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核電新時代,小金屬鋯有大作為
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-11-02

1、鋯合金主要用于核電包殼管

包殼管是核反應堆主要保護屏障,鋯合金是包殼管材料首選。核電站主要利用核反應堆中的核裂變反應,從而釋放大量的熱能,來推動蒸汽輪機發(fā)電,其中包殼管主要作用是保障核燃料不受氧化和腐蝕,同時能夠承受放射性衰變帶來的高溫和高壓,是反應堆主要保護屏障。由于包殼管材料要求極高,鋯合金材料優(yōu)點多,目前全球主要核電站反應堆包殼管以鋯合金材料為主。

2、原子能時代第一金屬鋯性能優(yōu)異

在核電領(lǐng)域應用廣泛,被譽為“原子時代的第一號金屬”。鋯具有很高的化學穩(wěn)定性,在常溫下與大多數(shù)化學物質(zhì)都不發(fā)生反應,同時鋯的熔點很高,在高溫下不易熔化,而且鋯的密度、強度和剛度都十分適宜核燃料外殼的要求,能夠有效地承受高壓和高溫,最重要的是,鋯對中子的吸收性很低,能夠有效地減小燃料棒中子吸收截面積,提高熱效率。

因此,除了核燃料包殼管外,鋯合金還被廣泛用作反應堆內(nèi)的各類結(jié)構(gòu)材料,在核工業(yè)中擁有無可比擬的價值,被譽為“原子時代的第一號金屬”。當前核電領(lǐng)域主要的鋯合金材料有Zr-2、Zr-4、Zr-2.5%Nb 三種合金以及美國西屋公司的 ZIRLO 合金、日本的 NDA 合金和法國的 M5 及低錫鋯合金等。

3、鋯合金包殼管屬于易耗品,需定期更換

包殼管材料屬于易消耗品,需定期大量更換。由于鋯合金在核反應堆內(nèi)受中子輻照,力學性能會發(fā)生變化,強度升高,延性會降低、變脆,以及輻照伸長和扭曲變形,產(chǎn)生蠕變和內(nèi)應力等現(xiàn)象,使其綜合性能變差。因此,包殼材料屬于一種高消耗品,需要定期更換,通常每年需要更換 1/3 的組件材料。

鋯合金材料加工難度大,成材率較低。核用鋯合金管件的加工流程包括鋯合金鑄錠的熔煉、鑄錠鍛造、β相區(qū)淬火、熱軋、反復的冷軋及退火等,加工工序多,原料成材率較低。美國的華昌、西屋電氣, 法國的法瑪通等公司在鋯合金生產(chǎn)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平,2020 年我國企業(yè)國核鋯業(yè)在消化吸收美國西屋公司 Zirlo 合金生產(chǎn)技術(shù)之后,建立了完整自主化的鋯材加工生產(chǎn)線,實現(xiàn)了鋯合金鑄錠大規(guī)模國產(chǎn)化的突破。

4、全球核電開啟高景氣周期

海外核電迎來重啟浪潮,全球核電行業(yè)開啟高景氣周期。全球雙碳減排背景下,核能作為一種低碳的清潔能源,相比光伏、風能、氫能 等其他可再生能源,兼具高密度、清潔、低碳、長期穩(wěn)定運行等優(yōu)勢,被越來越多的國家重視。據(jù) IAEA 數(shù)據(jù),全球 2023 年核電裝機容量為 3.72 億千瓦,核能發(fā)電量為 2.598 萬億千瓦時,占全球總發(fā)電量的 9.2%。

目前全球各個國家和地區(qū)相繼調(diào)整核電政策,加快核電站建設布局。根據(jù)各國政府官網(wǎng),英國政府計劃 2030年前每年批準建設一座、總計八座核反應堆;波蘭計劃于 2026 年開工建設第一座核電站;德國也計劃將三個核電站的使用壽命延長。

2024 年 3 月,拜登政府宣布,美國聯(lián)邦政府將提供 15 億美元貸款,用于重啟密歇根州西南部的 Palisades 核電站,這將是美國歷史上首次重啟已關(guān)閉的核電站。2024 年 4 月,東京電力已向柏崎刈羽核電站反應堆輸送核燃料,預計將于今年 10 月重啟開始發(fā)電。核電行業(yè)步入高景氣周期,全球核電裝機容量或?qū)⒗^續(xù)快速增長。據(jù)國際原子能機構(gòu)樂觀預測,到 2030 年全球核電裝機容量將有望達到 480GW。

我國核準裝機機組逐年增加,核電裝機持續(xù)加速。截至 2023 年底,在建核電機組 26 臺,總裝機容量 3030 萬千瓦,均保持世界第一。2019 年我國重啟核電機組核準,2019-2024 年相繼核準 4/4/5/10/10 /11 臺核電機組。

5、核電領(lǐng)域鋯需求穩(wěn)步增長

核電進入高景氣度時代,全球核電領(lǐng)域耗鋯量穩(wěn)步增長。根據(jù)前文核電裝機需求預測和《鋯材在核電站的應用及前景》,核電首次裝機單 GW 所需合金約 30 噸,核電站每年更換比例約三分之一,從海綿鋯到鋯合金成材率約 50%~70%,我們測算到 2025/2030 年全球核電領(lǐng)域核級海綿鋯的需求量將達到 0.75/0.87 萬噸,對應 2022-2030 年 CAGR 為 4.0%。

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