四代核电旨在提升核电厂经济性、安全性、可靠性：全球核电技术的发展历史大致可以划分为四代：第一代核电基于军用核反应堆技术，开发建造的首批原型堆及示范电站验证了核能发电的技术可行性；第二代核电，对经验证的机型实施了标准和批量化建设，全球绝大部分商运的机组都属于二代或二代改进型。第三代核电与二代原理相同，但进一步提升了安全性，主要机型有AP1000、EPR、CAP1400、华龙一号等。第四代核电的提出始于20世纪90年代末，旨在提升核电厂的经济性、安全性和可靠性以及防扩散和外部侵犯能力，主要包括超高温气冷堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆和熔盐堆六种堆型，目前我国布局了高温气冷堆、钠冷快堆、钍基熔盐堆三种堆型。
　　高温气冷堆是我国当前发展最成熟的堆型，国产化率达93.4%：高温气冷堆被称为“不会熔毁的反应堆”。1）燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，在高温下也能保持良好温度负反馈；2）氦气作为冷却剂，安全性好，环境污染小；3）采用模块式设计，功率密度低，安全性更高、更灵活。2021年，我国山东石岛湾高温气冷堆示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价，首次并网成功。示范工程上下游共500余家单位参与研发建设，仅首次使用的设备就有2200多台（套），创新型设备600余台，设备国产化率达到93.4%。高温气冷堆核岛主要设备包括蒸汽发生器、主氦风机、堆内构件、一回路压力容器、燃料装卸系统等，仍然以国企生产为主，部分民企参与其中。布局的企业主要有哈电集团佳电股份、科新机电、海陆重工、方大炭素、上海电气、宝鸡泰华磁机电技术研究所等。
　　技术应用方面，四代核电大有可为：1）工艺蒸汽：除常规发电外，相较于压水堆主蒸汽温度284℃、压力6.8MPa，高温气冷堆主蒸汽品质更高，主蒸汽温度为571℃，压力为14.1MPa，经过蒸汽转换设备可以提供该温度压力以下各种参数的工艺蒸汽。2）核能制氢：采用热化学制氢的新模式，在为制氢工艺提供电能和热能而不释放温室气体，目前主要有高温蒸汽电解（HTSE）、蒸汽甲烷重整（SMR）、硫碘（SI）循环可与高温气冷堆耦合制氢。3）火电原址复用：高温堆与常规火电超高压机组蒸汽参数基本相当，其汽轮发电机组的规格和系列也与火电厂非常接近，可以很好地利用现有火电厂汽轮机组。
　　相关标的：建议关注主氦风机总包商佳电股份，布局金属堆内构件的上海电气、海陆重工，以及炭堆内构件的方大炭素，热气导管及主氦风机冷却器供应商科新机电，以及兰石重装、中核科技、尚纬股份等。
　　风险提示：技术研发及推广不及预期风险、降本速度不及预期风险、产业政策风险、核安全事故风险
　　

研究报告全文：机械设备行业专题报告20230312核电设备专题系列报告二证券研究报告投资评级看好维持数十年磨一剑四代核电渐行渐近最近12月市场表现核心观点四代核电旨在提升核电厂经济性安全性可靠性全球核电技术的发机械设备沪深300展历史大致可以划分为四代第一代核电基于军用核反应堆技术开发建造的9首批原型堆及示范电站验证了核能发电的技术可行性第二代核电对经验证3的机型实施了标准和批量化建设全球绝大部分商运的机组都属于二代或二-4代改进型第三代核电与二代原理相同但进一步提升了安全性主要机型有-11AP1000EPRCAP1400华龙一号等第四代核电的提出始于20世纪90年-17代末旨在提升核电厂的经济性安全性和可靠性以及防扩散和外部侵犯能-24力主要包括超高温气冷堆超临界水堆气冷快堆铅冷快堆钠冷快堆和熔盐堆六种堆型目前我国布局了高温气冷堆钠冷快堆钍基熔盐堆三种堆型分析师佘炜超SAC证书编号S0160522080002shewcctseccom高温气冷堆是我国当前发展最成熟的堆型国产化率达934高温气冷堆被称为不会熔毁的反应堆1燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形联系人赵璐zhaoluctseccom核燃料元件在高温下也能保持良好温度负反馈2氦气作为冷却剂安全性好环境污染小3采用模块式设计功率密度低安全性更高更灵活2021年我国山东石岛湾高温气冷堆示范工程1号反应堆完成发电机初始负相关报告荷运行试验评价首次并网成功示范工程上下游共500余家单位参与研发建1机械行业专题研究2023-02-02设仅首次使用的设备就有2200多台套创新型设备600余台设备国产化率达到934高温气冷堆核岛主要设备包括蒸汽发生器主氦风机堆内构件一回路压力容器燃料装卸系统等仍然以国企生产为主部分民企参与其中布局的企业主要有哈电集团佳电股份科新机电海陆重工方大炭素上海电气宝鸡泰华磁机电技术研究所等技术应用方面四代核电大有可为1工艺蒸汽除常规发电外相较于压水堆主蒸汽温度284压力68MPa高温气冷堆主蒸汽品质更高主蒸汽温度为571压力为141MPa经过蒸汽转换设备可以提供该温度压力以下各种参数的工艺蒸汽2核能制氢采用热化学制氢的新模式在为制氢工艺提供电能和热能而不释放温室气体目前主要有高温蒸汽电解HTSE蒸汽甲烷重整SMR硫碘SI循环可与高温气冷堆耦合制氢3火电原址复用高温堆与常规火电超高压机组蒸汽参数基本相当其汽轮发电机组的规格和系列也与火电厂非常接近可以很好地利用现有火电厂汽轮机组相关标的建议关注主氦风机总包商佳电股份布局金属堆内构件的上海电气海陆重工以及炭堆内构件的方大炭素热气导管及主氦风机冷却器供应商科新机电以及兰石重装中核科技尚纬股份等风险提示技术研发及推广不及预期风险降本速度不及预期风险产业政策风险核安全事故风险请阅读最后一页的重要声明机械设备行业专题报告20230312行业专题报告证券研究报告表1相关标的投资评级总市值收盘价EPS元PE代码公司投资评级亿元03102021A2022E2023E2021A2022E2023E000922佳电股份61681034036050058342820561793未覆盖002255海陆重工4413524039--1790--未覆盖300092科新机电37081601040050080319432022001增持603169兰石重装8896681009013022969647073121未覆盖600516方大炭素24815652028-032379726042021未覆盖000777中核科技45831189031--5071--未覆盖数据来源wind数据财通证券研究所未覆盖标的盈利预测来自wind一致预期-部分代表未有相关预测数据谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准2行业专题报告证券研究报告内容目录1数十年磨一剑四代核电蓄势待发511核电技术迭代四代核电旨在提升能源可持续性经济性与可靠性512四代反应堆堆型高温气冷堆是当前发展较成熟堆型6121高温气冷堆我国当前发展较成熟的四代堆型示范工程首次并网成功6122钠冷快堆中子经济性更好福建霞浦快堆计划2023年建成投产8123钍基熔盐堆最安全技术之一计划于2030年后在全球率先实现商业应用813经济性四代核电仍有较大降本空间92高温气冷堆设备零部件国产化率达934国企生产为主部分民企参与其中921蒸汽发生器及主氦风机1022堆内构件1123反应堆压力容器1224燃料装卸系统1325氦气隔离阀133技术应用工艺蒸汽核能制氢火电原址复用四代核电大有可为1431发电与工艺蒸汽1432核能制氢1533火电原址复用174相关标的1841佳电股份1842海陆重工1843上海电气1844科新机电1945中核科技1946兰石重装1947方大炭素2048尚纬股份205风险提示21图表目录谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准3行业专题报告证券研究报告图1高温气冷堆核电站示范工程原则性流程示意图7图2高温气冷堆燃料球与压水堆燃料棒对比图7图3钠冷快堆发电原理图8图4熔盐堆反应原理示意图8图560万千瓦高温气冷堆核电站厂房立体剖面图10图6HTM-PM堆本体示意图11图7主氦风机布置示意图11图8示范工程金属堆内构件设备简图12图9示范工程首台压力容器吊装现场13图10燃料装卸系统示意图13图11不同反应堆技术出口温度15图12不同应用温度范围15图13核能制氢的技术路线16图14高温气冷堆硫碘SI循环制氢原理16表1核电技术发展历史5表2四代核电的六种候选堆型6表3可与高温气冷堆耦合的三种制氢工艺16表4目前各国核能制氢发展现状17谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准4行业专题报告证券研究报告1数十年磨一剑四代核电蓄势待发11核电技术迭代四代核电旨在提升能源可持续性经济性与可靠性1942年美国芝加哥大学建成的世界第一座反应堆验证了可控核裂变链式反应的科学可行性全球核电技术的发展历史大致可以划分为四代1第一代核电20世纪50-60年代基于军用核反应堆技术美国苏联加拿大英国等国家设计开发建造的首批原型堆或示范电站验证了核能发电的技术可行性2第二代核电20世纪70-90年代各国对经验证的机型实施了标准化系列化批量化建设至今全球仍在商运的核电厂绝大部分属于第二代或二代改进型技术这一时期是商用核电厂大发展的时期这一代的核电机组类型主要包括美国压水堆机型PWRSystem80和沸水堆机型BWR法国的压水堆机型P4M310俄罗斯的轻水堆核电机型VVER以及加拿大设计的重水堆核电机型CANDU等3第三代核电三代核电派生于二代技术其反应堆设计原理相同但吸取了过去几十年的运行经验进一步采用经开发验证且可行的新技术旨在提高安全性满足URD美国核电用户要求和EUR欧洲核电用户要求三代核电的开发始于20世纪90年代主要机型有AP1000EPRABWRAPR1400AES2006ESBWRCAP1400华龙一号4第四代核电在反应堆燃料循环方面都有重大革新和发展目标是增强能源的可持续性核电厂的经济竞争性安全和可靠性以及防扩散和外部侵犯能力表1核电技术发展历史核电技术时间特点发展背景第一代核电技术即早期原前苏联在1954年建成5MW实验性石墨沸水堆型核电站英国1956年建上世纪型反应堆主要目的是为成45MW原型天然铀石墨气冷堆型核电站美国1957年建成60兆瓦原第一代核50-60年通过试验示范形式来验证型压水堆型核电站在冷战和美苏争霸的大背景下核电站技术得到快电技术代核电在工程实施上的可行速发展这些实验性核电站证明了利用核能发电的技术可行性国际性上将这些实验性和原型核电机组称为第一代核电机组技术第二代核电站是指上世纪60年代末在实验性和原型核电机组基础上世纪证明了核电站在商业运行第二代核上陆续建成功率在30万千瓦以上的压水堆沸水堆重水堆等核电70-90上的可行性具备与火电技术机组上世纪70年代石油涨价引发的能源危机进一步促进了核电年代电水电竞争的实力的发展目前世界上商运的绝大部分核电机组都是在七八十年代建成指满足美国先进轻水堆型用户要求URD和欧洲用户对轻水堆型核电站的要求EUR的压水堆型技术核电机组是具有更高安全20世纪第三代核第三代核电技术在安全性性更高功率的新一代先进核电站主要机型包括ABWRSystem8090年代电技术上得到了提升AP600AP1000EPRACR等技术类型其中具有代表性的是美国的至今AP1000和法国的EPR我国引进的AP1000等技术分别在浙江三门和山东海阳等地建造在三代基础上为了强化第四代核电技术有六种设计概念包括三种快中子堆和三种热中子堆20世纪戒备核扩散的要求进一第四代核我国自主研发的第四代核电技术高温气冷堆设备国产化率高达90年代步改善经济性由此提出电技术934首个示范工程已经完成并网发电这也是全球首座具有第四代了第四代核电技术目前末至今核电技术主要特征的球床模块式高温气冷堆核电站仍处在开发和验证阶段资料来源国家能源局中国核电网财通证券研究所谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准5行业专题报告证券研究报告中国的高温气冷堆技术的研究发展工作始于20世纪70年代中期是以清华大学核研院为主开展的研发大致分为5个阶段119741985年是早期探索阶段219861991年863计划立项并开展关键技术研究的阶段319922000年10兆瓦高温气冷实验堆的建造阶段420012007年10兆瓦高温气冷实验堆的运行与安全试验和商业化示范的准备阶段52008年至今是高温气冷堆核电站国家科技重大专项实施及二十万千瓦核电站示范工程建设阶段12四代反应堆堆型高温气冷堆是当前发展较成熟堆型相比三代核电第四代核能系统是一种具有更好的安全性经济竞争力核废物量少可有效防止核扩散的先进核能系统目前处于原型堆技术研发阶段目前国际上公认有六种第四代裂变核反应堆型超高温气冷堆超临界水堆气冷快堆铅冷快堆钠冷快堆和熔盐堆目前我国已有布局的堆型技术包括高温气冷堆钠冷快堆钍基熔盐堆三种堆型其中高温气冷堆是我国当前发展最为成熟的四代堆型表2四代核电的六种候选堆型反应堆超高温堆超临界水堆气冷快堆铅冷快堆钠冷快堆熔盐堆简称VHTRSCWRGFRLFRSFRMSR冷却剂氦气水氦气CO2铅铅铋钠熔盐高压高压高压常压常压常压特点900-1000510-625850480-800550700-800主要发电制氢发电发电制氢发电制氢等发电发电制氢应用核废料处理核废料处理核废料处理开式循环燃料循环开式循环闭式循环闭式循环闭式循环闭式循环闭式循环数据来源中国科学院上海应用物理研究所核能研究展望财通证券研究所121高温气冷堆我国当前发展较成熟的四代堆型示范工程首次并网成功我国首个高温气冷堆示范工程自2012年开工建设2021年12月20日山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价首次并网成功发出第一度电标志着我国实现了第四代高温气冷堆核电技术的中国引领此外我国60万千瓦商用高温气冷堆已经启动工程项目筹备和选址工作示范工程技术方案的确定原则是具有固有安全性和潜在经济竞争力尽量采用成熟技术或经过验证的技术实现标准化模块化设计和建造因此其技术特点为1采用模块式高温气冷堆设计2球形燃料元件实现不停堆换料3设置两套独立停堆系统控制棒系统和吸收球停堆系统4双模块反应堆带一汽轮机的运行模式5常规岛采用成熟的超高蒸汽透平机组方案核岛布置两个反谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准6行业专题报告证券研究报告应堆模块通过两台蒸汽发生器共同为一台汽轮机提供蒸汽反应堆与蒸汽发生器分设在两个压力容器内用热气导管壳体相连接构成肩并肩布置方式图1高温气冷堆核电站示范工程原则性流程示意图图2高温气冷堆燃料球与压水堆燃料棒对比图数据来源张作义等我国高温气冷堆技术及产业化发展财通证券研究所数据来源中核集团官微财通证券研究所高温气冷堆被称为不会熔毁的反应堆高温气冷堆核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件也叫做燃料球在石岛湾示范电站燃料球直径6厘米最外层是石墨层里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的直径约09毫米的核燃料颗粒实验表明这种燃料球在1620高温条件下仍能够保持完好并有效地阻挡放射性的泄漏而且由于良好的温度负反馈性即便遇到极限事故反应堆的堆内温度也不可能达到1620的高温限值氦气作为冷却剂安全性好环境污染小根据史力等人在清华大学学报高温气冷堆关键材料技术发展战略的文章提出高温气冷堆产生的热量是由氦气作为冷却剂带走氦气从反应堆顶部进入堆芯入口温度为250度通过堆芯后氦气温度达到750度出口氦气流经直流蒸发器加热二次侧的水产生139MPa570的蒸汽热效率超过40未来堆芯的出口温度将提升到9501000可以采用氦气直接透平发电并提供高温工艺热应用此外由于氦气性质稳定且始终为气态因此可以降低一回路冷却剂的放射性并避免了冷却水沸腾的风险相比之下据中国核协会压水堆的入口出口温度分别为300330度且用水量较大一个100万千瓦压水堆堆芯每小时冷却水流量约6万吨高温气冷堆采用模块式设计功率密度低安全性更高更灵活相比大型压水堆高温气冷堆每一个小模块都可以采用很低的功率密度约为大型压水堆核电站的130因此反应堆停堆后产生的余热处于较低水平意味着发生任何意外时即使不进行人为干预反应堆也能自动停堆并将余热安全散发出去避免堆芯熔化根据中核集团数据山东石岛湾高温气冷堆示范工程采用的是两堆带一机发电功率20万千瓦在后续推广中通过多模块灵活组合的方式可建设20谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准7行业专题报告证券研究报告万40万60万80万100万千瓦等系列装机容量的机组适应不同地区用户需求122钠冷快堆中子经济性更好福建霞浦快堆计划2023年建成投产钠冷快堆是以液态金属钠为冷却剂由快中子引起核裂变并维持链式反应的反应堆快中子是指反应堆堆芯内的中子能量高飞行速度快例如法国1200MWe的超凤凰钠冷快堆的平均中子能量约为008MeV我国大亚湾970MWe轻水冷却热中子压水堆的平均中子能量约为005eV因此快堆堆芯中子的飞行速度是压水堆的千倍也正是由于其飞行速度快所以吸收截面与裂变截面之比显著降低每次裂变产生的中子数显著增大因此有更多剩余的中子被铀-238俘获吸收再经过两次衰变转变为钚-239因此快堆的中子经济性更好此外钠冷快堆还具有功率密度高固有安全性好小型化性能好全寿期不换料等优势可应用于远海岛礁等偏远地区也可与风光等新能源耦合运行提高微电网稳定性据中新网证券时报从全球来看钠冷快堆是四代核电备选队形中最成熟的堆型之一运行年数已经超过了430堆年1个反应堆运行1年等于1堆年技术成熟性很大程度上得到了工程验证2010年我国首个钠冷快堆中国实验快堆CEFR建成2017年福建霞浦钠冷快堆60万千瓦示范快堆工程开工计划于2023年建成投产图3钠冷快堆发电原理图图4熔盐堆反应原理示意图数据来源徐銤杨红义钠冷快堆及其安全特性财通证券研究所数据来源中国核电网财通证券研究所123钍基熔盐堆最安全技术之一计划于2030年后在全球率先实现商业应用钍基熔盐堆核能系统TMSR又称液态氟化钍反应堆LiquidFluorideThoriumReactorLFTR是第四代先进核能系统6种堆型中最安全的技术之一其反应原理是是控制熔盐中的钍例子与中子反应产生大量热值得一提的是相比其谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准8行业专题报告证券研究报告他对性的固态燃料熔盐堆的核燃料为液态当冷却剂流出反应堆芯时可以利用干法分离技术实现同位素的在线分离根据中国核工业集团有限公司报道钍基熔盐堆有五大特点1固有安全性高当熔盐堆内熔盐温度超过预定值时设在底部的冷冻塞将自动熔化携带核燃料的熔盐随即全部流入应急储存罐使核反应终止熔盐堆还可建在地面10米以下有利于防御破坏与袭击2核燃料储量丰富钍资源的储量乐观估计是铀的5-8倍我国是钍资源大国3核废料最小化当冷却剂流出堆芯可利用干法分离技术将乏燃料融于液态熔盐利用电化学方式进行元素分离实现同位素在线分离此外熔盐堆可使核燃料充分燃烧最终卸出肥料约为目前的11000左右4可用于干旱地区熔盐堆采用无水冷却技术只需少量的水即可运行且熔盐堆优势高温堆可用于干旱地区实现高效发电及其他应用根据中国核电网报道钍基熔盐堆核能系统计划于2030年后在全球率先实现商业应用这座新型核电装置将是世界上第一座商业化运营的钍基熔盐堆目前我国也是世界首个钍核反应堆正在我国甘肃省进行测试该核反应堆虽然功率只有2兆瓦但也能为1000户居民提供电能TMSR-LF1为一体式反应堆由中科院上海应用物理所自主设计13经济性四代核电仍有较大降本空间根据北极星电力会展网当高温气冷堆单纯用于发电时发电成本约0355元kWh只用于供汽时供汽成本约14372元吨虽然当前示范工程项目单位投资成本相对较高但随着不断设计优化批量化建设和热电联供的实现其经济性还有一定提升空间我国首个高温气冷堆示范工程自2012年开工建设至今已经10年有余相对成熟的压水堆而言由于高温气冷堆示范工程建设周期较长这可能是造成工程成本上升的重要原因另外在进行示范工程厂房和部分设备设计时一般也会留有较大的裕度因此重复建造的成本仍有进一步压缩的空间2高温气冷堆设备零部件国产化率达934国企生产为主部分民企参与其中根据核电网我国山东石岛湾高温气冷堆示范工程作为国家十六个重大科技专项之一上下游共500余家单位参与了石岛湾高温气冷堆示范工程的研发和建设谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准9行业专题报告证券研究报告其中仅首次使用的设备就有2200多台套创新型设备600余台设备国产化率达到934图560万千瓦高温气冷堆核电站厂房立体剖面图数据来源澎湃新闻财通证券研究所其中核岛的主要设备包括蒸汽发生器主氦风机堆内构件一回路压力容器燃料装卸系统等21蒸汽发生器及主氦风机哈电集团是高温气冷堆设备的重要参建单位示范工程中研发制造了全球首台高温气冷堆螺旋盘管式直流蒸汽发生器和全球首台大功率高温热态电磁轴承结构主氦风机等重要关键设备蒸汽发生器SG作为高温气冷堆核电系统中最关键的设备之一其作用是将核反应堆的热量转换成接近600摄氏度的水蒸气蒸汽发生器联接并隔离一回路和二回路的换热设备要能够保证在预期的各种工况下传递热量并产生合格的蒸汽推动汽轮发电机组产生电能也被称为核电之肺高温气冷堆主氦风机相当于压水堆中核岛的主泵用于驱动冷却剂氦气在系统内循环流动被誉为心脏设备为避免穿轴造成一回路气体泄漏主氦风机整机被安装在一回路蒸汽发生器压力壳内的顶部HTR-10主氦风机采用立式布置上部为驱动电机下部为叶轮并用隔板分为2个腔室电机腔室有冷却器保证氛围温度在60度以下叶轮则直接置于下腔室一回路氦气中工作温度为250摄氏度压力3MPaHTR-PM主氦风机是在HTR-10基础上研制的商用高温气冷堆用氦风机二者技术路线一致皆为离心式风机但功率不同分别为4500160kW哈电集团佳电股份作为主氦风机设备的总包单位其驱动电机为公司自主研制一般每10万千瓦机组约对应1台主氦风机需求谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准10行业专题报告证券研究报告根据科新机电2021年年报公司承制了高温气冷堆核电站示范工程项目的热气导管和主氦风机冷却器图6HTM-PM堆本体示意图图7主氦风机布置示意图数据来源王捷等高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展清华大学学报自然科学版财通证券研究所数据来源张作义等我国高温气冷堆技术及产业化发展财通证券研究所注主氦风机主要部件包括驱动电机叶轮扩压器蜗壳辅助叶轮电磁轴承风机挡板电机冷却器电气贯穿件变频器系统仪控系统等22堆内构件堆内构件是指高温气冷堆压力容器内除燃料元组件外的所有结构件的总称包括活性区四周的陶瓷石墨结构件以及对其限位与支撑的金属结构件等其功能为支撑堆芯构成石墨反射层控制棒和二次停堆球孔道组成冷却剂流道活性区上下端结构根据王毅等在高温气冷堆核电站示范工程金属堆内构件设备的国产化实践中提到山东石岛湾示范工程中一回路堆内构件直径为5440mm壁厚40mm高度2006m质量达357t的包庇通体结构密闭安装在反应堆压力容器设备内主要由堆芯壳上下支撑板定位板压紧板防旋键等部件组成此外为了增加总体刚度筒体上缘设计成加厚的法兰段下端有加强的底部结构即下加厚段由于反应堆正常运行时压力容器内一直充满氦气金属堆内构件所承受的温度在104-321度之间事故工况下最高壁面温度可达500度左右因此设备主体材质选用耐高温的12CrMolR合金钢板材和合金钢锻件谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准11行业专题报告证券研究报告图8示范工程金属堆内构件设备简图数据来源王毅等高温气冷堆核电站示范工程金属堆内构件设备的国产化实践财通证券研究所1金属堆内构件根据核电网上海第一机床厂有限公司上海电气全资子公司承制的示范工程金属堆内构件设备高2006米直径544米壁厚40毫米重量357吨是世界上尺寸最大的薄壁型金属堆内构件设备制造历经近8年时间逐一攻克了锻件和钢板落锤试验低合金无缝钢管制造大型金属波纹管制造环形底座焊接薄壁堆芯壳精密加工和精密焊接技术下支承板精密加工和精密装配技术等难关并填补了国内相关领域的空白海陆重工于1998年取得核安全设备制造资格为上海第一机床厂加工的堆内构件吊篮筒体是制造核反应堆的心脏设备根据公司2021年年报国内生产吊篮筒体均为公司制造公司在具有自主知识产权的华龙一号CAP1400三代核电技术具有四代安全特征的高温气冷堆核电技术应用上均获吊篮筒体安注箱堆内构件吊具等重要订单2非金属堆内构件据核电网方大炭素目前是国内首家拿到民用核安全设备制造许可证的炭素企业提供给山东石岛湾高温气冷示范堆的炭堆内构件已经实现应用实现了核电关键材料的国产化解决了制造大尺寸含硼炭堆内构件成型焙烧工艺关键技术机械加工精度和预组装方式及外形尺寸测量等诸多技术难题23反应堆压力容器反应堆压力容器是核电站的主设备之一用来盛装反应堆堆芯使高温高压的冷却剂保持在一个密封的壳体内同时起辐射屏蔽作用2016年3月我国高温气谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准12行业专题报告证券研究报告冷堆首台压力容器顺利吊装吊装的压力容器直径约64米高25米重约700吨是目前世界上制造难度最大重量最重的反应堆压力容器上海电气核电设备有限公司上海电气全资子公司承制的高温气冷堆示范工程反应堆压力容器相比压水堆设备拥有更大外形尺寸更复杂的结构高度和重量史上之最图9示范工程首台压力容器吊装现场图10燃料装卸系统示意图数据来源周树勇等球床高温气冷堆燃料元件气力输送过程仿真财通证数据来源清华大学官网王建一摄财通证券研究所券研究所24燃料装卸系统燃料装卸系统是高温气冷堆中最复杂最关键的系统由于高温气冷堆使用球形燃料球形有利的几何形状可实现不停堆换料在燃料装卸系统中燃料元件从堆芯底部通过卸料装置卸出经过重力下降段气力输送上升段到达堆芯顶部宝鸡泰华磁机电技术研究所与清华大学共同研制了我国高温气冷堆示范工程燃料装卸系统的系列产品完成了磁力传动器磁推力轴承及高耐磨轴承以及立式卸料机构的热态高温高压干摩擦及氦气性能实验等二十几项项目产品的研制根据清华大学官网科技日报2015年报道该公司已与中核能源科技有限公司华能山东石岛湾核电有限公司签订了3万方合同为示范工程提供关键设备及部件580余台套件25氦气隔离阀核级氦气隔离阀是高温堆气冷堆中面广量大的承压设备对于保证高温气冷堆的正常稳定运行及安全起着重要作用根据中国化工报HTR-PM示范工程核级氦气隔离阀大量从国外采购从一定程度上限制了后续高温气冷堆工程的建设因此科技部将高温气冷堆核级氦气隔离阀研制任务列为国家科技重大专项课题谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准13行业专题报告证券研究报告2019年中核科技与课题牵头单位清华大学联合揭榜DN100和DN250两台大口径核1级氦气隔离阀样机的研制任务目前已按计划完成了两台样机的生产制造出厂试验及DN250样机的水回路鉴定试验3技术应用工艺蒸汽核能制氢火电原址复用四代核电大有可为除了常规发电外高温气冷堆还可应用于石油精炼稠油热采页岩油提炼合成氨及化肥生产乙烯和甲醇合成海水淡化煤化工以及制氢等诸多领域中市场前景广阔石化行业的能耗主要集中于电热氢的需求煤油气等化石能源既用作原材料投入也用作燃料燃烧燃烧过程往往伴随着大量的碳排放1电耗方面据澎湃新闻报道我国沿海22家石化园区建成达产后所需发电装机规模达04亿千瓦2热力蒸汽需求石化行业更突出的需求体现在对热力蒸汽的需求上稠油热采环节需提供蒸汽驱及SAGD的工艺热据澎湃新闻报道沿海22家石化园区建成后总蒸汽需求量可达135万th当前石化行业一般由热电机组和地区电网供电由燃煤锅炉和热电机组供热供汽3氢能需求石化行业的氢能需求越来越大氢能主要用于石化产品加氢精制和大分子团烃类加氢裂化环节而该产品和生产环节在可以预见的未来尚无替代产品和工艺当前石化行业氢来源主要有天然气制氢煤制氢然而这两类制氢技术均以化石能源为原料会产生大量碳排放那么核电如何与石化行业耦合31发电与工艺蒸汽核能是清洁低碳安全高效的基荷能源一台60万千瓦级别的高温气冷堆年发电量可达40亿千瓦时以上核电相较于风光等新能源电力供应更加稳定能够满足石化行业石化产业园区对能源供应系统的稳定性要求核能供热在三代核电就已经开始推广根据澎湃新闻报道当前我国压水堆核电站的热电转化效率只有35左右其余热量以大量海水作冷却后排入大海而这部分热量完全可以通过回收作供热使用因此核能供热项目在三代核电领域就已经开始推广示范例如2021年1112月山东海阳浙江海盐两个核能供热项目相继投运海南昌江多用途小堆示范项目也已开工建设谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准14行业专题报告证券研究报告图11不同反应堆技术出口温度图12不同应用温度范围数据来源王建强等核能综合利用研究现状与展望财通证券研究所注VHTR为超高温反应堆GFR为气冷快堆MSR为熔盐堆LFR为铅冷数据来源王建强等核能综合利用研究现状与展望财通证券研究所快堆SFR为钠冷快堆SCWR为超临界水堆PWR为压水堆BWR为沸水堆高温气冷堆供热更具突出优势相较于压水堆主蒸汽温度284压力68MPa高温气冷堆主蒸汽品质更高主蒸汽温度为571压力为141MPa高温气冷堆一回路冷却剂氦气出口温度高达750输送过程中有一定的热损失经过蒸汽转换设备可以提供该温度压力以下各种参数的工艺蒸汽20万千瓦机组蒸汽产量可达600Th与目前石化园区煤锅炉产量参数温度和压力基本一致模块式高温气冷堆将是替代石化园区煤锅炉的一项重要技术方案此外根据中核集团数据高温气冷堆的限制区半径仅为1km因此可以贴近核电厂区建设石化产业以减少蒸汽输送过程中的热损失核能蒸汽还可以用于稠油热采稠油也被称作高粘度原油是我国油气资源的重要组成部分根据中国石油石化数据其在全球原油储量中占比70但开采难度极大稠油开发主要通过热力采油法其中蒸汽吞吐蒸汽驱是使用范围最广采出油量最多的方式1蒸汽吞吐是先将高温高压的蒸汽注入油层对油井周围油层加热降黏焖井换热后再开井采油2蒸汽驱是向井中持续注入高温高压蒸汽通过蒸汽将地下原油加热然后将邻近变稀的原油驱向采油井采出高温气冷堆的主蒸汽可满足稠油热采蒸汽不同压力和温度的要求并根据用户需要进行参数调节随着原油供应日渐短缺和国际油价的上涨连续稳定开采稠油将日趋紧迫这将为高温气冷堆助力稠油热采提供广阔市场机遇除了常规发电以及用于石油精炼稠油热采外高温气冷堆还可用于页岩油提炼合成氨及化肥生产乙烯和甲醇合成海水淡化煤化工等领域32核能制氢谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准15行业专题报告证券研究报告核能制氢并不是通过核能发电再利用电解水制氢因为核电的发电成本并非是最低的而是采用热化学制氢的新模式在为制氢工艺提供电能和热能而不释放温室气体目前主要可以通过高温气冷堆与三种工艺耦合制氢即高温蒸汽电解HTSE蒸汽甲烷重整SMR硫碘SI循环表3可与高温气冷堆耦合的三种制氢工艺制氢方式高温蒸汽电解蒸汽甲烷重整硫碘循环简称HTSESMRSI最佳运行温度800-1000760-880750-1000摄氏度一次能源系统向固体氧化物电解池输入电将蒸汽和较轻的碳氢化合物将核反应堆与热化学循环制能热能在该作用下电解池高效地将如甲烷沼气或炼油厂原原理氢装置耦合硫循环从水中水电解生成H2和O2先进核反应堆提供料转化为H2和CO进一步与分离出O2碘循环分离出H2的工艺热约30和电能约70水蒸气反应后生成H2和CO2与核能耦合制接近6060以上氢效率技术成熟度较低耐高温材料研发是主要热化学循环研究已经从小试挑战温度达850度以上后材料高温蠕目前较为成熟的制氢工艺较走向了中试温度问题可考变性能明显变化长时承载能力显著下为简单和经济是大规模产氢发展现状虑通过分两阶段补充额外降中间换热器出口集箱结构复杂焊缝的主要方式之一但投入原料能量来解决具有较光明的质量要求高目前国内材料能否满足要求中有甲烷产物中有CO2前景仍需验证数据来源中国核工业澎湃新闻国际能源网能源发展网第一元素网财通证券研究所其中国际上公认最具应用前景的催化热分解方式是由美国开发的硫碘SI循环其原理是将核反应堆与热化学循环制氢装置耦合硫循环从水中分离出O2碘循环分离出H目前以SI循环为代表的热化学循环研究已经从小试走向了中试高温气冷堆耦合SI循环制氢具有光明的前景即使当前的反应堆出口温度略低于制氢工艺所需也可以考虑通过分两阶段补充额外的热量来完成整个重整过程图13核能制氢的技术路线图14高温气冷堆硫碘SI循环制氢原理数据来源国际能源网财通证券研究所数据来源国际能源网财通证券研究所从各国发展进程看早在2004年美国能源部DOE启动了核能制氢研究工作但其工业规模示范仍受制于高温反应堆研发和商业化其投入的3个现役核电机组低温电解制氢最早于2023年投入商运法国英国均将核能作为制绿氢的关键谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准16行业专题报告证券研究报告能源但并未提出具体实现路径我国从2004年开始论证核能制氢的可行性计划在2022-2023年形成工业示范工程建设方案启动工程项目相关工作根据国际能源网报道中核集团远期的目标是在2030年后利用已成熟的核能制氢和弃电制氢为产业源头开拓储氢运氢氢燃料电池等中下游产业表4目前各国核能制氢发展现状国家核能制氢发展现状早在2004年美国能源部DOE启动了核能制氢研究工作但其工业规模示范仍受制于高温反应堆研发和商美国业化2019年以来DOE先后支持了3个现役核电机组低温电解制氢商业化运行最早于2023年投入运行但其经济性有待验证作为全球核电比例最高的国家仍在开展高温热化学制氢和蒸汽电解制氢的试验研究工作尚未开展在役压水法国堆核电机组制氢示范2021年法国2030计划中提出未来5年在氢能投入20亿欧元并将核能列为生产绿氢的关键但尚未提出明确技术路线图短期首先在在役核电机组上进行制氢示范和应用中长期优选高温气冷堆制氢并提供资金支持示范项目21年5月英国核工业协会NIA宣布其氢能英国路线图已获得英国核工业委员会NIC通过提出到2050年英国13的氢需求由核能生产但并未提出具体的实现路径首选方案是使用高温气冷堆制氢日本原子力研究机构JAEA自1998年建成运行热功率30MWe的高温气冷日本试验堆HTTR该试验堆的主要目的就是验证高温蒸汽制氢工艺成功完成了连续一周的制氢试验运行在此基础上日本原子力研究机构进行了大功率600MWt堆设计研发但一直未进行工程验证和项目建设清华大学从2004年开始论证可行性随后开展了对碘硫SI循环核热制氢的基础性实验研究十二五期间设立科技重大专项主要目标之一是掌握SI和HTSE关键技术华能石岛湾高温气冷堆建成运行2021年中国9月清华大学牵头华能与中核参与成立制氢产业技术联盟提出将在2022-2023年期间研究形成工业示范工程建设方案启动示范工程项目相关工作中核集团远期的目标是在2030年后利用已成熟的核能制氢和弃电制氢为产业源头开拓储氢运氢氢燃料电池中下游产业数据来源第一元素网财通证券研究所核能制氢的清洁性优势显而易见然而当前高温气冷堆的经济性以及如何保证易燃的氢气在制氢过程中的安全运输和储存仍然是需要考虑的问题挑战未来核能制氢的发展除技术难题外高温气冷堆的大规模应用也将是关键33火电原址复用高温气冷堆在替代火电方面也具有突出优势蒸汽参数方面高温堆与常规火电超高压机组参数基本相当其汽轮发电机组的规格和系列也与火电厂非常接近可以很好地利用现有火电厂汽轮机组据中核集团数据按年利用7000小时计算2台60万千瓦高温气冷堆机组替代超洁净排放煤电机组每年可减少燃煤使用标煤约280万吨减少烟尘约132吨二氧化硫约960吨氮氧化物约1320吨可明显改善环境质量谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准17行业专题报告证券研究报告4相关标的41佳电股份哈尔滨电气集团佳木斯电机股份有限公司是中央管理的国有重要骨干企业之一哈尔滨电气集团有限公司的控股上市公司继承了原佳木斯电机厂优质资产延续80余年电动机生产历史是党的第一座电机厂是我国防爆电机起重及冶金用电机屏蔽电机电泵及局部扇风机的创始厂和主导企业公司主要产品为矿用电机永磁电机防爆电机核用电机屏蔽电机普通电机同步电机起重冶金电机广泛应用于机械煤炭石油化工起重冶金航空航天等行业以及核电站卫星发射三峡工程南极长城站等国家重点建设项目佳电股份为高温气冷堆核电站主氦风机设备的总包单位其中驱动电机为哈电集团佳电股份自主研制主氦风机是示范工程核反应堆一回路唯一的关键能动设备其功能是驱动一回路内的冷却剂氦气流经反应堆堆芯在反应堆正常启动功率运行和停堆等工况时提供足够流量的氦气通过一回路系统将反应堆堆芯产生的热量带走该产品是世界上第一台采用电磁轴承支撑的大功率主氦风机在国际上还没有容量相当结构相似的产品多项技术填补了国内空白并为国内首创在国际上处于领先水平42海陆重工海陆重工始建于1956年位于江苏省张家港市开发区是国内一流的节能环保设备的专业设计制造企业目前已初步形成锅炉产品大型压力容器核电设备低温产品环保工程共同发展的业务格局目前海陆重工公司自主承接的核电产品订单逐渐增多已经远超原来的单一加工制造订单逐步完成核电的战略转型规划公司在具有自主知识产权的华龙一号CAP1400三代核电技术具有四代安全特征的高温气冷堆核电技术应用上均获吊篮筒体安注箱堆内构件吊具等重要订单此外公司有参与钍基熔盐实验堆项目前期公司承制的2MWt液态燃料钍基熔盐实验TMSR-LF1安全专设余排换热装置顺利通过中国科学院上海应用物理研究所专家组的验收该安全专设顺利通过验收充分体现了公司在核安全承压设备方面的制造能力43上海电气上海电气是全球领先的工业级绿色智能系统解决方案提供商专注于智慧能源智能制造数智集成三大业务领域业务遍及全球公司作为中国动力工业的摇篮有着120多年的历史谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准18行业专题报告证券研究报告上海电气核电设备有限公司承制的高温气冷堆示范工程反应堆压力容器相比压水堆设备拥有更大外形尺寸更复杂的结构高度和重量史上之最上海第一机床厂有限公司承制的高温气冷堆示范工程金属堆内构件设备高2006米直径544米壁厚40毫米重量357吨是世界上尺寸最大的薄壁型金属堆内构件设备制造历经近8年时间逐一攻克了锻件和钢板落锤试验低合金无缝钢管制造大型金属波纹管制造环形底座焊接薄壁堆芯壳精密加工和精密焊接技术下支承板精密加工和精密装配技术等难关并填补了国内相关领域的空白44科新机电四川科新机电是一家大型专用设备制造企业国家高新技术企业公司生产的产品为压力容器过程装备主要类别分为重型压力容器核电核化工及军工设备新能源新材料领域高端装置常规电站辅机设备等经过20多年的发展公司在生产制造研发设计国内重大项目上积累了丰富的经验已具备为大型炼油化工核电太阳能光伏等新能源新材料下游客户提供关键高端装备与专业服务的能力并先后成功承制了多种超限及特殊材料的关键核心设备目前公司在国内压力容器领域已经具备较强的市场竞争优势和品牌优势多年以来公司已成功为国内多个重大项目建设提供了大量超限及特殊材料的多领域重要核心设备如核电领域中广核集团项目的ANT-12A新燃料运输容器山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程项目的热气导管和主氦风机冷却器45中核科技中核苏阀科技实业股份有限公司前身为1952年成立的苏州阀门厂是一家集工业阀门研发设计制造及销售为一体的科技型制造企业为石油天然气炼油核电电力冶金化工造船造纸医药等行业提供阀门系统解决方案并于1997年在深交所挂牌上市成为中国阀门行业和中国核工业集团有限公司所属的首家上市企业核级氦气隔离阀是高温堆气冷堆中面广量大的承压设备对于保证高温气冷堆的正常稳定运行及安全起着重要作用根据中国化工报HTR-PM示范工程核级氦气隔离阀大量从国外采购从一定程度上限制了后续高温气冷堆工程的建设2019年公司与清华大学联合揭榜DN100和DN250两台大口径核1级氦气隔离阀样机的研制任务目前已按计划完成两台样机的制造出厂试验及DN250样机的水回路鉴定试验46兰石重装谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准19行业专题报告证券研究报告兰州兰石重型装备股份有限公司始建于1953年是中国石化装备制造业的先行者其前身是国家一五期间156个重点建设项目之一兰州炼油化工设备厂被誉为中国石化机械摇篮和脊梁2021年11月12日公司在投资者互动平台表示已为华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程制造了国内首个四代核电站乏燃料现场贮存系统竖井热屏设备24套乏燃料装卸系统及新燃料运输系统过滤器以及乏燃料运输系统地车屏蔽项目地车屏蔽罩已经具备高温气冷堆项目经验47方大炭素方大炭素新材料科技股份有限公司成立于1998年12月16日是世界前列的优质炭素制品生产供应基地涉核炭材料科研生产基地国内炭素行业龙头企业公司主要从事炭素制品的研发生产和销售主营包括石墨电极炭砖类产品等静压石墨炭素新材料和生产炭素制品用原料低硫煅后石油焦软沥青等产品种类齐全公司攻克了国家科技中长期发展重大专项之一的高温气冷堆示范核电站中炭堆内构件的生产制造核心技术作为国内首家拿到民用核安全设备制造许可证的炭素企业方大炭素提供给山东石岛湾高温气冷示范堆的炭堆内构件已经实现应用48尚纬股份尚纬股份有限公司成立于2003年7月总部位于四川省乐山国家高新技术产业开发区内是行业领先的高端特种电缆全面解决方案提供商根据公司官网介绍公司建有四川安徽两大智能制造基地能够制造额定电压500kV及以下交联电缆核电站用电缆轨道交通用电缆高压电力电缆太阳能光伏发电用电缆矿用电缆船用电缆风力发电用电缆军工航天航空用电缆海上石油平台用电缆等38大系列上万种规格型号的产品公司近年来积极拓展核电及新能源市场业务并取得成效公司拥有自主知识产权的华龙一号核设施用电缆技术被认定为国际先进水平拥有民用核安全设备设计许可证和民用核安全设备制造许可证许可活动范围全面涵盖第三代核电站华龙一号用安全壳内K1类和安全壳外K3类电缆此外公司也是石岛湾高温气冷堆核电站用壳内QA类电缆供应商谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准20