在雙碳大背景下，能源行業(yè)急需大力發(fā)展清潔而高效的能源，滿足國內(nèi)日益高漲的用電需求。
然而一直以來，風(fēng)光電等綠色能源受困于穩(wěn)定性不足的先天缺陷，而儲能技術(shù)的成熟與規(guī)?；稚行枰恍r日。
但其實人類社會在許多年前，就已經(jīng)找到了一種可能的終極能源解決方案并一直沿用至今，那就是核能。
核電站的發(fā)電原理和火電類似，都是“燒水”,但核電通過核燃料裂變產(chǎn)生的熱量“燒”水，使水轉(zhuǎn)化成高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。
能效角度，核電是一種非常高效、清潔的能源。1kg U235的充分裂變（也就是俗稱的鈾235），產(chǎn)生的能量相當(dāng)于2700噸完全燃燒的標(biāo)準(zhǔn)煤或3700噸普通煤。以此計算，全球的核燃料資源能夠提供的熱量大約是化石燃料的十幾萬倍，因此，以裂變?yōu)榛A(chǔ)的核能是長期緩和能源危機的有效手段。
成本角度，核電在發(fā)電成本上明顯低于火電，相較于光伏、風(fēng)電、生物質(zhì)等清潔能源，核電綜合發(fā)電成本、利用效率和機組壽命也具備一定競爭力。
同時，即使光伏或風(fēng)電這樣被視作綠色能源的發(fā)電方式，實際上也有不容忽視的間接碳排放。唯有核能，具備全程維持極低碳排放的潛力（但也有大量技術(shù)問題尚未解決）。在雙碳目標(biāo)下，隨著中國電力需求的不斷增長，核電作為少數(shù)有望在未來大規(guī)模替代火電的基核能源，是國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級過程中，最具潛力的選手之一。
在我國當(dāng)前的電力消費占比中，核電僅占5％，低于世界平均水平的10%[1]，更遠(yuǎn)低于經(jīng)合組織成員國的平均水平18%和美國的19.7%?？梢哉f，中國國內(nèi)的核電市場距離潛在巔峰發(fā)電水平至少還有數(shù)倍距離，核電市場具備可觀的發(fā)展空間。
國內(nèi)市場方面，根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國核能發(fā)展報告（2020）》預(yù)計，十四五及中長期內(nèi)核電建設(shè)有望按照每年6~8臺持續(xù)穩(wěn)步推進。按照當(dāng)前百萬千瓦機組建設(shè)成本150億~200億元人民幣/臺計算，每年將帶來千億的市場空間[2]。根據(jù)測算，建成后的單臺華龍一號年發(fā)電能力近100億度[3]，發(fā)電收入近40億元（按照三代核電上網(wǎng)電價0.4元/度保守估算[4]），60年運行壽期內(nèi)可為投資者帶來可觀收益。
而在政策面上，本土核能行業(yè)也逐步迎來利好。在此前的十三屆人大四次會議上，《2021年政府工作報告》重點提出“在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電”，這是近十年來政府工作報告中首次使用“積極”的字眼提及核電。
核能發(fā)電始于上世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了半個多世紀(jì)不同階段的發(fā)展，如今分布在31個國家的448座反應(yīng)堆提供了全球10％的電力[4]，伴隨著核電發(fā)展的不同階段，核電廠設(shè)計誕生了“代”概念。
一代反應(yīng)堆
二戰(zhàn)期間，各國在研制核武器的同時，也在致力于核能的民用研究，為了研究核反應(yīng)堆的特性和核電的工程可實施性，各國建立了一批試驗堆和原型堆（也即第一代核電站），如蘇聯(lián)的第一座原子能電站（位于奧布寧斯克），美國的希平港核動力廠等。
二代反應(yīng)堆
第二代核電站是指20世紀(jì)60年代末期開始投入商業(yè)運行的核電機組，當(dāng)前大部分在運行的核電站都屬于二代或二代半。主流的二代核電站技術(shù)有5種，分別是：壓水堆、沸水堆、重水堆、高溫氣冷堆、快中子堆。
五種主要動力堆基本特征
核反應(yīng)堆通過可控鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)產(chǎn)生熱量，裂變產(chǎn)生的中子都是“高能中子”，即能量在2~10MeV的“快中子”。快中子堆中，裂變由“快中子”引起，無需中子慢化劑。熱中子堆中裂變是由熱中子引起的，需要足夠的中子慢化劑。冷卻劑是堆內(nèi)載熱的介質(zhì)。
壓水堆
壓水堆是使用加壓的輕水（提高沸點）做冷卻劑和慢化劑的反應(yīng)堆，采用富集度3%~5％的鈾做核燃料。壓水堆分為三個回路，一回路的作用是利用高壓水帶走堆內(nèi)熱量。二回路的作用是接收一回路高壓水傳遞出的熱量，并將其用來發(fā)電，三回路是用來將二回路發(fā)電后的余熱排放到環(huán)境（江、河、湖、?；虼髿猓?。
如下圖所示，核反應(yīng)堆放置在壓力容器中進行可控鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，其冷卻劑入口水溫在290℃左右，出口水溫在330℃左右，一回路壓力為15.5MPa，壓力靠一臺穩(wěn)壓器進行控制，回路中不允許出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象[5]。核反應(yīng)堆堆芯出口冷卻劑從壓力容器上部離開核反應(yīng)堆，進入蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞給二回路。從蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽流過汽輪機，帶動發(fā)電機組發(fā)電。不能利用的大部分能量通過三回路排放。
基于軍用核反應(yīng)堆的應(yīng)用基礎(chǔ)，結(jié)合工業(yè)上使用輕水的長期經(jīng)驗，壓水堆技術(shù)成為了核電發(fā)展的重點技術(shù)，曾一度壟斷核電國際市場。其最顯著的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、堆芯功率密度大，在相同功率下比其他堆型的體積小，同時經(jīng)濟性好，基建費用低，建設(shè)周期短，同時輕水便宜、易于獲得和處理，既可以用作慢化劑，又可以當(dāng)做冷卻劑。在上述因素的共同影響下，壓水堆在世界上的機組占比達到65%。
沸水堆
沸水堆是利用沸水做慢化劑和冷卻劑，并在壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽的核反應(yīng)堆。沸水堆將壓水堆的一、二回路合并成一個回路，液態(tài)冷卻劑進入堆芯后產(chǎn)生蒸汽，攜帶堆芯熱量的汽水混合物向上經(jīng)過壓力容器上部空間的汽水分離器和干燥器，約13%的流體為蒸汽直接進入汽輪機發(fā)電，蒸汽做工后經(jīng)過冷凝器作為給水返回堆芯。剩下87%的流體則重新進入循環(huán)。
沸水堆和壓水堆相比具有一些優(yōu)點：
直接循環(huán)，反應(yīng)堆直接產(chǎn)生蒸汽，節(jié)省了一個回路，無需昂貴的蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器，能減少大量的設(shè)備需求；
工作壓力低，但產(chǎn)生的蒸汽溫度和壓力比壓水堆高，因此熱力系統(tǒng)效率比壓水堆高。
然而，沸水堆的輻射防護問題卻極復(fù)雜，由于核反應(yīng)堆流出的冷卻劑直接引入汽輪機，導(dǎo)致汽輪機等重要設(shè)備的輻射屏蔽和廢物處理的需求高，停堆檢修時間長，電廠設(shè)備利用率低。此外，沸水堆的功率密度比壓水堆小，需要的核燃料比同功率壓水堆多，經(jīng)濟性上可能略差一些。
在當(dāng)前的核電市場中，主要是日本和中國臺灣省采用這一技術(shù)路線。
重水堆
重水堆是用重水作慢化劑的核反應(yīng)堆，其核電站堆型也稱為CANDU堆，主要分為壓力管式與壓力殼式兩種。以壓力管式重水堆為例，核反應(yīng)堆所在的容器稱為排管容器，里面裝有低溫、低壓的重水，成排的燃料管道貫穿排管容器，這種燃料管道包含內(nèi)外兩層套管，用來分隔慢化劑和冷卻劑。主泵將重水送入排管容器，流經(jīng)燃料通道帶走熱量，而后經(jīng)過蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞給二次側(cè)輕水蒸汽推動汽輪機做工。重水堆反應(yīng)堆回路同樣設(shè)置穩(wěn)壓器，以維持較高的系統(tǒng)壓力。
相較于輕水堆，重水堆能夠使用天然鈾作核燃料無需為重水堆建立濃縮鈾廠。另外由于其慢化劑和冷卻劑分開，失水事故的后果可能沒有輕水堆嚴(yán)重。
然而重水的慢化能力（可簡單理解為減慢中子運動速度的能力）不如輕水，為了充分慢化高能中子，需要大量重水慢化劑，導(dǎo)致同樣功率的重水堆堆芯遠(yuǎn)比壓水堆要大。另一方面，20t天然水僅能制備3kg重水，費用十分高昂。
由于重水堆的建設(shè)不需要依賴鈾濃縮廠，印度、阿根廷、巴基斯坦等國家先后引進了加拿大的CANDU堆，我國秦山3期工程兩機組也為重水堆。
高溫氣冷堆
氣冷堆用氣體作為冷卻劑而非傳統(tǒng)的水，其優(yōu)點是不會發(fā)生堆內(nèi)沸騰，缺點是氣體導(dǎo)熱能力差，需加壓運行。
當(dāng)代的高溫氣冷堆技術(shù)采用化學(xué)惰性高、熱工性能好的氦氣作冷卻劑，燃料元件為全陶瓷型包覆顆粒，用石墨做慢化劑，堆芯出口氦氣的設(shè)計溫度有望實現(xiàn)950℃。燃料元件主要結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種類似壓水堆呈棱柱狀，另一種燃料元件為球形。
首先石墨作為一種固有溫度反應(yīng)性系數(shù)為負(fù)數(shù)的材料（可簡單理解為溫度越高越會抑制核反應(yīng)），負(fù)反饋保證反應(yīng)堆高溫后可迅速降低功率，確保反應(yīng)堆安全。且試驗表明，石墨在2100℃條件下，包覆顆粒仍能保持完整性，且能承受3000℃以上的高溫。極高的熔點意味著在嚴(yán)重事故中，事故溫度不足以讓高溫氣冷堆堆芯融化，也就確保了不會發(fā)生類似切爾諾貝利的事件。第三代高溫氣冷因為上述優(yōu)點是國際公認(rèn)的安全性好、發(fā)電效率高的先進反應(yīng)堆。
快中子堆
快堆是利用高能中子引發(fā)裂變反應(yīng)的核反應(yīng)堆，通常用液態(tài)金屬鈉作冷卻劑?？熘凶佣阎饕譃閮深?，回路式結(jié)構(gòu)和池式一體化結(jié)構(gòu)。
以回路式結(jié)構(gòu)為例，堆芯產(chǎn)生的熱量通過封閉的鈉冷卻劑回路先后傳遞給中間回路和汽水回路推動汽輪機組發(fā)電，與壓水堆不同的是鈉冷快堆增加了一個以液態(tài)鈉為介質(zhì)的中間回路，以避免蒸汽發(fā)生器泄露引起的鈉水反應(yīng)威脅核反應(yīng)堆本體。
回路式結(jié)構(gòu)
池式一體化結(jié)構(gòu)將堆芯、鈉循環(huán)泵、中間熱交換器（即一回路）放置在一個體積龐大的液態(tài)鈉池中，通過鈉泵給液鈉提供動力，液鈉通過堆芯被加熱到550℃后，從堆芯上部流出經(jīng)中間熱交換器換熱，溫度降到400℃左右。較高的出口溫度使得快堆的熱效率能夠達到41%，遠(yuǎn)超壓水堆。
池式一體化結(jié)構(gòu)
此外，目前的熱中子堆對鈾的利用率，折算為天然鈾資源僅為約1%~2%，快堆通過結(jié)合后處理技術(shù)，能夠?qū)⑩欃Y源的利用率提高到70%。但快堆由于鈉水反應(yīng)，鈉中含氧量高能造成極為嚴(yán)重的腐蝕等問題，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍不廣，主要集中在俄羅斯，且尚未全面進入商用。
三代反應(yīng)堆
在經(jīng)歷了切爾諾貝利和三里島事故后，全世界從安全性和經(jīng)濟性上對核技術(shù)有了更新的要求。
第三代輕水堆是根據(jù)美國核電用戶要求文件（URD）和歐洲核電用戶要求文件（EUR），在安全設(shè)計、性能設(shè)計和經(jīng)濟性方面都有較大提升的核動力廠，如專設(shè)安全系統(tǒng)需保證堆芯累計損壞頻率小于10-5/堆年，或是非能動核電廠設(shè)計至少保證至少72小時無需操作員干預(yù)等。其代表性堆型是AP1000、EPR和華龍一號。
AP1000
AP1000是美國西屋公司開發(fā)的電功率為1117MW的壓水堆，該堆型創(chuàng)造性地將“非能動”安全理念引入安全系統(tǒng)地設(shè)計中，并大大簡化了系統(tǒng)配置，滿足URD要求。AP1000的全球首堆已于2018年在我國三門市實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
AP1000設(shè)計參數(shù)[6]
EPR
EPR是由西門子公司、法國電力集團、法瑪通公司聯(lián)合研發(fā)的歐洲第三代壓水堆，采取安全系統(tǒng)多樣性和增強冗余性理念，說白了就是為安全功能多設(shè)幾樣系統(tǒng)，每樣系統(tǒng)多設(shè)置幾列一樣的，一般是4列。下表列出了EPR的主要指標(biāo)，為了降低發(fā)電成本，其提高了電功率和熱工參數(shù)，發(fā)電機組的熱效率高。全球首座投入商運的EPR機組2019年于我國臺山市正式并網(wǎng)發(fā)電。
EPR設(shè)計參數(shù)[7]
華龍一號
華龍一號是中核集團與中廣核開發(fā)的、具備能動和非能動相結(jié)合安全特征的先進核電廠。華龍一號是基于現(xiàn)有壓水堆核電廠的漸進式設(shè)計，具備177堆芯、CF3先進燃料組件、能動與非能動安全系統(tǒng)、全面的嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施等。2020年，華龍一號全球首堆——福清核電5號機組正式并網(wǎng)發(fā)電。隨著近幾年海內(nèi)外華龍一號示范項目相繼并網(wǎng)，我國后續(xù)可能會迎來該型號的批量化建設(shè)階段。
華龍一號設(shè)計參數(shù)[5]
2000年，美國能源部牽頭提出了面向未來的“四代核電”概念及14項基本要求，并由此衍生出了6種主要候選堆型，然而由于材料等技術(shù)的限制以及經(jīng)濟性等指標(biāo)的過高要求，想看到四代堆脫離“紙面”尚極為遙遠(yuǎn)?？梢哉J(rèn)為，第三代壓水堆將是未來我國核電領(lǐng)域最有希望得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)路線。
與許多人想象的不同，核電領(lǐng)域并非完全封閉，是留有供社會資本進入窗口的，例如2020年核準(zhǔn)的三澳核電是國內(nèi)首個引入民間資本的核電建設(shè)項目。但核電作為一個極其特殊與敏感，且重資產(chǎn)運行的行業(yè)，當(dāng)前建設(shè)發(fā)展仍高度依賴國家投資推動。
從產(chǎn)業(yè)鏈看，核電的上中下游分別為：
上游：核燃料制備；
中游：設(shè)備制造；
下游：核電站建設(shè)、運營及乏燃料處理。
核燃料制備
美國核能研究所認(rèn)為，核能的鈾成本約為14%，如果包括所有前端和廢物管理成本，則總的燃料成本約為34%。2021年中國廣核在投資者互動平臺表示，核燃料成本占銷售電力業(yè)務(wù)營業(yè)成本的比重約為30%左右。
作為一種極為敏感的物質(zhì)，核燃料管制非常嚴(yán)格，許可準(zhǔn)入壁壘極高，行業(yè)業(yè)態(tài)較為固定。中核是我國唯一能夠開采鈾礦的核電企業(yè)，也是國內(nèi)鈾的唯一供應(yīng)商，在核燃料前端保持壟斷地位。除國內(nèi)開采這一渠道外，國內(nèi)的核電業(yè)主們同樣進行海外投資和國際貿(mào)易布局，在哈薩克斯坦、納米比亞、澳大利亞、加拿大等國家投資建礦，以保證國內(nèi)鈾資源的充足供應(yīng)。
設(shè)備制造
中游是核電產(chǎn)業(yè)投資占比最高的環(huán)節(jié)，可達50%以上，這也是是民營企業(yè)參與度最高的板塊。核電設(shè)備包括核島設(shè)備、常規(guī)島設(shè)備、輔助設(shè)備三個大類。
核島說的是執(zhí)行核安全功能的廠房統(tǒng)稱，主要包括核反應(yīng)堆壓力容器、主泵、主管道、蒸汽發(fā)生器、核級泵閥、換熱器等，這部分設(shè)備大多執(zhí)行核安全功能，運行工況復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)苛，造成廠家的技術(shù)壁壘高，毛利率高，屬于高端產(chǎn)品線。
常規(guī)島指的是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能進而轉(zhuǎn)化為電能的無核區(qū)域，如汽輪機廠房及其配套廠房。常規(guī)島設(shè)備和輔助設(shè)備的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)同其他工業(yè)用途類似，并不具備“核”的特殊性，因此該領(lǐng)域的準(zhǔn)入門檻低，同質(zhì)化競爭嚴(yán)重，毛利率低。
核電站建設(shè)、運營及乏燃料處理
目前核電建設(shè)與運營主要以中核、中廣核、國電投三家為主，CR2高達87%，呈現(xiàn)高度壟斷的態(tài)勢。針對乏燃料（燒完的廢料）的后處理，當(dāng)前階段我國的方法主要為“開式循環(huán)”，業(yè)內(nèi)也稱“一次通過式”（once through），即乏燃料不進行后處理，將乏燃料長期貯存，直接放置于核電站的乏燃料水池或甘肅北山的地下存儲基地中。
“閉式循環(huán)”則是通過后處理將乏燃料回收利用，提取其中的錒系核素重新制作核燃料，旨在盡可能的提高經(jīng)濟效益并降低核廢料的重量。但總體來說這一路線仍處發(fā)展早期，也不夠成熟，乏燃料后處理廠及相關(guān)產(chǎn)業(yè)是一片藍海市場，目前尚未有直接相關(guān)公司上市。
此外，除了基本的技術(shù)問題外，核電行業(yè)仍面臨著建設(shè)成本高、建設(shè)周期長、電站老化管理、高放廢物處置及公眾接受度低等一系列復(fù)雜問題。
然而這些問題單靠核電產(chǎn)業(yè)本身很難解決，需要在外部力量的介入下協(xié)同發(fā)展，如來自國家政策層面的扶持，社會資本的接入等，本文受篇幅所限不就此進一步展開。
References：
[1]IAEA公布2019年全球核電發(fā)展數(shù)據(jù)，國家原子能機構(gòu)分析http://www.caea.gov.cn/n6758881/n6759299/c6810177/content.html
[2]中國核電網(wǎng)分析：華龍一號造價比AP1000低多少？https://www.cnnpn.cn/article/23019.html
[3]我國第二臺“華龍一號”核電機組并網(wǎng)發(fā)電,中央政府網(wǎng)http://www.gov.cn/xinwen/2022-01/02/content_5666149.htm
[4]國家發(fā)展改革委關(guān)于三代核電首批項目試行上網(wǎng)電價的通知https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/201904/t20190401_962414.html?code=&state=123
[5]《華龍一號 能動與非能動相結(jié)合的先進壓水堆核電廠》原子能出版社
[6]楊洋. 三代核電技術(shù)簡析及主要堆型對比分析[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2017, 7(10):3.
[7] Yong WANG, Ji-en MA, You-tong FANG,等. 世界三代壓水堆主要機型技術(shù)分析英文[J]. Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering), 2016.
關(guān)鍵詞： 核反應(yīng)堆 蒸汽發(fā)生器 并網(wǎng)發(fā)電
