核电新时代，小金属锆有大作为
思瀚产业研究院    2024-11-02

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%。

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