NÜKLEER REAKTÖRLERDE YAKIT MALİYET HESABI M.T. AYBERS, R. ÜZMEN, Ş. CAN, L. GÜRELİ, F. CAN. Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi-İstanbul

Transkript

1 /. Ulusal Nükleer Yakıt Teknolojisi Sempozyumu, 3-3 TR NÜKLEER REAKTÖRLERDE YAKIT MALİYET HESABI M.T. AYBERS, R. ÜZMEN, Ş. CAN, L. GÜRELİ, F. CAN Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi-İstanbul ÖZET Nükleer yakıt çevrimi, 50 ila 100 yıldan fazla bir süredir, uranyum cevherinin madenden çıkarılmasından başlayarak yüksek radyoaktiviten artığın gömülmesine kadarki işlemleri kapsamaktadır. Bu işlemler yakıt çevriminin ön ve arka kısmı olarak ikiye ayrılır. Dolayısı ile yakıt masrafları da "ön masraflar" ve "arka masraflar" maliyetini içermektedir. Bir değere getirilmiş yakıt maliyetinin çıkarılması ile belirlenen yatırımın değeri metodu, tek tek bütün komponentlerin maliyetleri dikkate alınarak bütün yakıt çevriminin nakit akışının incelenmesini gerektirmektedir. Nakit akışı, uygun bir iskonto oranı seçilerek önceden belirlenmiş bir tarihe indirgenmektedir (senelik %5). Toplam yakıt maliyetini elde edebilmek için yakıt çevriminin.çeşitli safhalarına tekabül eden seçilmiş bir tarihe indirgenen birim maliyet ve şimdiki değer birbirine eklenmektedir. Bu bildiride referans bir PWR ve CANDU reaktörü seçilmiş ve "Bir değere getirilmiş maliyet metodu" ile yakıt maliyetleri hesaplanmıştır. ABSTRACT The fuel cycle typically extends over a period of between 50 to 100 years, from mining the uranium ore to finally disposing of the high level waste. These operations are divided in two as front-end and back-end of the nuclear fuel cycle. Accordingly, fuel cycle costs comprise front-end costs and back-end costs. Fuel cycle cost take full account of the investment and operating experience in meeting the strict regulatory requirement for environmental protection and public safety. They cover all expected costs over the 50 to 100 year period of the entire nuclear fuel cycle. The investment appraisal method of deriving the lifetime levelised fuel cost requires the examination of the entire fuel cycle cash outflow based on component prices. The cash outflows are discounted to a base date using the selected discount rate which was set for the reference case at 5% p.a (real). The unit costs for the different stages of the fuel cycle are discounted back to a selected base date and added together in order to arrive at a total fuel cost in present value terms. In this paper, fuel cycle cost of a reference PWR and CANDU nuclear reactors has investigated using "Levelised Cost Method". 465

2 1. GİRİŞ "Nükleer Yakıt Çevrimi" masrafları ülkeden ülkeye değişik olup, ülkenin politikasına ve kullanılan reaktör tipine bağlıdır. Yakıt çevrimi ön ve arka kısmı olmak üzere iki kısımda incelenir. Buna göre yakıt masraflan da "ön masraflar" ve 'arka masraflar" olarak iki kısma ayrılır. Ön masraflar, doğal uranyum temini, uygun şekillere dönüştürülmesi, gerekiyorsa zenginleştirilmesi ve yakıt imalatı masraflarından oluşur. Bu masraflar yakıt reaktöre girmeden aylar önce başlar. Arka masraflar, kullanılmış yakıtın depolanması, taşınması, gerekiyorsa "yeniden işlenmesi", nükleer artıkların idaresi masraflarından oluşur ve yakıt reaktörden çıktıktan sonra yıllarca sürer. Bugün kullanılmakta olan "Tek Geçişli çevrirrtde arka masraflar yakıtın kısa ve orta vadeli depolanmasını içerir (geçici depolama ) 1J. Arka kısım için iki seçenek üzerinde durulmuştur. Birincisi yakıtın yeniden işlenmesi, ikincisi ise yakıtın uzun vade depolanması ve takiben de doğrudan gömme esas alınmıştır. Yeniden işleme imkanı dünya rekabet pazarında mevcuttur ve belli başlı servis sağlayıcılar Avrupa kaynaklıdır. Bu yüzden arka kısım fiyatları ECU cinsinden verilmiş ve 1 ECU=1 US$ olarak alınmıştır. Yeniden işleme tekniği geniş kapasiteli büyük kimyasal tesisleri gerektirmektedir. Böyle tesisler, PWR tipi nükleer reaktörün yakıtlarının yeniden işlenmesini yapabilecek kapasitelidirler [2j. Yakıt çevrimi hesaplarında, tek geçişli çevrim için kullanılmış yakıtların reaktör dışında geçici depolanması, yeniden işlemede ise camlaştınlmış artıkların geçici depolanması hesaba katılmaktadır. Artığın doğrudan gömülmesi servisi dünya pazarlarında henüz yapılmamaktadır. Her ülke kendi politikasını izlemektedir. Tahmini fiyatlar SKB (İsveç)'den alınmıştır. Birim fiyatlar, taşıma ve depolama, uç tapaların kapatılması ve gömme safhası için çıkarılmıştır. Yeniden işleme ile mukayese edebilmek için fiyatlar ECU cinsinden verilmektedir. Nükleer yakıt çevriminin ön masraflar kısmı yakıt reaktöre girmeden aylarca önce başlar ve reaktörden çıktıktan sonra arka masraflar kısmı yıllarca devam eder. Bu nedenle daha detaylı ve sağlıklı hesap yapılmak istendiğinde, yakıt çevriminin her bir kademesinde farklı tarihlerde yapılan masraflar seçilen bir 'ıskonto oranı ile bugünkü değere getirilir ve uygun bir yöntemle birim enerji basma yakıt maliyetine geçilr. Bu işlem için "Bir Değere Getirilmiş Maliyet Metodu" kullanılır. 2. Bir Değere Getirilmiş Maliyet Metodu Bu metodun açıklanmasına geçmeden evvel nükleer yakıt maliyeti hesabında kullanılan terim ve parametrelerin açıklanması gerekmektedir 2 : Iskonto oranı. r Zaman t Para birimi için baz tarihi ti. Yakıt yükleme tarihi t c Yakıtın reaktörde kalma zamanı T r Besleme uranyum miktarı (kg) M f Reaktöre yüklenen uranyum miktarı (kg) " M p 466

3 Kuyruktaki uranyum miktarı (kğ) Alınan uranyum miktarı (Jfg) Toplam plütonyum miktarı (kg) Fisil plütonyum miktarı (kg) Beslenen uranyumdaki U 235 oranı Reaktöre yüklenen U 235 oranı Kuyruktaki U 23S oranı Alınan U 235 oranı.. -.,.*... lb U 3 O 8 'den kg U'a çevirme^fektöru. Nükleer Yakıt Cevrimindeki her i komoonenti için H M d (0.711 %) (2.6) Bütün komponentlerin maliyeti Birim maliyet Eskalasyon oranı Malzeme kaybı Toplam kayıp oranı Lead ve lag zamanı" Burada: i=l uranyum temini i=2 dönüştürme i=3 zenginleştirme i=4 i=5 Kullanılmış yakıtın taşınması i=6 Yeniden işleme ve yerinde depolama " Fi Pi S; ij fi t; i=7 Artığın yerleştirilmesi i=8 Plütonyum kredisi i=9 Plütonyum kredisidir, P.= lb U,O 8 başına para birimi D = kg U başına para birimi P3= Ayırma işi ünitesi başına para birimi. PW kg U başına para birimi Eisil Piı başına para birimi 2.1 Uranyum maliyeti Burada : F l =M r c (1) (2) Bütün ön kısım komponentlen için t=t o 4j (3) 2.2 Dönüştürme maliyeti (4),. Lead zamanı, malzemenin elde edildiği tarihten yakıtın reaktöre yüklendiği zamana kadar geçen süredir. Lag zamanı ise yakıtın reaktörden çıkarılmasından sonra arka kısım masraflarının tamamlandığı zamana kadar geçen süredir. 467

4 / 2 =(W 2 )(W 3 )(W 4 ) (5) 2.3 Zenginleştirme maliyeti Burada "S" ayırma işi birimidir: F J =S.f y P }.(l+s 3 f' i (6) p p l t f \ ') M=M f -M p (8) Burada x- f, p veya t olarak alınabilir: X / 3 =(i + y(i + y (io) 2.4 maliyeti Burada F^M^P^+sf- (11) / 4 =( 1+/ 4) (12) 2.5 Taşıma maliyeti t'^mp-pâ 1^)'" (13) Bütün arka kısım komponentleri için: t=t c +T r +t i 2.6 Yeniden işleme ve geçici depolama maliyeti F 6 =M p.p 6 (Usf" (14) 2.7 Gömme maliyeti F,=M p.p T (\+s 7 f h (15) 2.8 Uranyum kredisi ( değerin %70'inde) Geri kazanılmış uranyum (C,. cc ) değeri aşağıdaki gibi tarif edilmiştir: Burada: Cu3O8 : Doğal uranyum fiyatı C VV6 : UF 6 'ya dönüştürme fiyatı C s w u : Zenginleştirme fiyatı 46S

5 AC SWU. Geri kazanılmış uranyumun zenginleştirme değer payı C UO2 : UO, yakıt fabrikasyonu fiyatı AC ÜO2 : UO 2 yakıt fabrikasyonu için değer payı F, : 1 kg zenginleşmiş malzeme için doğal uranyum ihtiyacı F, : 1 kg zenginleşmiş malzeme için geri kazanılmış uranyum ihtiyacı SNU : I kg doğal uranyumdan zenginleştirilmiş uranyum başına ayırma işi birimi S RU : 1 kg geri kazanılmış uranyumdan zenginleştirilmiş uranyum başına ayırma işi birimi 2.6 Plütonyum kredisi F*=M Pu UPA^h)'~' b (17) Reaktör ömrünün üzerinde yukarıdaki maliyetler zamana bağımlıdır ve F^t) şeklinde yazılmalıdır. 3 Iskonto yapılmış ve bir değere getirilmiş yakıt çevrimi maliyeti Bütün masraf komponentleri belirlenmiş bir tarihe getirilerek iskonto yapılmış ve bugünkü toplam yakıt maliyetini belirlemek için birbirlerine ilave edilmiştir: '*<± T > F\(t) E E (18) '=vn (i+r) Burada t 0 = Referans tarih (reaktörün işlemeye başlama tarihi) L = Reaktör ömrü T, = Ön kısımda maksimum lead zamanı T 2 = Arka kısımda maksimum lag zamanı "C'nin sabit olması durumunda, yakıtın toplam maliyeti, reaktörün şebekeye gönderdiği birim elektrik başına, aşağıdaki gibi ifade edilir: Burada E(t) t zamanında net elektrik çıkışıdır: V -T m C V- (Q ZJ Z^ ~ Z^ ~~ (20) stages Time (!+/ ) Time (l+r) Yukarıdaki eşitlikten hareketle maliyet denklemi elde edilir: stages Time (J +r ) o Time (1+7-)' '» 469

6 4 PWR Nükleer Reaktörünün toplam yakıt maliyeti Seçilen referans PWR reaktörünün özellikleri Tablo 1, Tablo 2 ve Tablo 3'de verilmiştir. Tablo 4'de de hafif sulu reaktörler için birim yakıt çevrimi fiyatları verilmiştir MWgun/t yanma oranlı hafif sulu reaktör için malzeme dengesi [3] numaralı referanstan takip edilebilir. PWR için yakıt maliyeti hesaplamaları Bölüm 3'de anlatılmıştır. Sonuçlar yeniden işleme ve doğrudan gömme seçenekleri olan:k Tablo 5 ve Tablo 6'da verilmiştir. 5 CAJVDU Nükleer Reaktörünün toplam yakıt maliyeti Seçilen referans CANDU reaktörünün özellikleri Tablo 7'de verilmiştir. Malzeme dengesi, 8330 MWgün/t yanma oranlı CANDU reaktörü için [3] numaralı referanstan incelenebilir. CANDU için bir değere getirilmiş yakıt maliyeti sonuçlan Tablo 8'de özetlenmiştir. 6 Sonuçlar Seçilmiş referans PWR ve CANDU reaktörleri için " bir değere getirilmiş " yakıt maliyetleri hesaplanmış 1991 OECD/NEA sonuçlan ile mukayese edilmiştir. PWR reaktörü için, yeniden işleme ve doğrudan gömme seçenekleri esas alınarak yakıt maliyeti ayn ayrı hesaplanmıştır. CANDU reaktörü için hesaplamalar, kullanılmış yakıtın reaktör binasında 10 yıl depolanması göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Kullanılmış yakıtların yeniden işlenmesi dikkate alınmamıştır. Yine CANDU için uranyum ve plütonyum kredileri heasaba katılmamıştır. Her iki reaktör için iskonto oranı senelik % 5 olarak alınmıştır. Sonuçta CANDU reaktörünün bir değere getirilmiş toplam yakıt maliyeti 1997 rakamları ile 2.27 Mills/kVVh olarak bulunmuştur. Bu rakkam 1991 OECD/NEA çalışmasında 2.86MiIls/k\Vh'dir. PWR için yeniden işleme seçeneğinde toplam maliyet 5.03 Mil!s/kWh (1991 OECD/NEA 6.23 Mills/kWh), doğrudan gömme seçeneği içinse toplam maliyet 4.26 Mills/kWh (199 i OECD/NEA 5.34 Mills/kWh) olarak hesaplanmıştır. KAYNAKLAR [1] AYBERS, N., "Enerji Maliyeti" Yıldız Teknik Üniversitesi Yayın No. 299 (1995) [2] Ux Company, through the Internet, fiyatları [3] OECD/NEA, "The Economics of the Nuclear Fuel Cycle" Final revised draft (1993) 470

7 Tablo 1- Referans PWR Reaktörü dataları Reaktör tipi I ermal çıkış Klektrik çıkısı Load ['aktör (düşürülmüş ortalama) Çalışmava başlama vılı Reaktör ömrü Yakıt vaıuna oram ( derive şartlarında) Yakıt kütle delicesi Tablo 2- PWR Yakıt Çevrimi Pataları Zenginleştirme için kuyruk değeri Lead zamanı Uranyum temini Dönüştürme Zeıı^inleşt irm e Lag zamanı Kullanılmış yakıtın taşınması Yeniden işleme (b) Caınlaştırılınış artıkların gömülmesi Geçici depolama Kullanılmış vakıtuı dinleııdirilmesi ve ı>ömme(o) Kayıp faktörü Dönüştürme Yakıt fabrikasvouu Yeniden işleme Diğerleri Referans 1>WR (1-iansız N4) 4020 MWt 1390 MWe % vıl MWgün/t BakuırzRef. 3 Referans % av 18 av 12 ay 6 ay ilassasivet %0.20 % av 34 ay 22 ay 12 ay 5 yıl 6 vıl 56 vıl 5 yıl 40 vıl %0.5 %1.0 %2.0 %0 İlk yakıt yükleme için 6 ay eklenmeli (b) Reaktörde 5 yıl depolama dahil (e) Reaktörde 5 yıl depolama, lukiben 35 yıl geçici depolama Tablo 3- Diğer dataiar Iskonto oranı Uranyum kredisi Plütonvunı kredisi Tablo 4- Hafif Sulu Reaktörlerin Yakıt Çevrimi Birim Fiyatları Komponcnt Uranvum teınüıi Döniiştüraıe Zenginleştirme Yakıl fabrikasyonu Yeniden işleme seçene Kullanılmış yakıtın taşınması Yeniden işleme (düşük ve orta radioaktiviteli artığın gömülmesi ve yüksek nıdıoaktiviteh arlığın camlaşiîrfijhasî ve depolanması dahil) Camlattırılmış yüksek radioakliviteli artığnı depolanması Doğrudan gömme seçeneği Kullanılmış vakıtuı Inşımnas; vo depolama Q5 yıl) 1 Jç tapaların kapatılması ve sömme Referans %5 Yeni uranyum ve zeugiııleşlimıe malivetiniu % 70'i 5 S/u l'ııf PWRiçin referans birim that 50$/kgU[31 28$/kpU[21 8$ykgU 31 6$/kgU $/SWU 3 91 $/SWU S/k? lj 3j 5Oi-:a;/k!!U[3i(ii) 72()KCU/k«(b)[3 90r-:ai;\ı;lUe)[3 230nciJ/kgU(d) 3 6I0r-CU/kaU(e).'î Avnıpa içinde taşıma, (b) Yeniden işleme tesisine teslimde Ödenıe. (c)camlaştınlnıış yüksek aklivitcli artığın gömü yerine teslimde ödeme, (d) Geçici depolaım yerine teslimde ödeme ve laşınıa ücreti dahil, (e)t'ç kısımların lıpalanmasnesisi ve gömü yerine teslimde ödeme 471

8 - " Tablo 5- Yeniden işleme Seçeneği içitvbir Değere Getirilmiş.PWS. Yakit (miils/kwsaat). yenirim Maliyeti ' QECO/NEA(f991) Bn çalışma (1997? Komponent Uranyum ilk kalp 0.17 Yeniden Yükleme 1.47 "Toplam 1.64 İÎkkalfo 0.09 Yeniden yükleme 0.76 Topfarri 0.85 Dönüşlümle O.10I 0.12 Zenginleştirme On kısım için ali loplaa* Kullanılmış 5 akıtın taşınması O Yeniden işleme ve camlaştınrja Artık gömme Arka kısım için ara toplam (r Uranyum kredisi Plütonyum kredisi Kredi iein ara toplam Toplam maliyet Arka kısım değerleri, bu çalışma için, referans [3] (OECD/NEA(1991)) deki değerlerin aynısı olarak alınmıştır. Tablo 6- Doğrudan Gömme Seçeneği için Bir Değere Getirilmiş PWR Yakıt Çevrimi Maliyetleri (mub/kwh) {Component Uranyum Dönüştürme Zenginleştirme On kısım için ara toplam Kullanılmış yakıtın taşınması/depolanması Kullanılmış yakıtın dinlendirilmesi/gömme Arka kısım için ara toplam Toplam maliyet İlk kalp OECD/NEA (1991) Yeniden Yükleme Toplam 1.64, Dkkalb Bu çalışma (1997) Yeniden Yükleme Toplam (»> 4.26 Arka kısım değerleri [3] numaralı referanstaki değerlerin aynısı olarak alınmıştır (OECD/NF.A 1991) 472

9 Tablo 7- CANDU Yakıt Çevrimi Maliyet Hesaplamaları için Temel Veriler(*) Reaktör tipi Termal çıkış Gros-eiektrik çıkışı Net elektrik çıkışı Loadfaktörü Çalışmaya başlama yılı Tesis ömrü Yakıt yanma oram (b) Yakıt kütle dengesi Doğal uranyum UO 2 'ye dönüştürme Kullanılmış yakıtın taşınması Kullanılmış yakıtın depolanması Kullanılmış yakıtın gömülmesi Uranyum temini UO 2 'ye dönüştürme Kullanılmış yakıtın gömülmesi UOj'ye dönüştürme Iskonto oranı Uranyum ve Plütonyum kredisi l.reaktör ve yakıt datalan 2.Maliyet datalan 3.Yakıt çevrimi datalan Lead/lag zamanı Kayıp oranı 4. Diğer (latalar REFERANS PHWR 2779 MWt 935 MWe 881 MWe yıl 8330 MWgiln/t Ref.[3]'e bakınız 65 $/kgu (1991)[3] 28 $/kgu (1997)[2] 8 S/kg U 65$/kgU./- 13 $/kg ağır metal (c) 73 $/kgağır metal 17 ay 13 ay 10 ay 10 yıl %0.5 %0.5 5% yıllık Kredi yok O Bütün datalar ref.(3]'den alınmıştır Düşürülmüş ortalama (b) Denge şartlarında (c) Kullanılmış yakıt reaktörde 10 depolanacaktır, maliyetlere işletme ve bakım masraflanda dahil edimiştir. Tablo 8- CANDU Reaktörünün Bir Değere Getirilmiş Yakıt Çevrimi Maliyeti OECD/NEA (1991) Bu çalışma (1997) Komponent Yakıt temini UO 2 'ye dönüştürme Ön kısım için ara toplam Kullanılmış yakıtın taşınması Kullanılmış yakıt görmşe""~ Arka kısım için ara toplam GENEL TOPLAKfo Mills/kWsaat '" 2.86 Yüzde ' '- 100 Mills/kWsaat YÜHfe ]»& ^2= 4.4T ", - 27^fc3 473 NEXT PAGE(S) left BLANK