2022年乏燃料后處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場市場空間測算分析

1、2022年乏燃料后處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場市場空間測算分析1.乏燃料后處理技術(shù)及相關(guān)設(shè)備1.1 為什么要處理乏燃料？碳中和”背景下，核電憑借高能效、污染小、環(huán)境友好、單機容量大、發(fā)電量穩(wěn)定等優(yōu)勢， 將成為未來基荷能源的重要組成部分。而核燃料循環(huán)是發(fā)展核電過程中不可忽視的環(huán)節(jié)，在裝機 容量日益增加的背景下，如何處理日益增加的核電乏燃料，保障工業(yè)體系安全穩(wěn)定運行，是目前 核電發(fā)展亟待解決的問題。核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)是整個核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，也是核能發(fā)展的大動脈，包括鈾礦開采、冶煉、 轉(zhuǎn)化純化、燃料元件制造、乏燃料后處理、放射性廢物處理處置、核電站反應(yīng)堆等多個環(huán)節(jié)。從 礦產(chǎn)開發(fā)到最終的地質(zhì)填埋，通常會經(jīng)理一

2、個完整的燃料循環(huán)。其中，隨著核電運行，燃料中裂 變核素鈾逐步消耗，不足以維持裂變反應(yīng)，從反應(yīng)堆中取出的燃料稱為乏燃料，或輻照過的燃料。 把已經(jīng)使用的 3%-4%的鈾廢料（乏燃料），以化學(xué)方法將鈾和钚從裂變產(chǎn)物中分離出來，稱為 乏燃料再溶解和后處理技術(shù)，這也是核燃料循環(huán)后段中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。乏燃料閉式循環(huán)可提升鈾、钚元素利用率。常規(guī)的裂變反應(yīng)堆將鈾-235 作為燃料，然而， 一般輕水堆采用 3-4%濃縮鈾 235 為原料，即真正參與核反應(yīng)的原料只有 3-4%，余下的則是會 產(chǎn)生輻射的鈾-238 廢料。由于目前的反應(yīng)堆技術(shù)對核燃料中的鈾利用率較低，乏燃料中仍有可 觀的鈾和钚可以回收再利用。我國為

3、貧鈾國，國內(nèi)鈾資源大部分屬于非常規(guī)鈾，開采成本較高， 根據(jù)世界核協(xié)會，近年來我國鈾資源對外依存度常年維持在 70%以上，主要供應(yīng)國家有哈薩克 斯坦、烏茲別克斯坦、加拿大、納米比亞、尼日爾和澳大利亞。因此，建立乏燃料后處理閉式循 環(huán)，對于提升我國鈾資源利用率，制備钚鈾混合燃料用于熱堆、快堆，提升鈾、钚等資源戰(zhàn)略儲 備，保障能源安全等具有重要意義。乏燃料后處理可降低對環(huán)節(jié)的威脅。乏燃料的半衰期可達數(shù)萬年，其放射性對環(huán)境有很大的 威脅，因此必須妥善處理。隨著我國核電站運營規(guī)模不斷擴大，乏燃料數(shù)量逐步增加。據(jù)頭豹研 究院數(shù)據(jù)，每 100 萬千瓦核電設(shè)備容量的乏燃料年產(chǎn)量約為 21 噸，另據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究

4、院數(shù)據(jù)，2020 年中國乏燃料產(chǎn)量為 1298 噸，累積待處理乏燃料 8718 噸，而目前我國乏燃料處理能力 僅為 50 噸/年，在建處理能力也僅為 200 噸/年，未形成規(guī)?；θ剂虾筇幚砟芰?，離堆貯存 能力也已基本飽和，無法滿足未來乏燃料的處理需求。乏燃料后處理后，高放廢物的體積將被壓 縮到原來的四分之一，其長期放射性毒性將被降低一個數(shù)量級以上。1.2 后處理工藝及相關(guān)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀世界上運營核電的國家主要有兩種乏燃料處理方式。一種是開放式燃料循環(huán)路線：通過簡單 的剪切、封裝后，運往合適地點，直接深埋，目前瑞典、加拿大、西班牙、美國采取的是這種方 式；另一種方法是閉式燃料循環(huán)，即分離乏燃料中

5、的鈾、钚等元素進行再利用，降低其活性和放 射性，將高放廢物進行填埋。目前法國、英國、俄羅斯、日本、印度、中國均采取該技術(shù)路線。實際上，在進行最終填埋，或者乏燃料處理前，還有一種臨時的處理方式，即在反應(yīng)堆內(nèi)臨 時儲存。一般核電站都配有乏燃料貯存水池，用于臨時存放從堆芯中卸出的乏燃料，換料時要裝 入的新燃料也暫存在其中。由于乏燃料仍會產(chǎn)生衰變熱，且具有放射性，因此需要放入水中進行 冷卻和屏蔽。乏燃料在核電站存放一定時間后，定期從電廠裝船運至乏燃料后處理廠，進行再回 收利用。除反應(yīng)堆廠房內(nèi)的乏燃料水池外，電廠有一個乏燃料集中存放點，以擴展電廠的乏燃料 存儲能力。不過，隨著機組運行周期增加，水池的負(fù)荷

6、也會達到上限。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，一般核電站 的服役年限為 40-60 年，在堆貯存水池的設(shè)計容量為 10-20 年乏燃料卸出量，而乏燃料在堆貯 存 3-5 年后可以進行外運、離堆貯存、后處理。值得注意的是，目前我國核電站大多集中于東部 沿海地區(qū)，而乏燃料后處理體系則位于我國西北地區(qū)，因此，隨著核廢料的累積，乏燃料離堆儲 運是重要的發(fā)展方向。根據(jù)法國阿?，m建設(shè)經(jīng)驗，大型乏燃料轉(zhuǎn)運樞紐的建設(shè)設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、 特種車輛、指揮應(yīng)急等多個層面，涉及面廣，周期近 10 年。我國選擇乏燃料后處理技術(shù)路線已成定局。目前，包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家，尚未形成規(guī) ?；θ剂虾筇幚砟芰Γ荒芟炔扇≡诙奄A存、離堆貯存

7、的暫存方式作為緩沖。不過，當(dāng)前我國 在堆貯存和離堆貯存能力均已趨于飽和，乏燃料處理將成為制約核電發(fā)展的重要因素。在核電 中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020 年）中，我國再次重申了核燃料閉式循環(huán)和乏燃料后處理的政 策。PUREX 是目前乏燃料后處理的主流技術(shù)路線。乏燃料后處理廠具有較高的技術(shù)難度，處理 技術(shù)又可以分為干法、濕法兩種。其中以磷酸三丁酯（TBP）為萃取劑的是法處理 PUREX（萃取 回收 Pu 和 U 的英文縮寫）是目前最成熟的主流技術(shù)，也是位移實現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)路線，法國、日本均采用這種方法。根據(jù)乏燃料后處理產(chǎn)業(yè)的市場前景及發(fā)展路徑，PUREX 的工藝流程主要包括對乏燃料 的剪切、剪

8、切片的硝酸溶解、溶劑萃取分離裂變產(chǎn)物、溶劑萃取分離提純 U 和 Pu、脫硝、送往 燃料制造廠制造新燃料整個閉式循環(huán)。萃取后的高放廢物需要進行貯存和玻璃固化，被分離的核 裂變產(chǎn)物作為高放廢液進行處理。乏燃料后處理按照工序可以分為首端處理、萃取分離與尾端處理。1）首端處理主要供需包 括乏燃料組件的切割、去包殼、燃料芯塊溶解、過濾、調(diào)料、尾氣處理。涉及到的設(shè)備主要有剪 切機、溶解器、離心澄清機、脈沖過濾器、洗滌器、氣液分離器、高效過濾器等；2）萃取分離 工序的目的，主要在于鈾、钚與放射性裂變產(chǎn)物的分離和凈化。涉及到的設(shè)備主要包括混合澄清 槽、離心萃取器、脈沖萃取柱等；3）尾端處理，即從鈾或钚中間品進

9、行補充凈化、濃縮以及轉(zhuǎn) 化為最終產(chǎn)品形態(tài)。經(jīng)溶劑萃取分離和凈化得到的鈾、钚中間產(chǎn)品，不論在純度和形態(tài)上，都無 法滿足應(yīng)用的要求。因此，在鈾、钚主體萃取凈化后，仍需純化，以進一步除去钚中的雜質(zhì)，轉(zhuǎn) 化成金屬钚或穩(wěn)定的化合物，涉及到的設(shè)備主要包括硅膠吸附塔、硅膠吸附床、攪拌床、硫化床 等。總體上看，目前我國后處理產(chǎn)業(yè)已實現(xiàn)部分設(shè)備國產(chǎn)化，進入核電市場推廣階段，如中子吸 收材料、常規(guī)機械電氣設(shè)備。部分產(chǎn)品需要在現(xiàn)有核電基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性開發(fā)或改進，如遠(yuǎn)距離 操作閥門、機械手、熱室等。然而，PUREX 技術(shù)的工藝流程主設(shè)備技術(shù)難度較高，國產(chǎn)化仍然 任重道遠(yuǎn)。例如，剪切機、溶解反應(yīng)器、離心澄清器、脈沖過濾

10、器、萃取分離器、玻璃固化裝置 等。2.我國乏燃料后處理現(xiàn)狀已有處理產(chǎn)能：我國于 2006 年，在甘肅蘭州建造了第一座乏燃料后處理中間試驗廠，中核 四零四廠，該廠擁有一座容量為 500t 的乏燃料貯存水池，目前正在建設(shè)一座容量為 800t 的乏 燃料貯存水池，擁有年處理 50t 的乏燃料處理能力，2011 年該中試廠熱調(diào)成功，2013-2015 年 間對約 50 噸的乏燃料進行了再處理。這標(biāo)志著我國初步掌握了后處理核心技術(shù)，也是我國目前 僅有的已建成乏燃料后處理廠。后期規(guī)劃：后續(xù)乏燃料處理廠的規(guī)劃主要有兩個項目，一是建設(shè) 2 個具有國內(nèi)自主知識產(chǎn) 權(quán)，年處理能力達 200 噸的大型商用乏燃料后處

11、理廠。另一個是中法合作建設(shè)的 800 噸后處理 廠。2012 年 12 月，中核集團在第二次科技工作會議上發(fā)布“龍騰 2020”科技創(chuàng)新計劃，首批 入選的 8 個示范工程就包括具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 200 噸大型商用乏燃料后處理示范工程。截至 目前，第一座 200 噸處理廠正處于建設(shè)中，預(yù)計于 2025 年開始運營。而第二座 200 噸乏燃料 處理廠也在 2020 年底開始建設(shè)。甘肅省政府與中國核工 業(yè)集團公司在蘭州簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，中核集團將投資 5000 億元，與甘肅省在核技術(shù)產(chǎn)業(yè)園、 裝備制造等領(lǐng)域開展合作。甘肅核技術(shù)產(chǎn)業(yè)園主要聚焦核循環(huán)產(chǎn)業(yè)，按照 800 萬噸處理廠耗資 約 1500 億

12、元計算，5000 億元投資約對應(yīng) 2600 噸左右處理能力。由此可見，未來乏燃料處理 領(lǐng)域仍有較大成長空間。2013 年 4 月，中核集團與法國阿?，m簽署了年處理能力 800 噸，儲存能力 600 噸的乏燃 料商業(yè)處理-在循環(huán)工廠合作項目，該項目從設(shè)計、施工到調(diào)試約需要 10 年時間，原預(yù)計于 2020 年開始建設(shè)，2030 年投產(chǎn)。但由于處理廠選址問題，以及當(dāng)?shù)孛癖妳f(xié)調(diào)問題，項目一直被擱置。3.乏燃料后處理市場空間測算中國核電站自 1994 年第一座秦山核電站開始運營，至今已積累了較大規(guī)模的乏燃料。隨 著中國“雙碳”目標(biāo)的公布，核能作為清潔能源備受關(guān)注和重視。這里，我們對未來乏燃料后處 理的

13、市場規(guī)模做如下測算：裝機容量的測算：根據(jù)“十四五”規(guī)劃和 2035 遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，至 2025 年，我國核電運行裝機容量達到 7000 萬千瓦，在建裝機規(guī)模接近 4000 萬千瓦。到 2035 年，我國核電在運和在建裝機容量將達到 2 億千瓦左右。則按照 2021 年年底 5349 萬千瓦裝機容量計算，2022-2025 年裝機容量 CAGR 為 6.96%，假設(shè)“十四五”期間，我國核電裝機容量按照該增速保持勻速增長，可以分別測算出 2022- 2025 年每年裝機容量。由于綱要中并未明確給出 2035 年在運裝機容量的目標(biāo)，這里保守估計，假設(shè) 2025-2035 年 核電運行裝機容量 CAG

14、R 為 5%。乏燃料產(chǎn)量測算：據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，截至 2020 年中國乏燃料累積待處理乏燃料 8718 噸，另據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù)，每 100 萬千瓦核電設(shè)備容量的乏燃料年產(chǎn)量約為 21 噸，據(jù)此，可以 大致測算出，到 2025、2030、2035 年，乏燃料年產(chǎn)量將分別達到 1470 噸、1876 噸、2394 噸，累計產(chǎn)量將分別達到 1.52 萬噸、2.37 萬噸、3.46 萬噸。根據(jù)中國經(jīng)營報，中國目前的核電站是按照自身可以存儲 10 年乏燃料設(shè)計。假設(shè) 100 萬千瓦核電機組對應(yīng) 21 噸/年乏燃料產(chǎn)量計算，則每建造 100 萬千瓦機組，對應(yīng)增加 210 噸乏 燃料儲存能力。據(jù)此，我們

15、可以根據(jù)每年的裝機容量大致測算出相對應(yīng)地乏燃料儲存能力。根據(jù) 我們的測算，到 2025 年，即裝機容量達到 7000 萬千瓦時，我國核電站乏燃料儲存能力將出現(xiàn) 飽和。因此，雖然乏燃料儲存能力隨核電裝機容量增加而增加，但乏燃料累計的速度要高于貯存 能力的增速。由此可見，乏燃料后處理的剛性需求，與乏燃料后處理產(chǎn)能之間的矛盾日益突出， 因此乏燃料后處理項目的確定性較高。而實際上，根據(jù)蘭石重裝 2021 年年報，目前大亞灣核電站在對貯存水池已經(jīng)飽和，開始向 嶺澳二期倒運；到 2025 年，預(yù)計將有超過 10 個核電站在堆貯存能力飽和。由此可見，乏燃料 后處理能力的提升已經(jīng)迫在眉睫。乏燃料后處理市場空間測算：根據(jù)以上對乏燃料產(chǎn)量的測算，到 2030 年，我國需要至少建 成 2 座 800 噸處理廠（或等量處理能力），到 2035 年需要建成 3 座 800