电力设备12月周专题：全球首台四代核电商运意义重大

行业变化： 2023年12月6日，具有完全自主知识产权的国家重大科技专项标志性成果、全球首座第四代核电站——山东荣成华能石岛湾高温气冷堆核电站商业示范工程，圆满完成168小时连续运行考验，正式投入商业运行。 高温气冷堆核电技术达到世界领先水平 高温气冷堆采用在线换料，仅靠自然散热就能把堆芯热量带走，同时燃料能经受约1600℃的熔点高温，具备固有安全性，安全性大大提高；高温气冷发电能力相当于压水堆的1.5倍，发电效率大幅提升。 突破燃料元件技术难点，加快主氦风机建设进程 我国自主研发的高温气冷堆技术属于球床模块式高温气冷堆，采用的是球形燃料元件技术。球形燃料元件是高温气冷堆固有安全的重要基础，其制造技术是高温气冷堆发展的主要技术挑战。HTR-PM建设中，清华大学核研院建成了年产10万个球形燃料元件的原型生产线，并在中核北方核燃料公司建成了世界最大规模年产30万个球形燃料元件的生产线，目前已投产，能满足年发电200MW的高温堆示范工程的运行要求。 主氦风机是高温气冷堆最核心设备，被喻为高温气冷堆“心脏”。HTR-PM主氦风机突破了大型立式机组转速范围和结构型式，是世界上第一台采用电磁悬浮轴承反应堆设备。国内正加快主氦风机研发，佳木斯电机股份有限公司主氦风机目前已供应石岛湾、江苏绿能等核电项目。佳电股份投建的主氦风机产业化项目达产后将形成年产6套主氦风机产品的生产能力。 石岛湾项目实现从0到1 石岛湾项目2012年12月正式动工。21年12月，1号反应堆首次并网成功。23年12月6日，石岛湾200MW级高温气冷堆核电站示范工程顺利完成168小时持续运行考核，正式商运投产，标志着我国成为世界首个实现模块式高温气冷堆核电站商业运行的国家。 石岛湾项目（HTR-PM）1、2号反应堆堆芯中约各有4.2 ×105 个燃料球，项目共用2台主氦风机，该风机突破了直接置入核反应堆一回路243℃，7MPa氦气介质中电机、风机的技术瓶颈。HTR-600可供550℃的高品质蒸汽，发电效率高达43.7%，成功实现了全球首台四代核电商业化建设。 四代堆项目建设进展顺利，未来应用前景广阔 目前高温气冷堆、钠冷快堆和钍基熔盐堆分别建设了实验堆和示范工程项目，是产业化进展最快的四代核电技术。 高温气冷堆能提供900°C-950°C的高温工艺热及540°C以下各种参数工艺蒸汽，具有良好的供热能力；同时高温气冷堆可运行温度远高于目前电解效率75%以上的电解水制氢要求，是水制氢所需理想堆型。 投资建议 在国家发展核电态度积极、核电核准加速、核电技术持续取得突破的背景下，核电投资及建设步伐有望加速，核能发展迎来了新阶段。我们推荐核电龙头中国核电（601985.SH）、中国广核（003816.SZ），核级阀门主要供应商江苏神通（002438.SZ）铸件，核岛建设龙头中国核建（601611.SH），核电设备龙头东方电气（600875.SH）。建议关注主氦风机主要供应商佳电股份（000922.SZ），核级阀门领军企业中核科技（000777.SZ）。 风险提示：在建项目施工进度不及预期，核电安全事故风险 1.我国走在最先进四代核电全球前列 自1957年世界第一座商用核电站希平港(Shippingport)投用以来，经过半个多世纪的发展，正在运行的422台（中核战略规划研究总院2022年底统计数据）核电机组包括沸水堆（BWR）、压水堆(PWR)、重水堆(PHWR)、水冷石墨堆(LWGR)、快堆(BWR)、高温气冷堆(GCR)等堆型，核电技术呈现出多样化、安全性持续提升的特征。我国作为核电领域的后进入者，通过引进吸收与自主研发，目前已完全掌握三代、四代核电技术，达到世界核电领先水平。 图表1：世界核电代际发展图 2000年之前，全球主流以二代核电技术为主，其中压水堆比例最高。这期间，我国经过30年核电设计及建造工作，完成了“引进-消化-吸收-再创新”的全过程，研发出了具有自主知识产权的二代核电技术。为了提升核电安全性和经济性，2000年开始三代核电逐渐走上核电舞台中央。凭借政策支持以及成熟的核工业体系成功实现了弯道超车，打造出了自主三代核电技术“华龙一号”这样的国家名牌。 随着核能技术的演进及发展，国际核能界对核电技术提出了更高的要求，于2001年7月成立了第四代核能系统国际论坛（Generation IV International Forum, GIF）并提出了第四代核电技术概念。2002年底，GIF和美国能源部联合发布了《第四代核能系统技术路线图》，选出气冷快堆、铅冷快堆、熔盐堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、超高温气冷堆六种堆型，作为GIF未来国际合作研究的重点。 在四代核电发展道路上，我国再次走到了世界前列。相较于第三代核电技术，第四代核电技术具备核废物量最少化、安全性大幅提高、经济性提高、能够防止核扩散的特点，目标是到2030年达到实用化的程度，将对核电行业乃至整个能源行业产生革命性影响。 图表2：我国核电相关政策 我国核电产业经过30多年的发展，技术和规模均已经迎头赶上引领世界先进水平。未来对核电的安全性、经济性、低碳排的要求会不断提升，并且会广泛参与国际合作与竞争，我们认为凭借着完整、高效的供应链，以及强大的设计研发能力，我国核电产业仍将持续进步，并将突破核聚变、核燃料后处理等壁垒更高领域。 2.高温气冷堆技术先进性体现在哪？ 2.1高温气冷堆核电技术达到世界领先水平 气冷堆是国际上最早发展的一种堆型。从20世纪50年代中期起，该类堆型被用作发电用的商业化堆型，对核能早期进入商业化市场起到了推动作用。20世纪60年代中期，是高温气冷堆高速发展的时期，此时美国德国高温堆已开始进入发电和工业应用的商业化阶段，但由于1973年石油危机引发的经济问题及压水堆更具优势，高温气冷堆开发计划被终止。 HTR-10迈出我国核电先进技术从0到1的一大步。球床模块式高温气冷堆是固有安全的第四代核反应堆技术。1995年6月10MW高温气冷实验堆（HTR-10）动工，2004年HTR-10验证了模块式高温气冷堆的固有安全特性。HTR-10的建成，标志我国在高温气冷堆这一先进核能技术上实现了从无到有、从跟踪核能强国脚步到与其并肩前行的一大步。 图表3：气冷堆发展阶段及技术特点 中国第四代先进核能技术达到世界领先水平。2012年12月，全球首座第四代核电站山东荣成石岛湾200MW高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）开工，2021年12月并网发电。2023年12月6日，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正式投入商业运行，标志着中国在第四代核电技术研发和应用领域达到了世界领先水平。 图表4：石岛湾高温气冷堆核电站商业示范工程 图表5：高温气冷堆模块示意图 高温气冷堆具有固有安全性是区别于其他核电技术的最重要特征。在二代、三代压水堆、沸水堆、重水堆等核电技术发展过程中，一直无法解决的问题就是反应堆呈现正反应性温度系数，即反应堆温度越高，核反应功率会上升，从而引发核事故风险。而高温气冷堆在高温情况下，反应堆呈现负反应性温度系数，可实现事故情况下无干预自动停堆，大大提升机组安全性。 高温气冷堆燃料球设计进一步提升安全性。高温气冷堆是一种石墨慢化氦气冷却的反应堆设计，与压水堆使用燃料棒不同，高温气冷堆采用了燃料球形式。排出的燃料球通过燃耗检测，若燃耗未达到设计指标，则会重新通过换料系统并加载到堆中。 相较于三代堆，由于是在线换料，反应堆在装料时不必考虑额外反应性，仅靠自然散热就能把堆芯热量带走，同时燃料能经受约1600℃的熔点高温，安全性大大提高。 图表6：高温气冷堆与三代堆技术参数对比 高温气冷堆发电效率大幅提升。反应堆所产生的热量由氦气冷却剂带走，入口温度250℃，通过堆芯之后，氦气温度达到700℃以上（HTR-10设计出口温度700℃，HTR-PM设计出口温度750℃），并具备提高至950℃以上的潜力，发电能力相当于压水堆的1.5倍。 图表7：三代压水堆工作原理图 图表8：高温气冷堆工作原理图 燃料元件与主氦风机带来新机遇。高温气冷堆采用球形核燃料元件，球形燃料元件是高温气冷堆固有安全性的最关键核心技术。高温气冷堆可与闭式Rankine循环耦合，实现高效率的发电，主氦风机是循环耦合的高温气冷堆系统中的关键动力部件，以维持反应堆正常运行。 2.2突破高温气冷堆燃料元件技术难点 球形燃料元件是主要技术难点。高温气冷堆的突出特点是采用耐高温的陶瓷型包覆颗粒燃料元件。燃料元件石墨基体材料既做结构支撑，也作为反应堆慢化剂。高温气冷堆燃料元件主要有球形和柱状等。我国自主研发的高温气冷堆技术属于球床模块式高温气冷堆，采用的是球形燃料元件技术。球形燃料元件是高温气冷堆固有安全的重要基础，其制造技术是高温气冷堆发展的主要技术挑战。 TRISO包覆材料颗粒SiC层主要决定高温气冷堆的发展。包覆颗粒燃料元件主要由核芯（二氧化铀燃料颗粒）和外围多层包覆层组成。TRISO包覆燃料颗粒应用最广泛，含有4层包覆层。第１层是疏松层，主要为气态裂变产物提供贮存空间，防止裂变反冲核对内致密层的损伤；第2层是内致密层，防止或延缓贵金属裂变产物对SiC层的腐蚀，并承受部分内压和作为SiC的沉积基面；第3层是SiC层，是承受内压及阻挡气态固态裂变产物的关键层，完整的SiC层几乎能阻挡所有裂变产物的释放；第4层是外致密层，保护SiC层免受机械损伤并阻挡气态裂变产物的释放。 图表9：燃料元件与包覆燃料颗粒结构图 清华大学核研院建成世界最大规模燃料元件生产线。HTR-10建设中，清华大学核研院建成了年产2万个球形燃料元件的生产线；在HTR-PM建设中，清华大学核研院建成了年产10万个球形燃料元件的原型生产线，在此基础上，在中核北方核燃料公司建成了世界最大规模年产30万个球形燃料元件的生产线，且已投产，能满足年发电200MW的高温堆示范工程的运行要求。目前正进行UCO核芯及ZrC涂层新技术研发。预计至25年，燃料元件造价将大幅降低，且将完成核芯与包覆层新技术的迭代升级。 图表10：高温气冷堆核燃料元件技术发展规划历程 2.3高温气冷堆主氦风机国产化持续加速 主氦风机是驱动高温气冷堆氦气冷循环的风机。在各种运行停堆工况下，主氦风机均能驱动足够流量的氦气循环。为避免复杂转轴密封问题，主氦风机设计成内置式结构。风机挡板与轴承系统是主氦风机的主要关键部件。主氦风机的电磁轴承系统可从根本上消除润滑油污染和复杂的油气密封及净化处理等问题；主氦风机进气口的风机挡板可防止停堆时氦气发生自然循环。 图表11：主氦风机布置示意图 图表12：主氦风机工作流程图 主氦风机是高温气冷堆最核心设备。主氦风机被喻为高温气冷堆“心脏”，功能相当于压水堆“主泵”。HTR-PM主氦风机运行功率4500千瓦，工作温度250℃，突破了大型立式机组的转速范围和结构型式，是世界上第一台采用电磁悬浮轴承的反应堆设备，标志着我国已攻克世界高温气冷堆先进核电技术研发中的主要技术难关。 主氦风机属于国家产业政策鼓励类。国内加快主氦风机的研发，佳木斯电机股份有限公司主氦风机目前已供应石岛湾，江苏绿能等核电项目。佳电股份投建的主氦风机成套产业化项目达产后将形成年产6套主氦风机产品的生产能力。 图表13：主氦风机项目进展 3.石岛湾项目实现从0到1意义重大 石岛湾项目正式商运投产，我国核电高温气冷堆跨入商用阶段。04年12月，中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司、清华大学《关于共同合作建设高温气冷堆核电示范工程投资协议》在北京签订。06年2月，石岛湾200MW级高温气冷堆核电站示范工程被列入国家重大科技专项，并于2012年12月正式动工。21年12月，1号反应堆首次并网成功。23年12月6日，石岛湾200MW级高温气冷堆核电站示范工程顺利完成168小时持续运行考核，正式商运投产，标志着我国成为世界首个实现模块式高温气冷堆核电站商业运行的国家。 图表14：石岛湾项目建设历程 技术实现