机械行业周报：乏燃料后处理迫在眉睫，投资机会有哪些？

本周关注：天地科技、郑煤机、华荣股份、苏试试验 本周核心观点：近期宏观环境波动，对设备行业股价影响较大。我们认为，短期影响依然没有消除，整体判断仍然延续波动走势。当前，上游资源品涨价、政府稳增长仍然是相对确定的两条主线，相关的煤机、油服、核电、氢能等设备板块预计将有所受益。 乏燃料对环境危害性极大，但具有再利用价值。乏燃料是指核燃料中裂变核素铀逐步消耗，不足以维持裂变反应后从反应堆中取出的燃料，乏燃料后处理一方面可循环利用铀、钚元素，降低我国对铀资源的依赖度，另一方面可降低对环境的威胁。乏燃料的半衰期可达数万年，放射性对环境也有很大威胁，处理后高放废物的体积将被压缩到原来的1/4，其长期放射性毒性将被降低一个数量级以上。 我国乏燃料后处理能力十分匮乏，未来市场空间达千亿。据头豹研究院数据，每100万千瓦核电设备容量的乏燃料年产量约为21吨。据此我们测算，2021年乏燃料产量约为1123吨，累计产量为9841吨。相比之下，目前我国的乏燃料处理能力仅为50吨。据我们测算，到2030、2035年，乏燃料年产量将分别达到1876吨、2394吨，则届时我国至少分别建成2座、3座800吨处理厂（或等量的处理能力），才能实现乏燃料产量和后处理能力的平衡。预计到2030年乏燃料后处理的市场空间分别为3000亿元，其中设备投资约1527亿元。到2035年乏燃料后处理市场空间约为4500亿元，其中设备投资约2290亿元。 预计2025年在堆储存能力将达到饱和，后处理项目属于刚性需求，确定性较高。根据《中国经营报》，中国目前的核电站是按照自身存储10年乏燃料设计。则每建造100万千瓦机组，对应增加200吨乏燃料储存能力。根据我们的测算，到2025年，即装机容量达到7000万千瓦时，我国核电站乏燃料储存能力将出现饱和。 因此，虽然乏燃料储存能力随核电装机容量增加而增加，但乏燃料累计的速度要高于贮存能力的增速。由此可见，与乏燃料后处理产能之间的矛盾日益突出。而实际上，根据兰石重装2021年年报，目前大亚湾核电站在对贮存水池已经饱和，开始向岭澳二期倒运；到2025年，预计将有超过10个核电站在堆贮存能力饱和。 我国选择乏燃料后处理技术路线已成定局，PUREX是目前的主流技术路线。世界上处理乏燃料的方式主要分两种，一种是通过剪切封装后直接进行深埋，瑞典、加拿大、西班牙、美国采取这种方式。另一种是闭式燃料循环，即分离铀、钚元素，降低活性核放射性后在进行填埋，目前法、英、日、印度等国家均采用这一路线，中国也选择这一技术路线。PUREX是目前乏燃料后处理的主流技术路线，其工艺流程主要包括首端处理（切割、去包壳、溶解、过滤等）、萃取分离（铀、钚与裂变产物的分离与净化）、尾端处理（铀、钚氧化物的生成）。 主设备国产化任重道远，部分领域已取得突破。目前我国后处理产业已实现部分设备国产化，进入市场推广阶段，如中子吸收材料、常规机械电气设备。部分产品需在现有核电基础上进行适应性开发或改进，如远距离操作阀门、机械手、热室等。 然而，PUREX技术的工艺流程主设备技术难度较高，国产化仍然任重道远。例如，剪切机、溶解反应器、离心澄清器、脉冲过滤器、萃取分离器、玻璃固化装置等。 投资建议：建议关注江苏神通、景业智能、兰石重装、通裕重工、应流股份。 风险提示：订单取得不连续导致业绩波动的风险，乏燃料项目推进不及预期风险，客户集中度较高的风险。 1上周组合表现 上周关注组合:天地科技、郑煤机、吉林碳谷、华荣股份。截至2022年4月29日，周区间涨跌幅1.24%，同期机械设备申万指数涨跌幅—2.84%，同比跑赢设备指数。组合开始至今，累计收益率-26.99%，跑输沪深300指数9.12pct，跑赢申万机械指数2.19pct。 2为什么说乏燃料处理迫在眉睫？ “碳中和”背景下，核电凭借高能效、污染小、环境友好、单机容量大、发电量稳定等优势，将成为未来基荷能源的重要组成部分。而核燃料循环是发展核电过程中不可忽视的环节，在装机容量日益增加的背景下，如何处理日益增加的核电乏燃料，保障工业体系安全稳定运行，是目前核电发展亟待解决的问题。 核燃料循环产业是整个核工业产业链的一环，也是核能发展的大动脉，包括铀矿开采、冶炼、转化纯化、同位素分离、燃料元件制造、乏燃料后处理、放射性废物处理处置、核电站反应堆等多个环节。从矿产开发到最终的地质填埋，通常会经理一个完整的燃料循环。 其中，随着核电运行，燃料中裂变核素铀逐步消耗，不足以维持裂变反应，从反应堆中取出的燃料称为乏燃料，或辐照过的燃料。把已经使用的3%-4%的铀废料（乏燃料），以化学方法将铀和钚从裂变产物中分离出来，称为乏燃料再溶解和后处理技术，这也是核燃料循环后段中最关键的一个环节。 图1：核燃料循环示意图 图2：乏燃料的构成 为什么要处理乏燃料？ 乏燃料处理的目的主要是提升资源利用率、降低对环境的威胁，而这与乏燃料的成分构成息息相关。 乏燃料主要有铀元素、钚元素，及其裂变产物构成。1）铀元素：乏核燃料中的96%的质量是剩余的未反应的铀，大多数是铀-238（具有放射性），一小部分是铀-235（可循环利用），通常质量分数小于0.83%，一小部分是铀-236，质量分数约为0.4%。铀-236是一种很棘手的长寿命放射性废物。2）钚元素：乏核燃料中大约1%的质量是钚-239和钚-240，这些钚由铀-238俘获中子后经β衰变而产生，它们既是一种有用的副产品，也是危险的、难以处理的废料。3）裂变产物：乏燃料中质量占比约3%的物质是铀-235和钚-239的裂变产物及它们的衰变链的间接产物。虽然这些物质被认为是放射性废物，但仍然具有很多工业和材料上的用途，如分离裂变产生的贵重金属如银和铂族金属钌，铑，钯，可以或多或少的补偿再处理的成本。 乏燃料闭式循环可提升铀、钚元素利用率。常规的裂变反应堆将铀-235作为燃料，然而，一般轻水堆采用3-4%浓缩铀235为原料，即真正参与核反应的原料只有3-4%，余下的则是会产生辐射的铀-238废料。由于目前的反应堆技术对核燃料中的铀利用率较低，乏燃料中仍有可观的铀和钚可以回收再利用。我国为贫铀国，国内铀资源大部分属于非常规铀，开采成本较高，近年来我国铀资源对外依存度常年维持在70%以上，主要供应国家有哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、加拿大、纳米比亚、尼日尔和澳大利亚。因此，建立乏燃料后处理闭式循环，对于提升我国铀资源利用率，制备钚铀混合燃料用于热堆、快堆，提升铀、钚等资源战略储备，保障能源安全等具有重要意义。 乏燃料后处理可降低对环节的威胁。乏燃料的半衰期可达数万年，其放射性对环境有很大的威胁，因此必须妥善处理。随着我国核电站运营规模不断扩大，乏燃料数量逐步增加。据头豹研究院数据，每100万千瓦核电设备容量的乏燃料年产量约为21吨，另据华经产业研究院数据，2020年中国乏燃料产量为1298吨，累积待处理乏燃料8718吨，而目前我国乏燃料处理能力仅为50吨/年，在建处理能力也仅为200吨/年，未形成规模化乏燃料后处理能力，离堆贮存能力也已基本饱和，无法满足未来乏燃料的处理需求。乏燃料后处理后，高放废物的体积将被压缩到原来的四分之一，其长期放射性毒性将被降低一个数量级以上。 图3：2013-2020年中国乏燃料产量及累积情况 图4：2011-2020年政府性基金乏燃料处理处置支出 我国乏燃料后处理的现状如何？ 已有处理产能：我国于2006年，在甘肃兰州建造了第一座乏燃料后处理中间试验厂，中核四零四厂，该厂拥有一座容量为500t的乏燃料贮存水池，目前正在建设一座容量为800t的乏燃料贮存水池，拥有年处理50t的乏燃料处理能力，2011年该中试厂热调成功，2013-2015年间对约50吨的乏燃料进行了再处理。这标志着我国初步掌握了后处理核心技术，也是我国目前仅有的已建成乏燃料后处理厂。 后期规划：后续乏燃料处理厂的规划主要有两个项目，一是建设2个具有国内自主知识产权，年处理能力达200吨的大型商用乏燃料后处理厂。另一个是中法合作建设的800吨后处理厂。 2012年12月，中核集团在第二次科技工作会议上发布“龙腾2020”科技创新计划，首批入选的8个示范工程就包括具有自主知识产权的200吨大型商用乏燃料后处理示范工程。截至目前，第一座200吨处理厂正处于建设中，预计于2025年开始运营。而第二座200吨乏燃料处理厂也在2020年底开始建设。根据《甘肃日报》2017年11月报道，甘肃省政府与中国核工业集团公司在兰州签署战略合作协议，中核集团将投资5000亿元，与甘肃省在核技术产业园、装备制造等领域开展合作。甘肃核技术产业园主要聚焦核循环产业，按照800万吨处理厂耗资约1500亿元计算，5000亿元投资约对应2600吨左右处理能力。由此可见，未来乏燃料处理领域仍有较大成长空间。 2013年4月，中核集团与法国阿海珐签署了年处理能力800吨，储存能力600吨的乏燃料商业处理-在循环工厂合作项目，该项目从设计、施工到调试约需要10年时间，原预计于2020年开始建设，2030年投产。但由于处理厂选址问题，以及当地民众协调问题，项目一直被搁置。 3乏燃料后处理领域市场空间测算 中国核电站自1994年第一座秦山核电站开始运营，至今已积累了较大规模的乏燃料。随着中国“双碳”目标的公布，核能作为清洁能源备受关注和重视。这里，我们对未来乏燃料后处理的市场规模做如下测算： 装机容量的测算： 根据《中国核能发展报告2021》，2020年，我国商运核电机组达到48台，总装机容量为4988万千瓦，装机量仅次于美国、法国，位列全球第三，核电总装机容量占全国电力装机总量的2.27%。截至2021年9月30日，我国运行核电机组共52台（不含台湾地区），比2020年新增4台，装机容量为5349万千瓦（额定装机容量）。随着2022年1月1日国内第二台华龙一号机组福清核电站6号机组并网发电，我国并网发电机组达到53台，总装机容量5463.695万千瓦。，仅次于美国的93台9552.3万千瓦和法国的56台6137万千瓦，继续位居世界第三位。 根据《“十四五”规划和2035远景目标纲要》，至2025年，我国核电运行装机容量达到7000万千瓦，在建装机规模接近4000万千瓦。到2035年，我国核电在运和在建装机容量将达到2亿千瓦左右，发电量约占全国发电量的10%左右。则按照2021年年底5349万千瓦装机容量计算，2022-2025年装机容量CAGR为6.96%，假设“十四五”期间，我国核电装机容量按照该增速保持匀速增长，可以分别测算出2022-2025年每年装机容量。 由于纲要中并未明确给出2035年在运装机容量的目标，这里保守估计，假设2025-2035年核电运行装机容量CAGR为5%。 乏燃料产量测算： 据华经产业研究院数据，截至2020年中国乏燃料累积待处理乏燃料8718吨，另据头豹研究院数据，每100万千瓦核电设备容量的乏燃料年产量约为21吨，据此，可以大致测算出，到2025、2030、2035年，乏燃料年产量将分别达到1470吨、1876吨、2394吨，累计产量将分别达到1.52万吨、2.37万吨、3.46万吨。 根据《中国经营报》，中国目前的核电站是按照自身可以存储10年乏燃料设计。假设100万千瓦核电机组对应20吨/年乏燃料产量计算，则每建造100万千瓦机组，对应增加200吨乏燃料储存能力。据此，我们可以根据每年的装机容量大致测算出相对应地乏燃料储存能力。根据我们的测算，到2025年，即装机容量达到7000万千瓦时，我国核电站乏燃料储存能力将出现饱和。因此，虽然乏燃料储存能力随核电装机容量增加而增加，但乏燃料累计的速度要高于贮存能力的增速。由此可见，乏燃料后处理的刚性需求，与乏燃料后处理产能之间的矛盾日益突出，因此乏燃料后处理项目的确定性较高。 表1：“十四五”~”十六五”期间乏燃料产量测算 而实际上，根据兰石重装2021年年报，目前大亚湾核电站在对贮存水池已经饱和，开始向岭澳