机械一周解一惑系列：核电设备中“低国产化”的核心环节替代机会

本周关注：精测电子、卓然股份、巨星股份、华工科技本周核心观点：关注半导体设备国产化的趋势 核电设备按大类可分为主岛、常规岛、BOP、乏燃料处理设备，其中国产化率、毛利率是两个重要筛选指标。核电设备分为核岛、常规岛、BOP（其他辅助设备）。核岛是整个核电站的核心，负责将核能转化为热能，是核电站中工艺最复杂、投入成本最高的部分。常规岛利用蒸汽推动汽轮机带动发动机发电。辅助系统（BOP）主要包括数字化控制系统、暖通系统、空冷设备与装卸料机，用于保障核电站平稳运行。乏燃料即高放射性核废料，乏燃料仅占核废料3%的体积份额，而其放射性份额却高达95%。液-液萃取水法工艺（PUREX流程）是目前乏燃料后处理的主流技术路线，按照工序可以分为乏燃料组件的操作、首端处理、萃取分离与尾端处理，涉及到的设备种类较多。由于核电涉及的设备种类繁多，但各个环节的毛利率、国产化率并不相同，“低国产化+高毛利率”的细分板块将更具投资潜力。 核电设备各环节毛利率有较大差异，核心环节毛利率更高。毛利率方面，由于核岛设备技术壁垒较高，毛利率也相对较高，部分关键设备毛利率在45%以上。反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器三类核岛设备目前均由国企垄断，其毛利率可达分别为28%、48%和29%。主管道、核级阀门、主泵门等零部件门槛相对较低，少数民营企业可进入该领域，但其中主管道毛利率高达60%。相比核岛设备，大部分常规岛设备技术壁垒较低，市场竞争相对激烈。 其中汽轮机、发电机、汽水再分离器属于重点监管设备领域，由东方电气、上海电气、哈尔滨电气三家国企垄断，毛利率30%、22%、19.8%。 国产化采用采用国产化设备的核电项目数/总项目数估算，主泵环节和乏燃料运输容器需要关注。目前新建的核电站中，我国第三代核电技术“华龙一号”和“国和一号”已经覆盖了大部分新建核电站，整体国产化设备的覆盖率已经接近90%。同时我们采用国产化设备的核电项目数/总项目数占比的方式估算，去衡量每个环节的国产化程度。实际的国产化率会和这个方式的计算有所差异，但整体趋势会具备参考性。从设备供应的角度看，目前压力容器国有化率为87.50%、主管道100%、主泵60.78%、核级阀门80%，主泵环节最值得关注。此外，乏燃料的处理由于当前仅有50吨能力，仍处于早期阶段，且其中较为核心的乏燃料运输容器环节仍依赖进口，因此同样具备低国产化的特征。 乏燃料容器的市场空间测算。除乏燃料容器外，其余包括主泵环节在内的核电设备，存量市场的国产替换具备更大的空间。而乏燃料容器的市场规模则与所需处理产能高度相关，第一种方法我们假设核电机组平均设计的乏燃料储存能力是20年，由于2005年前总计乏燃料测算约1524吨，则到2025年需要1524吨的乏燃料处理产能；另一种方法2025年中国年乏燃料产量约1470吨。两种视角下至2025年理想状态下我国均需要约1500吨的乏燃料处理能力(目前在建的R1+R2=400吨)，总计需要的乏燃料容器约257亿元。 投资建议：关注在主泵环节国产化有所布局，或是有望切入乏燃料运输容器环节的中密控股、科新机电、兰石重装 风险提示：1）存量核电设备国产化进程不及预期；2）乏燃料发展及运输容器国产化不及预期；3）一带一路国产设备出口不及预期 1核电设备介绍 1.1核电设备的分类：可分为核岛、常规岛、BOP 核电设备分为核岛、常规岛、BOP（其他辅助设备）。核岛是整个核电站的核心，负责将核能转化为热能，是核电站中工艺最复杂、投入成本最高的部分。 常规岛利用蒸汽推动汽轮机带动发动机发电。辅助系统（BOP）主要包括数字化控制系统、暖通系统、空冷设备与装卸料机，用于保障核电站平稳运行。 表1：核电设备介绍 1.2不同核电设备的利润率有差异 毛利率方面，由于核岛设备技术壁垒较高，毛利率也相对较高，部分关键设备毛利率在45%以上。反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器三类核岛设备目前均由国企垄断，包括东方电气、上海电气等。其原因在于，反应堆为核岛中的核心部分，压力容器承担着极其重要的安全屏障作用，堆内构件起到支承及定位燃料组件作用，蒸汽发生器为一二回路的枢纽，此类设备质量标准严苛，制造成本也极高，且属于重型机械，对企业的生产能力和资金实力都有较高要求，因此为国企垄断，其毛利率可达分别为28%、48%和29%。主管道、核级阀门、主泵门等零部件门槛相对较低，少数民营企业可进入该领域，但其中主管道毛利率高达60%。 常规岛的作用是将核蒸汽供应系统提供的热能在汽轮机中转变为机械能，带动发动机发电，主要由管道系统及冷凝器、汽轮机、发电机、汽水分离再热器等组成。相比核岛设备，大部分常规岛设备技术壁垒较低，市场竞争相对激烈。其中汽轮机、发电机、汽水再分离器属于重点监管设备领域，由东方电气、上海电气、哈尔滨电气三家国企垄断，毛利率达到30%、22%、19.8%。 图1：核岛设备毛利率 图2：常规岛设备毛利率 1.3不同核电设备的国产化率有差异 国产化率方面，目前我国在运行55个核电站机组，在建23个核电站机组。 我国建立核电站初期，因各项技术参考国外，综合国产化率较低，但随着近年来我国大力发展核电技术国产化，目前运行的核电站综合国有化率显著提升，部分核电站达到90%。 表2：核电站介绍 图3：中核项目CNP/M310(改)综合国产化率 图4：中核项目CNP/M310(改)综合国产化率 我们采用国产化设备的核电项目数/总项目数占比的方式估算，去衡量每个环节的国产化程度。实际的国产化率会和这个方式的计算有所差异，但整体趋势会具备参考性。从设备供应的角度看，按上述方法测算，目前压力容器国有化率为87.50%、主管道100%、主泵60.78%、核级阀门80%。蒸汽发生器由于U型管被国外厂商垄断故国产化率未提升，控制棒驱动机构已被上海电气、东方电气、浙富控股广泛供应于我国国产核电技术二代、二代加、三代ACP1000、“华龙一号”、四代等。目前，主泵的国有化率相比其他设备较低。 表3：核电站设备供应情况 目前新建的核电站中，我国第三代核电技术华龙一号和国和一号已经覆盖了大部分新建核电站。从国有化率的情况看，整体设备国有化率都能达到90%左右，核心的设备已经能实现自主化设计和国产化制造。 表4：第三代国产核电技术介绍 2核电后处理介绍 2.1乏燃料后处理流程及设备介绍 高放废料，又称乏燃料，是指在核反应堆中经受过辐射照射、达到预期燃耗的核燃料，通常由核电厂或研究用核反应堆产生。乏燃料仅占核废料3%的体积份额，而其放射性份额却高达95%。乏燃料中含有裂变产物，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。目前，我国采取的是核燃料闭式循环和乏燃料后处理的政策：即分离乏燃料中的铀、钚等易裂变材料进行再利用，降低其活性和放射性，提高燃料使用率，再将高放废物固化，进行深地质处理。不仅可以提高资源利用率，以应对我国铀资源匮乏的问题，同时减小放射性废物体积并降低其放射性。 图5：核燃料闭式循环示意图 液-液萃取水法工艺（PUREX流程）是目前乏燃料后处理的主流技术路线，按照工序可以分为乏燃料组件的操作、首端处理、萃取分离与尾端处理，涉及到的设备种类较多。 表5：乏燃料后处理设备介绍 2.2乏燃料后处理产能亟待提升 根据中国核学会预测数据，我国核电机组核准节奏加快，未来5年或每年6-8台核电机组核准开工，2030年核电机组装机容量有望翻倍。2022年以来核准节奏加快，截至目前已核准5个核电项目共总计10台核电机组，预计在未来5年将保持每年6至8台核电机组的核准开工节奏。截至2022年底，我国在运核电机组55台，在建核电机组23台，为全球第一。 图6：全国核电站机组在运数量（个） 图7：2018-2022年核发电量（亿kwh） 随着我国核电站运营规模不断扩大，乏燃料数量逐步增加。截至2020年我国乏燃料累积待处理乏燃料8718吨，每台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。 图8：2025-2035年我国乏燃料年产量及累计产量预测 我国乏燃料在堆贮存量日益增多，全国约90%累计产生量贮存于电站内乏燃料水池中。截至2020年底，在运压水堆核电站已累计产生乏燃料约6200tHM，其中约5700tHM贮存在堆水池中，仅有少数运往离堆贮存设施。此外，我国较早的核电站建成并网在上世纪八十年代至九十年代，乏燃料的水池的贮存能力多为10-20年，即乏燃料水池可以贮存核电站运行10-20年所产生的乏燃料，越来越多的核电站的在堆贮存能力趋于饱和。持续累积的核电乏燃料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。而我国目前乏燃料处理能力仅为50吨/年，在建处理能力也仅为R1项目200吨/年+R2项目200吨/年，未形成规模化乏燃料后处理能力，无法满足未来乏燃料的处理需求。因此迫切需要发展“闭式核燃料循环处理”相关技术和建设以提高处理产能，对于贮存及运输设备的需求与日俱增。 表6：第三代国产核电技术介绍核电站机组 2.3乏燃料运输容器需求迎增长机遇 目前我国核电站大多集中于东部沿海地区，而乏燃料后处理体系则位于我国西北地区，因此，随着乏燃料累积量的迅速增长，乏燃料离堆储运需求大，运输容器迎来发展机遇。 我国乏燃料运输容器长期依赖进口运输能力严重不足。目前我国所采用的乏燃料运输容器主要为从美国采购的NAC-STC型(两台，单台价格3,000万美元)和Hi-star 60型商业压水堆乏燃料运输容器，单台容量分别为26组、12组。 为测算2025年实际需求的乏燃料处理产能以及对应的乏燃料运输容器市场规模，我们给出了如下假设： 1）1台100万kw机组发电量70亿kwh/年（两种算法，2022年底55台机组，发电4177亿kwh，平均发电75亿kwh/年；单台机组每天工作20h，隐含负荷率83%，一年360天，则对应发电72亿kwh/年） 2）1台100万kw机组一年产生乏燃料21吨，因此平均发电产生的乏燃料是0.3吨/亿kwh 3）根据上表，假设乏燃料设计的平均存储年限是20年（虽然各核电站设计能力不等，但如上表目前已有部分核电站出现了饱和的情况），则到了2025年，2005年前所有的乏燃料都已经储存饱和需要处理。同时，根据过往每年核电发电量倒算出产生的乏燃料，我们估算出2005年前的乏燃料总计1524吨（表8），按此计算到2025年对应需要1524吨的处理能力。另一个计算方法，2025年中国年产生的乏燃料达到1470吨（图8），如果到时出现储存饱和的情况，也至少需要1470吨的处理能力，与每年的新增量保持匹配。 4）根据进口的NAC-STC型乏燃料容器进行估算，3000万美元等价于约2亿元人民币，单次可运输25堆燃料组件；设备国产化后会比进口有一定的降价，假设价格降低为原来的60%。 5）1台100万kw机组大约需要150堆燃料组件，按此计算燃料组件对应乏燃料重量是1/6吨/堆。 6）由于气候条件、路程较远等原因，假设每年实际运输仅有2次。 表7：核心假设 表8：核心假设 根据上述假设，我们测算到2025年，中国需要的乏燃料处理能力大约微1500吨，对应的乏燃料运输容器的市场规模为257亿元。假设3年达到该数字，平均每年的市场规模是86亿元（核电设备的订单会有一定的波动性，但总量会有一定的参考性）。 同时实际情况中，部分乏燃料运输容器会同时起到储存作用，即运输完成后直接储存乏燃料，此时乏燃料容器会被当做消耗品。这种情形下乏燃料容器的实际需要还会大于上述测算的市场空间，但由于目前缺乏相关数据，因此暂时没有考虑。 表9：预测2025年乏燃料运输容器市场空间 3时效性信息更新 3.1 2019年及以后的核电相关政策新闻 2019年以来，中共中央、国务院以