u 鈾是核裂變的關鍵原料。 ? 天然鈾是生產濃縮鈾的原料，也可用于生產钚。鈾原子序數為92，原子量為238，是自然界中能夠找到的最重元素。自然界中存在三種鈾的同位素，分別是自然豐度為99.275%的鈾238、自然豐度為0.72%的鈾235和自然豐度為0.005%的鈾234，能用作核電燃料的是鈾235。 ? 輕水堆核電站所需要的鈾235豐度大約在3%-5%，壓水堆核電站以含鈾235約3％的低濃鈾作為燃料，核武器所需要的鈾235豐度要達到90%以上。一公斤鈾235完全裂變，會損失大約0.09%的質量，而釋放的能量相當于燃燒2700噸優(yōu)質煤，是全球核電的絕對主力“燃料”。鈾除了能發(fā)電，還廣泛用于各種軍事和民用領域。比如，航母和潛艇的鈾核反應堆、原子彈和氫彈；鈾濃縮過程的副產品貧鈾能用來生產貧鈾彈和高強度裝甲；農業(yè)輻照育種、生產人造元素、放射治療、造影診斷都能用到鈾。由于核電需求構成鈾金屬接近100%的需求（軍用暫不考慮），我們著重研究核電領域對鈾的需求。 u 鈾礦開采-鈾礦加工-鈾純化轉化-鈾濃縮-核燃料組件制造-核電站利用。 ? 加工：開采出來的具有工業(yè)品位、或者經過物理選礦的礦石加工濃集成含鈾量較高的中間產物—鈾化學濃縮物（黃餅，主要以U3O8形式存在，含有大量雜質）； ? 純化轉化：將黃餅進一步提純以達到要求的核濃度，并轉化為易于氫氟化的鈾氧化物（精制），U3O8是鈾在空氣中最穩(wěn)定的氧化物，便于長期貯存，再將U3O8轉化為UF6； ? 濃縮：鈾同位素互相分離的過程，即通過物理的分離方法將鈾238的含量降低，鈾235的含量提高。生產1噸富集度為3%的濃縮鈾，大約需要5.5噸天然鈾原料（黃餅）； ? 組件制造：把鈾濃縮工序產品六氟化鈾經過化學工藝操作，生產出UO2等燃料芯塊，然后再把燃料芯塊裝入包殼組裝成燃料棒。壓水堆的燃料組件就是由一定數量的燃料元件排列組成正方形的燃料棒束集成。 u 根據世界核協會數據，截至2024年12月，全球核電并網容量為396GW，并網核電站439座，在建容量71.8GW，在建核電站66座。根據Our World in Data，2023年全年全球核電發(fā)電量占比9.11%。 ? 核電作為清潔能源，是碳排放最低的發(fā)電技術之一。與傳統火電相比，不排放二氧化硫、煙塵、氮氧化物和二氧化碳等有害或溫室氣體，具有資源消耗少、環(huán)境影響小等優(yōu)勢。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2014年公布的數據，核電技術的溫室氣體排放約為3.7-110克二氧化碳當量/千瓦時，各國中位數為12克二氧化碳當量/千瓦時，與陸上風電基本相當，是水電的一半，光伏的1/4，遠低于煤電、天然氣發(fā)電和生物質發(fā)電，可以在滿足快速增長的能源需求的同時兼顧生態(tài)環(huán)境。 ? 核電是高效的能源。1千克鈾235的原子核全部裂變，可以釋放相當于2700噸標準煤完全燃燒放出的能量。一座百萬千瓦級的核電廠每年只需補充一次約30噸的核燃料（濃縮后），一輛重型卡車即可拉走。同樣規(guī)模的火電廠每年需要燃煤約300萬噸，僅每天就需要一列40節(jié)車廂的火車來運輸。 ? 核電負載因子高，能源保障力強。2023年核電機組每年的工作小時數為7670小時，是火電的1.7倍，水電的2.5倍，風電的3.4倍，太陽能的6倍。一臺1GW的核電機組一年能生產77億度電（1GW*7670h）。 u 目前核電技術發(fā)展到第四代。第一代核電站為原型堆，其目的在于驗證核電設計技術和商業(yè)開發(fā)前景；第二代核電站為技術成熟的商業(yè)堆；第三代核電站安全性和經濟性均較第二代有所提高，是目前全球核電建設的主流技術，“華龍一號”、“國和一號”（CAP1400）均是我國自主知識產權三代核電技術；第四代核電站強化了防止核擴散等方面的要求，目前處于起步階段，鈉冷快堆和高溫氣冷堆是發(fā)展較快的兩種堆型。 u 國際原子能機構把核事故事件分7級。標準考慮到：①對人和環(huán)境的影響；②對設施的放射屏障和控制的影響；③以及對縱深防御的影響。1級事件只是涉及縱深防御功能減退，2級和3級涉及縱深防御功能較嚴重減退或給人或設施造成較低程度的實際后果，4級至7級涉及給人、環(huán)境或設施造成越來越嚴重的實際后果。我國輻射防護標準規(guī)定對輻射工作人員一年中的有效劑量為不大于50msv（毫希沃特，輻射劑量的基本單位之一）。 ? 1979年3月28日，美國三里島核電站發(fā)生了嚴重事故（5級），堆芯部分熔化，射性物質釋放到了安全殼中。但由于一回路壓力邊界和安全殼的包容作用，泄漏到周圍環(huán)境中的放射性核素微乎其微，沒有對環(huán)境和公眾的健康產生危害，僅有3名電站工作人員受到略高于季度劑量管理限值的輻射照射。周圍80km的200萬居民中，平均每人增加的劑量還不如帶一年夜光表或看一年彩電的。但美國國家核管會由于缺乏經驗，錯誤地發(fā)出撤離警告，導致8萬人驚慌撤離的混亂中，有3人被擠死。事故的原因是機械設備故障和人員連續(xù)誤操作，同時也跟控制室指示器的界面設計缺陷有關。這次事故導致對主控制室、運行規(guī)程和人員培訓進行了重大改進，對嚴重事故分析及應急對策高度重視，從而提高了核電站運行的安全性。 ? 1986年4月26日，前蘇聯烏克蘭境內的切爾諾貝利核電站4號機發(fā)生爆炸（7級），這是人類歷史上最嚴重的一次核事故。周邊地區(qū)共有約3萬多平方公里的土地遭受了嚴重污染。確診為不同程度急性放射病者134人，有28人在數周內死亡，另有2人死于化學爆炸和燒傷，有14人在10年內死亡。聯合國原子輻射效應科學委員會(UNSCEAR)在研究和分析大量已有資料的基礎上得出的結論是:“除受照兒童可觀察到甲狀腺癌增加外,在切爾諾貝利13年后沒有發(fā)現與電離輻射相關的主要公眾健康影響。沒有觀察到與電離輻射可能有關的總的癌發(fā)生率或死亡率的增加；甚至在事故清理工作人員或兒童中，作為輻射照射最靈敏的指標之一的白血病也沒有增高。在與電離輻射相關的其他的非腫瘤疾病(軀體的或神經性的)方面，沒有增加的科學證據。 ? 2011年3月11日，日本福島核電站事故（7級）。日本東北發(fā)生毀滅性的9.0級地震和海嘯，地震引起的斷電以及大規(guī)模損毀了核反應堆機組與電力網的連接，只能依賴緊急柴油發(fā)電機驅動電子系統與冷卻系統。在福島第一核電站 內共有六個沸水反應堆機組，大地震發(fā)生時，為了準備定期檢查，4、5、6號機正處于停機狀態(tài)；當偵測到地震時，1、2、3號機組亦立刻進入自動停機程序，但是大海嘯淹沒了緊急發(fā)電機室，損毀了緊急柴油發(fā)電機，令冷卻系統停止運作，反應堆開始過熱。同時，地震與海嘯造成的損毀也阻礙了外來的救援。在之后的幾個小時到幾天內，1、2、3號反應堆經歷了堆芯熔毀。聯合國原子輻射影響問題科學委員會進行跟蹤調查，2011年3月至2012年3月底，在福島第一核電站現場參與減災和其他活動的 20000多名應急工人所受平均有效劑量約為13毫希沃特。約36%的人所受有效劑量超過10毫希沃特，而0.8%（174名工人）被評估為在此期間所受有效劑量超過100毫希沃特。自2012年 4月以來，年有效劑量已顯著降低，年均有效劑量從截至2013年3月底的一年約6毫希沃特降至截至2020年3月底的一年約2.5毫希沃特。自2013年4月以來，沒有工人接受的年有效劑量超過50毫希沃特。 u 全球近20年核電發(fā)電量和鈾需求量無明顯增長。 ? 回看全球歷年發(fā)電量，根據Our World in Data數據，2011福島核電站事故之后，當年核電發(fā)電量減少4.2%，2012年銳減6.8%，此后核電進入緩慢發(fā)展期。到2021年，全球核電發(fā)電量在事故后首次超過了事故前的極值（2006年），達到2762TWh。核電發(fā)電量近20年無明顯增長，而全球用電量持續(xù)增加，全球核電發(fā)電占比從1996年的17.44%極大值一路下降到2023年的9.11%。 ? 從鈾需求量來看，根據世界核協會數據預測，2024年全年鈾需求量為67517噸，2007年以來無明顯增量，近20年大部分年份需求量在6.4-6.8萬噸之間。其中，美國核電需求量世界第一，2024年需求1.8萬噸，中國作為第二大鈾需求國，需求量為1.3萬噸。 u 核事故陰霾消退，核電邊際變化已現。 ? 中國：在經歷3年零核準后，2019年重啟核電核準，2019-2024年分別核準核電機組4/4/5/10/10/11臺，核電核準有加速勢頭。中國核能行業(yè)協會預計，2030年前我國在運核電裝機規(guī)模有望成為世界第一； 2035年我國核能發(fā)電量在總發(fā)電量的占比將達到10%左右，達到世界平均水平，相比2024年我國核電發(fā)電占比翻倍；到2060年，占比達到18%左右，與當前經合組織國家平均水平相當。 ? 其他國家：2023年12月，第28屆聯合國氣候大會（COP28）上，包括美國、法國在內的22個國家達成三倍核能協議：到2050年全球核能裝機達到目前的三倍，認識核能在實現凈零路徑中的關鍵角色。按照這一決策簡單計算，2024到2050年全球核電裝機規(guī)模CAGR達到4.3%。 ? 根據2023年發(fā)布的WNA核電發(fā)展預測中案，預計2035年全球核電裝機將達543GW，將較2024年中增長45%。 u 核反應堆平均建設周期有所拉長。 ? 據WNA公布的《2024年世界核電廠運行實績報告》，2023年開始供電的核反應堆平均建設周期為115個月，高于2021年的88個月和2022年的89個月，也高于近年來的平均水平。 ? 2023年全球共有五座核反應堆首次并網發(fā)電，涉及中國、斯洛伐克、美國、白俄羅斯和韓國。這些反應堆大多采用先進的壓水反應堆技術，核反應堆的建設時間跨度較長，從開始建設到并網時間需要7-11年不等。例如Vogtle 3號機組用了10年時間完成從建設到并網的全過程，而Mochovce 3號機組由于歷史原因，建設中斷了多年，最終在2023年成功并網，我國的防城港3號機組采用華龍一號技術，85個月成功并網。 u 核電站設備利用率和發(fā)電效率穩(wěn)定、高效。 ? 全球核電站運營效率提升。容量因子表示核反應堆的實際發(fā)電量與其最大可能發(fā)電量的比率，反映了核電站的實際運行效率。2023年全球核反應堆的平均容量因子為81.5%，高于2022年的80.4%。自2000年以來，全球核電站的容量因子一直保持在較高水平，表明核電站的運行效率持續(xù)較好。全球核電站的運營表現隨著技術進步和運維優(yōu)化穩(wěn)步提升，1970年代，全球核電站的平均容量因子約為60%左右，之后逐步上升，至1990年代達到80%左右，一直保持在較高水平，意味著核電站的設備利用率和發(fā)電效率處于相對穩(wěn)定和高效的狀態(tài)。 ? 右圖展示了在2019年至2023年期間，不同年齡段的核反應堆平均容量因子。整體上核反應堆的運行效率隨著時間的推移仍能保持穩(wěn)定，核反應堆性能并沒有因為年齡的增加而顯著下降。雖然不同年齡段的反應堆容量因子存在波動，但并未出現年齡相關的整體性能下降趨勢。核反應堆在運行25至35年期間，平均容量因子略有下降。這個階段的反應堆可能由于設備老化或維護需求增加，導致性能暫時下降。運行超過45年的反應堆，其容量因數高于其他年齡段，表明這些老化反應堆在良好維護和技術支持下仍能保持較高的運行效率。 u 全球核電在建容量2018年觸底后逐年提升，按照九年的建設周期，鈾需求將在2027年開始加速釋放。 u 按照各個國家對核電建設的規(guī)劃進行測算，2035年全球鈾需求量將達到9.5萬噸。 ? 行業(yè)慣例，一臺1GW的核電機組一年消耗170-200噸天然鈾，換料周期為18個月。按照歷史需求和并網容量測算，全球的均值大概在170-180，中國的均值在200左右。背后的原因可能受到核電技術、換料周期、容量因子等影響。 ? 按照WNA數據，2024年全球鈾需求量為67517噸，其中中國13132噸；我們預測到2030年全球和中國的并網容量分別為495GW/92GW，需求量分別達到84084噸和18384噸，2024-2030CAGR分別為3.7%、5.8%；到2035年全球和中國的并網容量分別為559GW/126GW，需求量分別達到95089和25236噸，2030-2035CAGR為2.5%、6.5%。中國將成為全球鈾需求的主要拉動者。 u 首次加倍裝料或將需求前置。 ? 根據《核燃料循環(huán)》一書，一座1GW壓水堆核電機組，初裝料需天然鈾當量400噸，每年換料175噸。這意味著實際需求增長早于并網容量增長。