核电关键材料行业概况和发展趋势
思瀚产业研究院 西诺稀贵    2023-09-06

核反应堆是核电站的核心组成部分，通过核裂变反应将核能转化为热能。核反应堆的结构包括堆芯、压力容器和堆内构件，其中，堆芯由燃料组件、控制棒组件、中子源组件、可燃毒物组件及阻流塞组件构成。目前，压水堆核电站的堆芯材料可按用途分为以下种类：

在堆芯中，燃料组件及控制棒组件为核心工作组件，另外三个组件为相关组件。燃料组件可通过核裂变反应释放热中子和热量，热中子使核裂变反应持续进行，热量用于发电。控制棒组件可通过中子吸收体材料来吸收热中子，改变堆芯中子数量以实现对核反应堆功率的调节和紧急停堆，从而保证核反应堆运行安全。

燃料组件、控制棒组件及相关组件的结构及功能材料在核反应堆堆芯内发挥关键作用，是堆芯的关键材料，主要包括核级不锈钢、锆合金、银合金、镍基合金等。由于核电设备及组件在强辐照、高温、高压、腐蚀等特殊环境下工作，要求所用材料必须能够适应这些应用条件，因此，堆芯关键材料与常规材料相比，不仅在强度、韧性、焊接性能等常规性能上有更高的要求，还必须能够克服辐照、腐蚀对尺寸和性能的影响。

1）核电关键材料在反应堆中发挥重要作用

控制棒组件是通过中子吸收体材料来吸收核裂变反应释放的热中子，从而控制堆芯中子数量来实现对核反应堆功率的调节和紧急停堆的控制，对保证核反应堆的运行安全起关键性作用。前苏联著名的切尔诺贝利核事故的直接原因即控制棒存在缺陷而失效，导致出现突发状况时无法紧急停堆。

组成控制棒的材料元素需要有足够高的中子吸收截面，例如硼、镉、铪等。目前，压水堆核电站主要装载黑棒和灰棒两种控制棒，黑棒一般由银铟镉合金制成，起主要的中子吸收及紧急停堆作用；灰棒一般由不锈钢制成，用于 30%额定功率以上的负荷跟踪。银合金控制棒由银、铟、镉按照 80％、15％和 5％的质量比合金化制成，这种合金具有优秀的中子吸收能力和良好的机械强度。

金属铪可以很好地减速和冷却中子，其所有的同位素均是良好的中子吸收体，且具有优良的机械强度、耐腐蚀性能和使用寿命，但由于原材料稀缺、成本较高而主要用于军事领域的核反应堆。

在压水堆堆芯，除了燃料棒、控制棒以外还包括压紧板、导向筒、吊篮、围板、流量分配板、上下栅格等堆内构件，可以起到支撑燃料棒并为其精确定位、为控制棒提供支撑和导向、合理分配冷却剂流量和减少压力容器内表面的中子注量的作用。由于堆内构件直接面对辐射活性区，并受到冷却剂冲刷腐蚀和高温、高压作用，因此用于制造堆内构件的材料应具有强度高、韧性好、高温性能好、抗腐蚀及抗辐照性能好、热膨胀系数小以及易于加工的性能。目前，适用于压水堆堆内构件的材料主要为奥氏体不锈钢和 Inconel718 镍基合金。

2）核电关键材料国产化程度显著提高

我国前期核电项目以引进利用国外技术为主，相关的堆芯关键材料也以进口国外产品为主。随着我国核电政策持续向好以及对引进技术的消化吸收和自主创新进程的推进，关键设备和材料的国产化成为必然要求。

目前，我国自主核电技术“华龙一号”、“CAP1400”的堆芯燃料组件用燃料芯块已分别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实现了国产化，燃料包壳用锆合金由中核阿海珐（上海）锆合金管材有限公司、西安西部新锆科技股份有限公司、国核宝钛锆业股份公司等进行国产化，而公司则对控制棒组件用银合金控制棒、堆芯用不锈钢及镍基合金材料实现了国产化，顺利完成了“华龙一号”、“CAP1400”堆芯关键材料研制任务，为我国从核电大国走向核电强国以及核电技术“走出去”战略提供重要支撑。

3）核电关键材料市场广阔

根据《中国核能发展报告（2022）》，预计“十四五”期间我国将保持每年6 至 8 台核电机组的核准开工节奏，核电装机规模将进一步扩大；根据《中国核能发展报告（2023）》，截至 2022 年底，我国在建机组达 24 台，继续保持全球第一。

根据中国核能行业协会数据，按照每台核电机组 100 万千瓦装机容量及核电单位造价通常在 1.1 万元-1.8 万元/千瓦计算，则“十四五”期间每年中国核电市场规模约为 825 亿元-1350 亿元，设备市场空间 413 亿元-675 亿元。核电设备主要包括核岛、常规岛、辅助设备，分别占核电设备投资的 58%、22%、20%。由以上可知，核岛市场空间在 240 亿元-392 亿元，常规岛 91 亿元-149亿元，辅助设备 83 亿元-135 亿元。核电设备中，核岛是整个核电站的核心，是核电站所有设备中工艺最复杂、成本最高的部分。

核岛设备主要包括核反应堆（包括堆芯、压力容器、堆内构件）、反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、控制棒及驱动机构、稳压器、主管道等。常规岛主要由管道系统及冷凝器、汽轮机、发电机、汽水分离再热器组成。辅助系统主要包括数字化控制系统、暖通系统。由于技术壁垒较高，核岛设备和堆芯材料的毛利率也较常规岛、辅助系统相比更高。