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核電關(guān)鍵材料行業(yè)概況和發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 西諾稀貴    2023-09-06

核反應(yīng)堆是核電站的核心組成部分，通過核裂變反應(yīng)將核能轉(zhuǎn)化為熱能。核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)包括堆芯、壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件，其中，堆芯由燃料組件、控制棒組件、中子源組件、可燃毒物組件及阻流塞組件構(gòu)成。目前，壓水堆核電站的堆芯材料可按用途分為以下種類：

在堆芯中，燃料組件及控制棒組件為核心工作組件，另外三個組件為相關(guān)組件。燃料組件可通過核裂變反應(yīng)釋放熱中子和熱量，熱中子使核裂變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，熱量用于發(fā)電?？刂瓢艚M件可通過中子吸收體材料來吸收熱中子，改變堆芯中子數(shù)量以實現(xiàn)對核反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)和緊急停堆，從而保證核反應(yīng)堆運行安全。

燃料組件、控制棒組件及相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)及功能材料在核反應(yīng)堆堆芯內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用，是堆芯的關(guān)鍵材料，主要包括核級不銹鋼、鋯合金、銀合金、鎳基合金等。由于核電設(shè)備及組件在強(qiáng)輻照、高溫、高壓、腐蝕等特殊環(huán)境下工作，要求所用材料必須能夠適應(yīng)這些應(yīng)用條件，因此，堆芯關(guān)鍵材料與常規(guī)材料相比，不僅在強(qiáng)度、韌性、焊接性能等常規(guī)性能上有更高的要求，還必須能夠克服輻照、腐蝕對尺寸和性能的影響。

1）核電關(guān)鍵材料在反應(yīng)堆中發(fā)揮重要作用

控制棒組件是通過中子吸收體材料來吸收核裂變反應(yīng)釋放的熱中子，從而控制堆芯中子數(shù)量來實現(xiàn)對核反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)和緊急停堆的控制，對保證核反應(yīng)堆的運行安全起關(guān)鍵性作用。前蘇聯(lián)著名的切爾諾貝利核事故的直接原因即控制棒存在缺陷而失效，導(dǎo)致出現(xiàn)突發(fā)狀況時無法緊急停堆。

組成控制棒的材料元素需要有足夠高的中子吸收截面，例如硼、鎘、鉿等。目前，壓水堆核電站主要裝載黑棒和灰棒兩種控制棒，黑棒一般由銀銦鎘合金制成，起主要的中子吸收及緊急停堆作用；灰棒一般由不銹鋼制成，用于 30%額定功率以上的負(fù)荷跟蹤。銀合金控制棒由銀、銦、鎘按照 80％、15％和 5％的質(zhì)量比合金化制成，這種合金具有優(yōu)秀的中子吸收能力和良好的機(jī)械強(qiáng)度。

金屬鉿可以很好地減速和冷卻中子，其所有的同位素均是良好的中子吸收體，且具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性能和使用壽命，但由于原材料稀缺、成本較高而主要用于軍事領(lǐng)域的核反應(yīng)堆。

在壓水堆堆芯，除了燃料棒、控制棒以外還包括壓緊板、導(dǎo)向筒、吊籃、圍板、流量分配板、上下柵格等堆內(nèi)構(gòu)件，可以起到支撐燃料棒并為其精確定位、為控制棒提供支撐和導(dǎo)向、合理分配冷卻劑流量和減少壓力容器內(nèi)表面的中子注量的作用。由于堆內(nèi)構(gòu)件直接面對輻射活性區(qū)，并受到冷卻劑沖刷腐蝕和高溫、高壓作用，因此用于制造堆內(nèi)構(gòu)件的材料應(yīng)具有強(qiáng)度高、韌性好、高溫性能好、抗腐蝕及抗輻照性能好、熱膨脹系數(shù)小以及易于加工的性能。目前，適用于壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件的材料主要為奧氏體不銹鋼和 Inconel718 鎳基合金。

2）核電關(guān)鍵材料國產(chǎn)化程度顯著提高

我國前期核電項目以引進(jìn)利用國外技術(shù)為主，相關(guān)的堆芯關(guān)鍵材料也以進(jìn)口國外產(chǎn)品為主。隨著我國核電政策持續(xù)向好以及對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和自主創(chuàng)新進(jìn)程的推進(jìn)，關(guān)鍵設(shè)備和材料的國產(chǎn)化成為必然要求。

目前，我國自主核電技術(shù)“華龍一號”、“CAP1400”的堆芯燃料組件用燃料芯塊已分別由中核建中核燃料元件有限公司和中核北方核燃料元件有限公司實現(xiàn)了國產(chǎn)化，燃料包殼用鋯合金由中核阿?，m（上海）鋯合金管材有限公司、西安西部新鋯科技股份有限公司、國核寶鈦鋯業(yè)股份公司等進(jìn)行國產(chǎn)化，而公司則對控制棒組件用銀合金控制棒、堆芯用不銹鋼及鎳基合金材料實現(xiàn)了國產(chǎn)化，順利完成了“華龍一號”、“CAP1400”堆芯關(guān)鍵材料研制任務(wù)，為我國從核電大國走向核電強(qiáng)國以及核電技術(shù)“走出去”戰(zhàn)略提供重要支撐。

3）核電關(guān)鍵材料市場廣闊

根據(jù)《中國核能發(fā)展報告（2022）》，預(yù)計“十四五”期間我國將保持每年6 至 8 臺核電機(jī)組的核準(zhǔn)開工節(jié)奏，核電裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大；根據(jù)《中國核能發(fā)展報告（2023）》，截至 2022 年底，我國在建機(jī)組達(dá) 24 臺，繼續(xù)保持全球第一。

根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，按照每臺核電機(jī)組 100 萬千瓦裝機(jī)容量及核電單位造價通常在 1.1 萬元-1.8 萬元/千瓦計算，則“十四五”期間每年中國核電市場規(guī)模約為 825 億元-1350 億元，設(shè)備市場空間 413 億元-675 億元。核電設(shè)備主要包括核島、常規(guī)島、輔助設(shè)備，分別占核電設(shè)備投資的 58%、22%、20%。由以上可知，核島市場空間在 240 億元-392 億元，常規(guī)島 91 億元-149億元，輔助設(shè)備 83 億元-135 億元。核電設(shè)備中，核島是整個核電站的核心，是核電站所有設(shè)備中工藝最復(fù)雜、成本最高的部分。

核島設(shè)備主要包括核反應(yīng)堆（包括堆芯、壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件）、反應(yīng)堆冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器、控制棒及驅(qū)動機(jī)構(gòu)、穩(wěn)壓器、主管道等。常規(guī)島主要由管道系統(tǒng)及冷凝器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、汽水分離再熱器組成。輔助系統(tǒng)主要包括數(shù)字化控制系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)。由于技術(shù)壁壘較高，核島設(shè)備和堆芯材料的毛利率也較常規(guī)島、輔助系統(tǒng)相比更高。