的具體數(shù)字實例。本文進一步提出可能的用戶在根據(jù)他們的具體目標選擇方法的導則。2日本乏燃料管理的最新立法和制度上的演變乏燃料貯存第一次在發(fā)展和利用核能的長期計劃中論及是1987年發(fā)表的2,1994年它的修訂版發(fā)表了3,在乏燃料貯存的另一些貯存方法中,增加了專用術語,以及管理乏MOX 混合氧化物燃料的方法。通產(chǎn)省下面的全面能源政策委員會下的核能長是制定日本能源政策的主要單位,于1997年發(fā)表了有關乏燃料貯存中間報告4,該報告主張準備較長期貯存乏燃料并于20

36、10年左右部署離堆貯存(AFR。內(nèi)閣采納了報告并號召采取必要行動。為了計劃實現(xiàn)中間報告提出的各點,由政府和主要電力公司的代表組建了乏燃料管理措施任務組。任務組經(jīng)過1997年3月至1983年3月的一系列廣泛深入的討論提交了它的最終報告5,報告展現(xiàn)可再循環(huán)燃料資源的貯存圖景以及可能的管制框架和立法框架。核能委員會于1998年6月出版的另一份報告6。主要贊同工作組的報告,并強調(diào)立法程序和場址選擇原則。特別注意力應給予這樣的一個事實,即通過這一系列報告,明確認識到乏燃料的貯存是安全的和靜態(tài)的過程,顯然任何私人企業(yè)都可以進入貯存市場。14153 乏燃料貯存的經(jīng)濟分析方法 3.1 乏燃料貯存的經(jīng)濟分析方法

37、分類研究中使用的方法可以按照它自己的目的而變化,在乏燃料貯存經(jīng)濟分析實例中,作者提出對分析方法或工具進行下列分類:工程-經(jīng)濟成本計算;收集成本項目的工程估算和匯總每單位服務的幣值單位,例如貯存燃料的tHM (t 重金屬,對具體的貯存設施項目的靜態(tài)的和固定的假設。乏燃料管理系統(tǒng)的戰(zhàn)略規(guī)劃;在一個動態(tài)的框架中模擬所有乏燃料的產(chǎn)生量、貯存量、后處理量和處置量,并將某一長期項目與地區(qū)的和國家的規(guī)模的項目作比較,項目財務評估,如果認為私人或政府向貯存項目投資是正確的,那么就要對項目的財務進行評估,用性能指標分析靜態(tài)壽期情況,諸如內(nèi)部回收率(IRR ,支付回收時間,等等。表1列出三類方法的比較。在下面段落

38、用實例提出這些類別的情況。 3.2 工程-經(jīng)濟成本計算此簡單的方法組成了國際原子能機構(IAEA 早期研究的關鍵點8。簡單說來,此方法用來計算貯存的歸一化的單位成本(LUC 。一個項目的凈現(xiàn)值(NRV 為一個項目的測量值,定義為與項目有關的所有貼現(xiàn)成本的總和,即(1表1 乏燃料貯存經(jīng)濟性的方法比較類別 A.工程-經(jīng)濟成本計算B.乏燃料管理系統(tǒng)戰(zhàn)略規(guī)劃C.項目財務評估 目的 項目/貯存設施電力公司/地區(qū)/國家項目/貯存設施指標 貯存的歸一化單位成本 IRR ,支付回收時間變量:一次總付額美元/tHM或每年付費美元/tHM/a乏燃料貯存量與時間的關系,與A 來的單位貯存成本相結合計算系統(tǒng)總費用的可

39、能性NPV 和評估投資鑒定的其他指標目標和強度 比較技術:例如水池,屏蔽容器,等等在貯存是需要時供對大小進行規(guī)劃決定對項目是否進行投資 可能的用戶 電力公司/核電廠所有者/政府電力公司/地區(qū)或國家的管制者私人投資者/咨詢公司 缺點靜態(tài)的;在應用不同時間的結果需要調(diào)整/不易轉(zhuǎn)化為每發(fā)電kWh 時的單位成本在容量為當?shù)厮钑r,技術方案所需情景數(shù)多靜態(tài)的/在計算前打算評估的項目的所有技術規(guī)格應該固定/取決于具體的制度條件16 式中Ci 為第i 年的費用或支出,d 為貼現(xiàn)率和i 為指定的年。貯存的歸一化單位成本為項目整個壽期的歸一化的收入現(xiàn)金的NPV 和支出的NPV ,即(2式中Mi 在第i 年送入貯

40、存設施的乏燃料量。因此式(2基于假設貯存費用以均一的單位價格LUC 接收乏燃料,即(3圖1示出歸一化的單位貯存成本的比較9。這是在日本環(huán)境下,AFR 貯存3000 tU 的各種技術的比較。雖然水池貯存是一種成熟的技術,現(xiàn)有反應堆水池具有豐富的經(jīng)驗,但是,它的經(jīng)濟性有問題,因為基建投資多和運行-維修費用多(由于需要強制循環(huán)和質(zhì)量控制冷卻水。金屬屏蔽容器對短期和中期貯存來說,具有很高的優(yōu)點,因它與水池相比較,容易模塊化。就長期貯存來說,研究傾向于其他干貯存技術,目的是取得更好的經(jīng)濟性。研究的關鍵問題包括:混凝土材料的長期完整性; 高放密封容器的長期完整性;運行和維修的安全標準,尤其是運輸時的裝料/

41、卸料。雖然早期的數(shù)據(jù)現(xiàn)在看來有些陳舊,但是還是比較了早期應用的類似技術,包括水池和金屬屏蔽容器技術的比較10,11和AFR 貯存的各種方案的比較12。圖2示出最新的AFR技術13,14。不過這兒發(fā)現(xiàn),雖然在圖2 區(qū)間數(shù)據(jù)反映了進一步的發(fā)展和改進,但是它與圖水池金屬容器貯存室I 貯存室II筒倉混凝土 屏蔽容器歸一化的單位貯存費用圖1 歸一化的單位貯存成本的比較91所示基本相擬,圖3示出圖2所示的5000 tU貯存容量的情況。其中包括按每年的總支付和凈現(xiàn)值(NPV。在所有這些實例中通過技術評估清楚地顯示這一技術的力量,尤其是找到有改進可能的關鍵成本項目,諸如金屬屏蔽容器貯存方案中的容器制造或混凝土

42、模塊技術中的高放密封容器制造。與此同時,這些方法不一定要涉及有關設施所有者和營運者為進行營運所花費的間接費用。所以可以結論地說,在項目前期發(fā)現(xiàn)的最好方法而加以實施,在項目實際實施階段還必須用實際投資進行補充分析。在圖2和3可以找到的另一個觀點是技術革新的重要性。這有幾個方面的理由必須隨著時間而減少成本: 運輸行政人員公用設施維修退役屏蔽容器設備建筑物水池水池水池屏蔽容器屏蔽 容器 屏蔽容器3000tU 5000tU10000tU單位成本(1日元/ kgU圖2 貯存容量為300010000 tU的AFR貯存成本的比較13,14運輸雜項勞力公用事業(yè)維修退役購買屏蔽容器設備建筑物金屬屏蔽容器水池金屬

43、屏蔽容器水池(NPV百萬(JPY圖3 5000 tU貯存設施的成本數(shù)據(jù)13。1718 通過總的和單位的容量的擴大,由于性能的改進而使經(jīng)濟獲得改進;由于共有資源和機遇的分攤使用,通過性能有效性的改進而帶來的經(jīng)濟改進;在工作中學習的結果,通過積累經(jīng)驗和(研究、發(fā)展和設計(RD&D 工作改進實績,而使性能獲得改進。在乏燃料貯存領域的相干情況已經(jīng)討論了這些方面1518。圖4示出在美國的過去,隨時間的推移容器單位的容量提高而改進貯存效率的情況19。還需要開展進一步的工作來全面涉及乏燃料貯存的技術特征并最終有能力準確地預測成本的進一步減少。 3.3 乏燃料管理系統(tǒng)的戰(zhàn)略規(guī)劃貯存需求應按時進行規(guī)劃以計劃貯存

44、設施:雖然此類工具有直接分析乏燃料貯存的經(jīng)濟,但它在確定打算評估的貯存項目和先決條件還是重要的。作者已經(jīng)開發(fā)了一體化的分析工具SFTRACE (乏燃料貯存、運輸和費用評價系統(tǒng)20。該模型涉及日本的所有核電系統(tǒng)以及從核電廠到AFR 貯存庫的運輸,從核電廠到后處理設施,從AFR 貯存庫到后處理廠。SFTRACE 已開始于每個核電廠以國家的核電生產(chǎn)和Pu 再循環(huán)戰(zhàn)略為基礎,接著對乏燃料進行平衡計算。如果發(fā)現(xiàn)乏燃料庫存量超過水池能力,則必須增加庫存能力。在完成物料平衡的基礎上,要進行成本評估,以得出總的乏燃料管理成本(即總貯存成本和運輸成本。在另一篇論文中20;可以找到用SFTRACE 進行各種貯存戰(zhàn)

45、略的經(jīng)濟比較的一個例子。 3.4 在乏燃料貯存服務中私人投資的項目財務分析在確定一個項目的實際投資時,必須評價總的財務健康情況。此分析所需的軟件可以從商業(yè)成套設備中獲得帳戶型部件。不過為在乏燃料貯存項目中應用可能需要找出乏燃料貯存事務中的具體特征。作者的觀點是,關鍵點是貯存服務的價格。作為前文描述的SFTRACE 軟件的擴展,作者開發(fā)了項目的財務評估工具21。表2列出此工具涉及的成本項目與常規(guī)的工程-經(jīng)濟成本估算之間的差異(典型值見圖1和圖2。要進行投資和國家或地區(qū)有關投資立法以及制度管理的法規(guī)和規(guī)則的需求是大量的和比較具體的。表2中的EEC 為歐洲經(jīng)濟共同體,PFA 為項目財務分析。 假定燃

46、料組件為tU/組件:PWR :0.45BWR :0.17 金屬屏蔽容器混凝土貯存(屏蔽容器為混凝土制的(NUHOMS 圖4 涉及技術改進的工作;美國經(jīng)歷的每個容器的單位容量19 設計的貯存容量(t T U 許可證發(fā)放時間表2 一個私營公司的工程經(jīng)濟成本計算(EEC和項目財務分析(PFA涉及的成本項目比較 項目 EECPFA備注B 生產(chǎn)成本勞務費(工資,獎金,退休金,社會保險包括在EEC總計中材料 修理,維護 公用設施 能源,水,等等退役 保險 包括在EEC勞務中折舊 在EEC中未講明固定資產(chǎn)稅 包括在EEC的勞務費中營業(yè)稅 稅和公共費用消費稅 C 管理和營業(yè)費勞務費(工資,獎金,退役金,社會保

47、險 EEC中未考慮領導報酬 交通旅行 消耗品 年貢,租金 雜項 折舊 稅和公共費用 :估計直接付款 :估計包括的 :未考慮1920 表3和4列出在評定投資的有效性和實績時的性能指標。表3和4中的變數(shù)符號的表示法見表5。表6列出用于下列數(shù)字實例的初步數(shù)據(jù)的參考值,其中大部分取自日本的法規(guī)和經(jīng)驗。表3 財務分析中的短期性能指標 =表4 財務分析中的長期性能指標特征指標計算/公式判斷準則吸引性 NPV :凈現(xiàn)值 NPV 0ROI : 投資收益ROIWACC :資本成本的加權平均表5 變量符號表示法變量 注 釋 單 位T 貼現(xiàn)的現(xiàn)金流量率 I t 年度t 投資 貨幣(例如,日元 D t 年度t 股利貨

48、幣(例如,日元變量注釋單位Dp t年度t折舊貨幣(例如,日元t 時間(日期t0貼現(xiàn)參考日期(年(日期t1開始投資和借貸日期(日期t2終止投資和借貨日期(日期t3股息和付還開始日期(日期t4股息和付還終止日期(日期R t t年的長期債務付息(稅后貨幣(例如,日元F t t年長期債務凈增貨幣(例如,日元Fr t t年總的長期債務貨幣(例如,日元B t t年長期債務貨幣(例如,日元P t t年現(xiàn)金和相當現(xiàn)金的凈增貨幣(例如,日元Fr t t年的的稅后損益貨幣(例如,日元E t t年用現(xiàn)金和相當?shù)默F(xiàn)金采購的固定資產(chǎn)貨幣(例如,日元As t t年購買的固定資產(chǎn)貨幣(例如,日元Ao t t年流動資本的需求

49、貨幣(例如,日元表6 有關評定私營業(yè)務倡議的參考初步數(shù)據(jù)項目股息率備注籌資成本股息股息: 10%利息長期債務利率: 4.0%無停滯協(xié)議支付期10年短期債務利率: 5.0%生產(chǎn)成本折舊折舊法:固定%耐用品:見法律耐用年建筑物38責任保險由核損害賠償法管理索賠量: 0.1%假設非壽期保險是相當?shù)谋ｋU:120億元公司所得稅 0.05%非人壽保險核財產(chǎn)保險覆蓋的最大量:2.5%保險費率 0.1%稅國家的公司收入稅稅率: 30.0%標準稅率消費稅稅率: 5.0%包括地方率地區(qū)的居民稅稅率: 12.3%+5.0%標準稅率按人口計算7萬元380萬元根據(jù)公司的規(guī)模營業(yè)稅稅率 5.0%,7.3%,9.5%根據(jù)收

50、入,標準稅率固定資產(chǎn)稅稅率: 1.40%標準稅率一般管理費生產(chǎn)成本的成本率(稅后:24.0% 所有工業(yè)的10年平均值儲存量的增加每個運行期總退役費用相等的分配投資收益(得到的利息投資收益 0.54%存據(jù)(1997199821 22 總支出累積工資收入 稅后收入和損失累積稅后收入和損失 結轉(zhuǎn)下期總支出累積工資收入 稅后收入和損失累積稅后收入和損失 結轉(zhuǎn)下期支出(相對值支出(相對值總支出累積工資收入 稅后收入和損失累積稅后收入和損失 結轉(zhuǎn)下期時間(年(a IC 情況支出(相對值收入和利潤(相對值收入和利潤(相對值收入和利潤(相對值時間(年(c 混合情況時間(年(b AF 情況圖5 貯存財務分析23

51、 實例的計算基于圖2的5000 tHM 容量的金屬屏蔽容器的實例的工程-經(jīng)濟條件。價格方案集中于私營有限公司的貯存服務。在確定貯存服務價格時,人們可以選擇下列兩個因素的任一組合。IC ,為貯存設施一次接收乏燃料所支付的初始固定費用(日元/tHM , AF ,為單位貯存燃料的年度費(日元/tHM/a 。為了探討表3和表4所列短期的和長期準則都能得到滿意的結果的幾個可替代方案,曾做過一些計算。表7簡要列出求出的模擬的服務價格。因為此示范計算具初步性質(zhì),所以引用的數(shù)據(jù)為絕對值而不是有意義的平均值。示于圖5(a (c 的結果是整個計算的財務性能和健康檢查。如果價格水平保持在規(guī)劃是可行的和有生命力的,那

52、么分析就要找出價格的范圍。圖6示出圖5(a (c 中每個的總成本。因為乏燃料貯存業(yè)務的資本投資有利息,所以AF 情況或道路以外的停車場“將使運行的早期出現(xiàn)大的虧損。如果試圖用提高年度價格來加以緩解,那么在以后的時間將產(chǎn)生過多的收益。對于資金問題,我們可以實施一種策略,例如對于屏蔽容器,可以采用租借,而不采用購買的方法。圖6 總成本的比較AF 情況IC 情況混合情況股息給領導的獎金 公司稅和居民稅 利息費用所得一般的行政管理和營業(yè)費用 生產(chǎn)費用累計的支出(相對值表7 確實貯存服務價格的實例實例號IC106JPY/tHM AF106JPY/tHM/yr 備注0%一次總支付IC 100%Parkin

53、g-lot100%AF 0%根據(jù)情況調(diào)整IC混合的 30%結論本文首先討論了日本乏燃料管理的最新立法和制度發(fā)展情況,并考查了在這些環(huán)境下貯存乏燃料的經(jīng)濟分析方法。日本國會已經(jīng)通過可再循環(huán)資源的貯存的商業(yè)運行,并修改了有關法律。日本原子能委員會2000年12月發(fā)表了“長期計劃”的國家政策。乏燃料貯存的經(jīng)濟分析的方法和工具被分為三個層次:(1靜態(tài)工程經(jīng)濟成本估算;(2動態(tài)戰(zhàn)略評估;(3具體項目財務評估。作者在提出每類實例之后指出有可能將這些方法擴展為更大適于可能的應用。參考文獻1 K.Nagano, “Methhodologies of economic analyscs of spent fue

54、l storage”, paper presented at IAEATechnical Meeting on Economics of Spent Fuel Storage, St. Petersburg. Russia, Sept. 9-12, 2002.2 Atomic Energy Commission, Japan, The Long-term Program of Development and Utilization of aNuclear Energy, (1987,in Japanese.3 Atomic Energy Commission, Japan, The Long-term Program of Development and Utilization of a NuclearEnergy, (1994,in Japanese.4 The Steering Committee for Nuclear Energy, On Interim Storage of Spent Nuclear Fuel, Interim Report tothe Council for Comprehensive Energy Policy, (1997, in Japanese.5 The Taskforce