核电设备专题系列报告（一）：关注核燃料储运装备国产替代投资机会

核燃料循环是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。我国绝大部分核电站都位于东南沿海地区，而核燃料制造厂则坐落于西北部地区，远途运输加之核燃料的特殊属性，其安全性显得尤为重要。本文重点介绍了我国目前六氟化铀容器、新燃料组件运输容器、乏燃料运输容器的参与企业以及对于市场空间的初步测算。在能源安全重要性日益提升的背景下，核燃料运输装备，作为核电设备重要一环，其国产替代的进程不容忽视。 六氟化铀运输容器已相对成熟，国内企业已获批量出口订单：目前，国内从事六氟化铀运输装备的公司主要有中核嘉华（兰石重装旗下）、中核兰州铀浓缩有限公司、西安核设备有限公司、中核陕铀汉中电机设备制造有限公司、南通中集能源装备有限公司（中集安瑞科旗下）等。其中，中集安瑞科已在出口方面获得批量订单，于2022年成功中标欧洲客户3000台六氟化铀储运容器订单，该订单也是国际核燃料运输容器单笔订单的新纪录。根据我们的产业链研究及初步测算，目前国内六氟化铀运输容器市场规模约为数千万元规模。 新燃料运输容器已较快实现国产替代，ANT-12A型号运输容器需求量较大：目前新燃料运输容器已经较快实现国产替代，运输容器型号包括CNFC-300、STC-NF1A、ANT-12A，以及用于实验快堆燃料组件运输的TK-C57、CEFR-MOX-N01。其中，ANT-12A适用于我国目前绝大多数压水堆核电站主要采用的AFA 3G系列新燃料组件，需求量较大。我国国内从事新燃料组件运输容器制造的企业主要有南通中集能源装备有限公司（中集安瑞科旗下）、上海阿波罗机械股份有限公司、四川科新机电、大连宝原核设备有限公司、西安核设备有限公司，以及中国原子能科学研究院等。根据我们的初步测算，预计现有核电机组新燃料组件约需要693个运输容器。按照国产运输容器单价计算，对应市场空间约为10.4亿元。 乏燃料运输容器研发难度极高，目前国内已有样机，但尚未量产：乏燃料运输容器由兼有结构支撑、中子屏蔽、γ屏蔽、导出衰变热的容器本体，以及限制组件移动的格架，确保次临界安全的中子吸收体、缓冲减振器等组成。 目前，国内从事乏燃料运输容器生产的企业主要有大连宝原核设备有限公司、西安核设备有限公司，上海阿波罗、科新机电等企业也在参与研发。目前国内乏燃料运输容器尚未量产，建议关注相关布局企业及最新进展。根据我们的初步测算，预计当前每年乏燃料的产量对应未来3-5年乏燃料运输容器需求量约为115个，对应市场规模约为58亿元。 投资建议：目前国内六氟化铀运输容器已经较为成熟，建议关注兰石重装，以及已获得批量出口订单企业中集安瑞科；以及新燃料运输容器也较快实现国产替代，建议关注在ANT-12A型号获得量产订单的科新机电；乏燃料运输容器研发难度极高，目前国内尚未量产，建议关注相关布局企业最新研发进展以及获取订单情况。 风险提示：测算误差风险；核安全事故风险；原材料价格波动风险；技术研发及推广不及预期风险。 表1：相关公司投资评级: 1核燃料是怎样循环的？ “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，通常会经历一个完整的燃料循环。 图1.核燃料循环示意图 核燃料是指含有易裂变核素，能够在反应堆内实现自持链式核裂变反应的物质。 核燃料棒最核心的材料是二氧化铀，由天然铀提炼而成，铀矿需经过勘探开采、水冶、铀转化与铀浓缩等过程，最终送往核燃料加工厂制造出核燃料元件。在核燃料成本结构中，天然铀所占比例最高，达到49%。然而我国铀矿资源并不丰富，主要依赖进口。 1.铀矿开采方面，我国属于贫铀国，国内大部分铀资源属于非常规铀，开采成本较高，主要依赖进口。目前全球铀资源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。根据WNA、中核集团、海关总署、立鼎产业研究网数据，我国2017年铀矿对外依存度约为84%。而由于该行业具有国家安全意义，我国仅中核集团及中广核有资格从事铀矿开采和进出口业务。 天然铀是核工业的基础原料，铀元素分布广，但其矿床非常有限。一般铀含量在千分之一以上的铀矿就具有开采价值，露天矿或开采条件较好的矿也可以开采。 由于矿石中有较多废石，因此需要先进行选矿，铀矿加工先将矿石浓集成铀含量较高的U3O8，俗称黄饼，黄饼中U3O8的含量一般在40-80%。制成黄饼的湿法化学处理，通常称为水冶，即铀的提取和精制，一般在矿山附近进行，铀化学浓缩物制成后会进行外运，为了便于储存和运输，一般会制成铀的氧化物形式。 图2.核燃料成本构成图 图3.全球铀矿产量占全球需求量比重走势图 2.铀的转化纯化：黄饼在提纯后，会被送至铀的浓缩工厂，加工成六氟化铀。天然铀元素含量分别为238U99.28%，235U0.71%及234U 0.006%。而要满足核电发电的需求，就要提升235U的含量。工业规模生产富集铀的方法，主要有扩散法和离心法2种。1）扩散法，即利用六氟化铀（气态）种不同铀同位素气体分子的质量差进行分立，已有50余年历史，技术较为成熟，但缺点是耗电量大。2）气体离心法：是生产富集铀的主要方法，利用离心力将气态六氟化铀同位素分立，于上世纪90年代开始用于工业生产，耗电少，但投资较大。当铀的浓度提高至4%左右时，将铀混合物粉末烧结成二氧化铀陶瓷芯块。 3.核燃料组件的制作：二氧化铀是核燃料棒的核心材料。二氧化铀瓷芯块为直径约1厘米，高1厘米的圆柱体。几百个芯块叠在一起装入直径1厘米，长度约4米的细长锆合金材料套管内，管的厚度为1毫米左右。因为核裂变反应就像是在燃烧原子，因此称为燃料棒。随后，燃料棒还需要放入燃料棒组件架，一般几百根燃料棒会按照一定间隔，按照15*15，或17*17排列并被固定成一束，即燃料组件。一般，一整个燃料组件主要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料棒组成。 图4.燃料棒组件 图5.PUREX技术后处理流程示意图 4.乏燃料的冷却及储存：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。 但一般在乏燃料进行后处理之前，会先进行冷却，原因在于乏燃料比活度非常高，且释放大量衰变热，必须贮存一段时间后再进行后处理。乏燃料贮存按照时间长短可以分为短期贮存、中间贮存、长期贮存三种。 其中，短期贮存即在乏燃料在后处理前先短期贮存几个月-几年时间。一般动力堆乏燃料的冷却时间不少于3-5年，经过冷却后的乏燃料经过自然衰变，其放射性活度和释热效率降低，也可以缓解后处理工艺上的技术难度。中间贮存较为重要，它可以使后处理的时间推迟几十年，为寻求放射性废物最终处置方案争取时间。 长期贮存一般是采用湿法的水池和干法的金属容器、混凝土密封容器、地下室、干井等。根据《乏燃料的长期贮存与处置》，湿法及干法贮存的时间可达到50年甚至更长时间。一般，在反应堆贮存池装满后，后处理厂产能可以满足需求之前，通过建造新的离堆贮存设施，来进行中长期贮存是唯一可能的解决方案。 5.乏燃料的后处理与铀回收：乏燃料后处理的目的主要是提升资源利用率、降低对环境的威胁。目前，全球处理乏燃料的方式主要有两种，一种是开放式，一种是闭式循环。简言之，开放式燃料循环即经过简单的冷却、剪切、封装后运往合适地点，直接填埋，目前瑞典、加拿大、西班牙、美国主要采取这种方式。闭式燃料循环即分离乏燃料中的铀、钚元素进行再利用，降低其活性和放射性，并将高放废物进行填埋的处理方式。目前法国、英国、俄罗斯、日本、印度、中国均采取这种技术路线。 目前，全球最成熟的乏燃料后处理技术为PUREX技术，主要包括首端处理、萃取分离及净化、尾端处理三个缓解。其中，首端处理主要工序包括乏燃料组件的切割、去包壳、燃料芯块溶解、过滤、调料、尾气处理等。萃取分离净化的目的在于对铀、钚于放射性裂变产物的分离和净化。尾端处理的目的主要在于将铀、钚元素转换成经济且易储存的形式，如四氟化铀、二氧化钚。 铀在再处理过程中回收的材料中占很大一部分，法国、英国、日本均有回收再处理的企业。乏燃料中约有96%是剩余未反应的铀元素，多数为U-238，小部分为U-235,一般U-235的质量分数要小于0.83%。由于燃耗的限制，乏燃料中U-235的估计都仍然要比天然铀高，且钚等其他元素可以提取出来加以再次利用，制作成新的燃料组件。 2六氟化铀运输容器 六氟化铀，也称为氟化铀、氟化高铀，是一种无机化合物，分子式为UF ， 常温常 压下，六氟化铀为无色或淡黄色晶体，其沸点为56.4摄氏度，当温度升高或压力降低时，很容易升华为气体(101.3kPa下56.4℃或13.17kPa下25℃时均升华为气体)。作为核燃料，六氟化铀是铀唯一稳定的气态化合物，用于铀的浓缩。但六氟化铀的化学性质较为活泼，与水易发生剧烈反应，与多数有机化合物会发生氟化反应，化学腐蚀性较强。 目前，95%的贫化铀（铀-235丰度低于0.711%）都以六氟化铀的形式被置于气体钢瓶中，储存在核工厂的附近。每个钢瓶大约含有12.7吨的固体六氟化铀。1993-2005年间，美国约有65.65万吨六氟化铀（5.71万瓶）作为贫化铀的储存形式被生产出来。但由于六氟化铀易与潮湿空气接触发生反应，并产生毒性极大的UOF和HF，因此长期储存会对环境及人类健康造成损害，需要定期检查储存容器是否存在裂缝。美国曾发生过数次涉及六氟化铀的事故，因此将六氟化铀转化为固态的铀氧化物回收，但耗资巨大。 根据中核第七研究设计院有限公司2021年4月发布的《六氟化铀容器（征求意见稿）》编制说明，标准的六氟化铀容器涵盖8L容器、740L容器、 3m3 容器、4m3 容器等。其中，国内3立方米、4立方米容器的铀235丰度限制为1%，最大装料限制为9270kg和12156kg。 表1.六氟化铀容器分类及适用场景 六氟化铀的运输容器一般需要经过热评价、临界评价、屏蔽评价等一系列严苛的安全性试验验证。从结构上看，根据中国能源研究会核能专委会，以XN3000六氟化铀运输容器为例，是由外部隔热罩和内部容器两部分组成，主体结构材料为16MnD。空容器质量约为2吨（2092kg），最大外部尺寸为3114mm× 1500mm×1380mm，使用温度一般为-40至38摄氏度，适用于道路、铁路、水路运输。 图6.六氟化铀运输容器 图7.六氟化铀运输容器结构图（3立方米） 目前，国内从事六氟化铀运输装备的公司主要有中核嘉华（兰石重装）、中核兰州铀浓缩有限公司、西安核设备有限公司、中核陕铀汉中电机设备制造有限公司、南通中集能源装备有限公司（中集安瑞科旗下）等。 表2.六氟化铀运输容器主要制造公司 2021年，兰石重装披露公告以现金1.29亿元收购秦皇岛金核投资有限公司持有的中核嘉华55%股权。中核嘉华始建于1959年，原为中核四〇四有限公司控股子公司，后经改制成为民营企业，在军核、民核领域积累了完备的技术储备和生产经验。根据兰石重装2021年年报披露，中核嘉华在2021年取得营业收入4699万元，净利润576万元。根据中国化工报2022年1月报道，公司研制的QY740六氟化铀运输容器，经过出厂前耐压与应力测试、水浸没测试及正常运输与事故运输工况下的跌落、耐热等试验验证，填补了国内