我国作为一个航运大国，远洋船舶运输动力主要以燃油为主；随着国际能源紧张、石油价格飞涨，经济发展与燃油的供需矛盾日益突出。同时，国际组织对航运业减排要求的提高，以燃油为动力的商船面临新的选择，亟需可替代能源去适应时代发展的需求。
核动力船舶以其无温室气体排放的显著优点逐步受到人们的重视。然而，发展和使用核动力商船需要巨大的投资成本。因此，分析和比较核动力商船与普通燃油商船的运行成本，是核动力商船的投入实际应用的关键前提。目前，国外关于核动力商船经济性分析与论述的研究相对较少，至今国内尚未有相关论述及研究的报道。本文以38.8 万吨矿砂船为目标船型，将普通燃油矿砂船与核燃料富集度分别为4.45%和16.5%的核动力矿砂船在全寿命周期内的运行费用进行分析、比较和总结，为核动力矿砂船的经济可行性奠定基础。
1.1 目标船型
核动力商船的成功应用，首先必须要求核动力商船在经济上是可行的（即：运行成本小于或等于普通燃油商船）。核动力商船应用的潜在目标船型主要包括：集装箱船，矿砂船，油船等大型运输船舶。本文以38.8 万吨矿砂船为目标船型，全寿命周期为25 年。
1.2 运行费用主要构成
商船运行费用主要分为三类：
（1）建造投资费用。它包括船舶动力装置投资费用与船体整体投资费用，其中商船整体投资费用应含有银行5%的利息。同时船的拆卸回收费用需在建造费用中扣除。对于核动力商船，建造投资费用还包含退役费用。
（2）燃料费用。对于普通商船，燃料费用为重油燃烧的费用，核动力商船燃料费用为核燃料燃烧的费用。其中核燃料分为富集度4.45%和16.5%两种类型。关于核燃料的后处理费用，目前只有美国和法国具有相对成熟的后处理技术，国际上还未形成核燃料后处理费用的统一标准，我国还未掌握核燃料后处理技术。与此同时，相比我国陆上大型核电站，核动力船舶核燃料量较少，核燃料的后处理可归入国家核电站核燃料统一处理（深埋）。因此，核动力船的核燃料后处理费用较低，核燃料的费用计算中暂不考虑核燃料的后处理费用。
（3）运行与管理费用。运行与管理费用包含很多内容，主要以人员工资、折旧费和维修费用为主。此外，核动力商船运行与管理费用还包括换料费。全寿命周期运行费用为建造投资费用（含利息）、燃料成本费用和运行管理费用之和。
1.3 影响因素
商船的运行费用应为全寿命周期的运行费用。由于国际能源供应形势的转变，油价的变化被认为是商船运行费用中变化幅度最大的因素。但是，在全寿命周期内，鉴于普通商船与核动力商船运行费用之间的比较，通常须要假定油价是固定不变，本文中的油价假定为480 美元/t，即80 美元/桶（2011年国际石油价格约为100 美元/桶）。除此之外，商船建造投资偿还银行利息会提高商船的运行费用；核燃料价格与商船的运行管理费用的波动同样也会对商船运行费用产生影响。这些影响商船运行费用的因素，本文中都做了相应假设。
2.1 建造投资费用计算
（1）船舶动力装置投资费用据某厂的资料，普通矿砂船动力推进装置及相关设备价格为1 314 万美元，折合约9 000 万元人民币。核燃料富集度分别为4.45%和16.5%的核动力矿砂船核动力装置的建造费用相同。核动力装置投资按每千瓦投资费用计算，目前俄罗斯巴尔迪斯造船厂在建的海上浮动核电站功率为70MW，成本为2.32 亿美元，折合每千瓦的投资为3 314 美元。根据相关资料，散货船核动力装置投资每千瓦约为3 500 美元。综合上述资料并结合我国实情，核动力矿砂船核动力装置每千瓦投资应约为3 000 美元，功率为2.94 万千瓦的矿砂船核动力装置投资费用约为9 000 万美元。
（2）船体建造费用普通矿砂船与核动力矿砂船船体结构有所不同，但其投资费用相差较小，假定船体建造费用都约1 亿美元。
（3）银行利息费用船舶动力装置与船体建造费用之和为设备总投资额。银行年利息按5%进行计算，且假定10 年内偿还所有债务。
（4）拆卸回收费。拆卸回收费是指船舶退役后，拆卸该船所得收益。燃油矿砂船拆卸回收费用为1 000 万美元，核动力矿砂船为2 000 万美元。
（5）退役费用。燃油矿砂船无退役费用，核动力矿砂船退役费用约为4 500 万美元。
2.2 燃料费用计算
普通燃油矿砂船燃料费用计算
油价：假定矿砂船全寿命周期内燃油价格为 480 美元/吨，即 80 美元/桶。耗油量：该矿砂船日耗油量96 t，每航次运行无数为70d，考虑往返航线船舶载重量的不同，矿砂船往返一次所需油耗近似为该船满负荷运行60 d 所耗油量。每年预计可运行5 航次，则每年运行天数为300 d。每年耗油量为(2.88×10) t。燃油成本：每年燃油成本约为1 382 万美元，全寿命周期内燃油成本约为3.456 亿美元。2.2.2 核动力矿砂船核燃料费用计算
（1）核燃料价格。
核燃料价格主要包括核燃料循环的前端和后端，核燃料循环的前端主要是核燃料组件的生产，核燃料循环的后端主要是乏燃料的后处理。核燃料组件的生产包括：原料购置、转换、浓缩、元件制造四个阶段。本文的核燃料价格暂不考虑乏燃料后处理。4.45%富集度核燃料价格计算：1kg 富集度为4.45%的核燃料需消耗约10kg 天然铀，分离功约为6.0SWU（贫料中，U235 的含量为0.3%）。取：天然铀单价为50 美元/磅，元件制造费为400 美元/kg、转换费为3.2 美元/ kg，分离功费为110 美元/(kg·SWU) 。经计算富集度为4.45%的核燃料单价约为2000 美元/kg。16.5%富集度核燃料价格计算：1kg 富集度为16.5%的核燃料需消耗约39kg 天然铀，分离功约为30SWU。经计算富集度为16.5%的核燃料单价约为8 600 美元/kg。
（2）核燃料消耗量。
核燃料消耗量主要与压水堆的输出功率、铀燃耗深度、热效率以及运行的天数有关。4.45%富集度核燃料消耗量计算：在已建造的核动力商船中，核燃料燃耗深度约为7 000MWd/ t，核燃料的富集度约为4%左右（如：陆奥为3.99%，萨瓦纳为4.4%，奥拓汉为4.03%)。奥拓汉的最大输出轴功率为8MW，堆芯寿期为500d（满功率），装料量约为2.98 t 。根据目前可应用于船舶的压水堆技术水平，核燃料约为4%时，燃耗深度可达到30G Wd/t。核动力矿砂船推进功率为2.94×10kW，铀浓度约为4.45%，热效率为25%。换料周期为2 年。普通燃油船舶每年满功率运行天数为300 天，核动力装置燃料的填装量应考虑核燃料功率的持续性，因此在设计中应留有一定的裕量，假定每年满功率运行365 天。经计算，矿砂船核动力装置换料量约为2.88 t。16.5%富集度核燃料消耗量计算：核动力矿砂船推进功率为2.94×10kW，铀浓度约为16.5%，燃耗为95GWd/t，热效率为25%，换料周期为5 年。经计算，矿砂船核动力装置换料量约为2.274 t。
（3）核燃料成本：
4.45%富集度核燃料全寿命周期成本计算：每2 年核燃料成本约为576 万美元，全寿命周期25 年内核燃料成本约为7 200 万美元。16.5%富集度核燃料全寿命周期成本计算：5 年核燃料成本约为1 955.7 万美元，全寿命周期25 年内核燃料成本约为9 778.5 万美元。
2.3 运行与管理费用计算
2.3.1 燃油矿砂船运行与管理费用
人员管理费用：若燃油矿砂船约有20 名船员，平均每人每年4 万美元（折合约24 万人民币），每年该船人员总工资80 万美元，全寿命周期内人员工资为2 000 万美元。维修费用：普通远洋船舶维修费用占船舶固定费用（不含燃油费用）15%，大型矿砂船维修费用占船舶固定费用应较低，全寿命周期维修费用约为：2 200 万美元。折旧费：根据相关资料，以直线折旧法来计算船舶营运的折旧费，若船舶到计划使用年限的残值为新船造价的10%，则折旧费约为9 000 万美元。
2.3.2 核动力矿砂船运行与管理费用
（1）核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船运行与管理费用人员管理费用
若核动力矿砂船约有25 名船员，平均每人每年5 万美元（30 万人民币），每年该船人员总工资125 万美元，全寿命周期内人员工资3 125 万美元。换料费用：核动力船舶每1~2 年进行一次核燃料更换，每次更换大约须要600 万美元，持续时间为35~40 天。全寿命周期内换料费约为9 000 万美元。维修费用：核动力矿砂船的维修费用应包括船体维修和核动力装置维修。船体维修假定与普通燃油矿砂船维修费用相同，核动力装置维修采用核电站维修费用比例1.35%。全寿命周期维修费用约为3 500 美元。折旧费：由于核动力船舶的折旧费未见相关资料论述，在计算过程中，参照普通船舶的折旧方法，以直线折旧法计算，又由于核动力装置退役费用已包含，故此处核动力船舶折旧费中所包括的核动力装置折旧费用较低，经计算全寿命周期折旧费用约为1 亿美元。
（2）核燃料富集度为16.5%的核动力矿砂船运行与管理费用
核燃料富集度为16.5%的核动力矿砂船人员管理费用和维修费用与核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船相同，分别为3 125 万美元和3 500 万美元。换料费用：核动力船舶每5 年进行一次核燃料更换，每次更换大约600 万美元，持续时间为35~40天。全寿命周期内换料费3 000 万美元。人员管理费用、维修费用和折旧费与核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船费用相同。
2.4 全寿命周期运行费用计算
全寿命周期运行费用为全寿命周期建造总投资（含利息）、全寿命周期燃料费和全寿命周期运行管理费用之和。
经上述分析，核动力矿砂船与燃油矿砂船全寿命周期运行费用。根据核动力矿砂船与燃油矿砂船全寿命周期运行费用数据表和经济性分析图，可以得出以下结论：
（1）在全寿命周期内，核动力矿砂船相比燃油矿砂船具有较好的经济性：核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船相比燃油矿砂船，其运行费约有5%的节省；核燃料富集度为16.5%的核动力矿砂船相比燃油矿砂船，约有10%的节省。
（2）核动力矿砂船建造总投资（含利息）费用约为普通燃油矿砂船建造总投资（含利息）费用的2倍。其中核动力矿砂船船的新建投资大约占总运行费用的50%。
（3）普通燃油矿砂船全寿命周期燃料成本费用比核动力矿砂船全寿命周期燃料成本费用大，且燃料费用比例会随油价的变化而剧烈变化。一般而言，普通燃油船的燃油成本占总成本的比例超过50%，若油价上涨30%，可导致总成本上涨接近15%。
（4）核动力矿砂船全寿命周期运行与管理费用比普通燃油矿砂船运行与管理费用大，其中富集度为4.45%核动力矿砂船的换料费用是富集度16.5%核动力矿砂船换料费用的1.3 倍。
（5）核燃料富集度为16.5%的核动力矿砂船相对核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船有较高的核燃料费用，而运行与管理费用中的换料费用相对较低；综合来看，核燃料富集度为16.5%的核动力矿砂船比核燃料富集度为4.45%的核动力矿砂船具有较好的经济性。
（6）通过对富集度为4.45%的核动力矿砂船与普通燃油矿砂船全寿命周期内运行成本费用进行计算分析，得出：当油价高于450 美元/ t 时，核动力矿砂船船25 年全寿命周期内的总运行成本低于传统矿砂船的总运行成本，具有较好的经济性。
对不同核燃料富集度的核动力矿砂船与普通燃油矿砂船全寿命周期内运行成本费用进行了分析。可以看出：核动力矿砂船全寿命周期内的总运行成本低于传统矿砂船的总运行成本，具有较好的经济性。同时，若核动力矿砂船采用较高富集度的核燃料，具有更好的经济性。此外，核动力船舶能以较少的核燃料消耗，实现远洋船舶高速化运营。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗将大幅上涨。由此可见，随着国际石油价格的飞涨，核动力船舶相比普通燃油船舶具有较好的经济性优势。同时，随着国际对节能减排要求的不断提高，核动力船舶在减排方面也具有重要的意义。
