包壳管是核反应堆主要保护屏障,锆合金是包壳管材料首选。核电站主要利用核反应堆中的核裂变反应,从而释放大量的热能,来推动蒸汽轮机发电,其中包壳管主要作用是保障核燃料不受氧化和腐蚀,同时能够承受放射性衰变带来的高温和高压,是反应堆主要保护屏障。由于包壳管材料要求极高,锆合金材料优点多,目前全球主要核电站反应堆包壳管以锆合金材料为主。
1、锆合金主要用于核电包壳管 包壳管是核反应堆主要保护屏障,锆合金是包壳管材料首选。核电站主要利用核反应堆中的核裂变反应,从而释放大量的热能,来推动蒸汽轮机发电,其中包壳管主要作用是保障核燃料不受氧化和腐蚀,同时能够承受放射性衰变带来的高温和高压,是反应堆主要保护屏障。由于包壳管材料要求极高,锆合金材料优点多,目前全球主要核电站反应堆包壳管以锆合金材料为主。
2、原子能时代第一金属 锆性能优异在核电领域应用广泛,被誉为“原子时代的第一号金属”。锆具有很高的化学稳定性,在常温下与大多数化学物质都不发生反应,同时锆的熔点很高,在高温下不易熔化,而且锆的密度、强度和刚度都十分适宜核燃料外壳的要求,能够有效地承受高压和高温,最重要的是,锆对中子的吸收性很低,能够有效地减小燃料棒中子吸收截面积,提高热效率。因此,除了核燃料包壳管外,锆合金还被广泛用作反应堆内的各类结构材料,在核工业中拥有无可比拟的价值,被誉为“原子时代的第一号金属”。当前核电领域主要的锆合金材料有Zr-2、Zr-4、Zr-2.5%Nb三种合金以及美国西屋公司的ZIRLO合金、日本的NDA合金和法国的M5及低锡锆合金等。
3、锆合金包壳管属于易耗品,需定期更换 包壳管材料属于易消耗品,需定期大量更换。由于锆合金在核反应堆内受中子辐照,力学性能会发生变化,强度升高,延性会降低、变脆,以及辐照伸长和扭曲变形,产生蠕变和内应力等现象,使其综合性能变差。因此,包壳材料属于一种高消耗品,需要定期更换,通常每年需要更换1/3 的组件材料。
锆合金材料加工难度大,成材率较低。核用锆合金管件的加工流程包括锆合金铸锭的熔炼、铸锭锻造、β相区淬火、热轧、反复的冷轧及退火等,加工工序多,原料成材率较低。美国的华昌、西屋电气, 法国的法玛通等公司在锆合金生产领域处于世界领先水平,2020年我国企业国核锆业在消化吸收美国西屋公司Zirlo合金生产技术之后,建立了完整自主化的锆材加工生产线,实现了锆合金铸锭大规模国产化的突破。
4、全球核电开启高景气周期 海外核电迎来重启浪潮,全球核电行业开启高景气周期。全球双碳减排背景下,核能作为一种低碳的清洁能源,相比光伏、风能、氢能 等其他可再生能源,兼具高密度、清洁、低碳、长期稳定运行等优势,被越来越多的国家重视。据IAEA数据,全球2023年核电装机容量为3.72亿千瓦,核能发电量为2.598万亿千瓦时,占全球总发电量的9.2%。目前全球各个国家和地区相继调整核电政策,加快核电站建设布局。根据各国政府官网,英国政府计划2030 年前每年批准建设一座、总计八座核反应堆;波兰计划于2026年开工建设第一座核电站;德国也计划将三个核电站的使用寿命延长。2024年3月,拜登政府宣布,美国联邦政府将提供15亿美元贷款,用于重启密歇根州西南部的Palisades核电站,这将是美国历史上首次重启已关闭的核电站。2024年4月,东京电力已向柏崎刈羽核电站反应堆输送核燃料,预计将于今年10月重启开始发电。核电行业步入高景气周期,全球核电装机容量或将继续快速增长。据国际原子能机构乐观预测,到2030 年全球核电装机容量将有望达到480GW。
我国核准装机机组逐年增加,核电装机持续加速。截至2023年底,在建核电机组26台,总装机容量3030万千瓦,均保持世界第一。2019 年我国重启核电机组核准,2019-2024 年相继核准4/4/5/10/10 /11台核电机组。
5、核电领域锆需求稳步增长 核电进入高景气度时代,全球核电领域耗锆量稳步增长。根据前文核电装机需求预测和《锆材在核电站的应用及前景》,核电首次装机单GW所需合金约30吨,核电站每年更换比例约三分之一,从海绵锆到锆合金成材率约50%~70%,我们测算到2025/2030 年全球核电领域核级海绵锆的需求量将达到0.75/0.87万吨,对应2022-2030 年CAGR 为4.0%。