Economics of nuclear power plants : bottom-up cost estimation model for Small Modular Reactors

As recent history has shown, the construction of large, increasingly complex reactors has led to a dramatic escalation in costs, jeopardising the execution of construction projects and alienating potential investors. SMRs target a smaller market and shift the focus from economies of scale to economies of multiples. Factors such as modularization, passive safety systems and co-siting economies are not considered by top-down cost estimation models based on traditional PWRs. These models will overestimate the costs of NPPs by only charging them for the loss of economies of scale. Therefore, innovative, and more elaborate estimation models capable of capturing all the nuances of designs based on SMRs, are needed. To this end, the Thesis proposes a bottom-up cost estimation, based on the development of specific equations for each cost item defined by the Code of Accounts, proposed by the DOE. The most impactful components of the nuclear power plant, such as the Reactor Pressure Vessel, are discriminated and estimated through detailed cost analysis in collaboration with experienced Italian manufacturers. Other items, such as those related to the civil constructions, are estimated using information from secondary sources, while less relevant items are estimated using traditional methods based on scale factors, considering the impact of SMRs based NPPs characteristics. This approach led to the construction of a model with an estimated accuracy of -30%/+50%. Which was then tested on the two extreme SMR concepts: IRIS with an output of 335MWe and NuScale of 77MWe. Considering the two-module plant of IRIS an Overnight Capital Cost of 2,880 €/kWe is estimated with reference to nth facility built. For NuScale's 12-module plant an OCC of 3,250 €/kWe is estimated. On the other hand, considering an OCC of 3,080 €/kWe for traditional PWR, the results obtained for SMRs demonstrate their competitiveness. The importance of adopting the bottom-up cost model is evident when comparing the values obtained with those derived from the scaling relationships, respectively 9,064 €/kWe and 5,034 €/kWe, for NuScale and IRIS plants respectively.

Come la storia recente dimostra, la costruzione di grandi reattori, sempre più complessi, ha portato a una drammatica escalation dei costi mettendo a rischio l'esecuzione dei progetti e allontanando i potenziali investitori. Gli SMRs puntano a un mercato più piccolo, spostando l'attenzione dall’ economie di scala a quelle dei multipli. Fattori come modularizzazione, sistemi di sicurezza passivi e economie di co-siting, non sono considerati dai modelli di stima top-down basati su PWRs tradizionali. Questi, infatti, sono destinati a sovrastimare i costi delle NPPs addebitando loro solo la perdita di economia di scala. Pertanto, sono necessari modelli di stima innovativi capaci di catturare tutti i vantaggi dei progetti basati su SMRs. A tal fine, la Tesi propone una stima dei costi bottom-up, fondata sullo sviluppo di modelli specifici per ogni voce di costo definita dal Code of Accounts proposto dal DOE. I componenti più rilevanti della NPP, come il Reactor Pressure Vessel, sono discriminati e stimati attraverso equazioni di costo definite in collaborazione con esperti produttori italiani. Altre voci, come quelle relative alla parte civile, sono stimate utilizzando informazioni da fonti secondarie, mentre le voci meno rilevanti sono stimate con metodi basati su fattori di scala, sempre considerando l'impatto delle caratteristiche delle NPP basate su SMRs. Questo approccio ha portato alla costruzione di un modello con un'accuratezza stimata di -30%/+50%. Questo è stato poi testato sui due concetti estremi di SMR: IRIS con una potenza di 335MWe e NuScale di 77MWe. Considerando l'impianto a due moduli di IRIS un Overnight Capital Cost di 2880 €/kWe è stimato facendo riferimento all’ennesimo impianto costruito. Per l'impianto di NuScale a 12 moduli, un OCC di 3250 €/kWe è stato stimato. D’altra parte, prendendo in considerazione un OCC di 3080 €/kWe relativo a PWRs tradizionali, i risultati ottenuti per gli SMRs dimostrano la loro competitività. L'importanza di adottare il modello di costo bottom-up è evidente quando si confrontano i valori con quelli derivati dalle relazioni di scala, cioè 9064 €/kWe e 5034 €/kWe, relativi agli impianti di NuScale e IRIS.