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世界核燃料循环产业现状(一) ——核燃料需求将持续增长


核燃料循环工业是一个超长产业链的高端产业,涉及的技术领域广泛复杂。以核燃料组件在核反应堆中应用为分界,包括铀矿勘查采冶、铀转化、铀同位素分离和核燃料组件制造的技术过程称为核燃料循环的前端技术;核燃料从反应堆卸出后(乏燃料)的处理和处置技术过程称为核燃料循环的后端技术。

大力发展核燃料循环产业将为核电安全可持续发展提供重要保障。中国核能行业协会组织“我国核燃料保障战略重大问题情报支撑研究”课题组,通过对世界核燃料供需情况以及核燃料技术和产业发展状况进行认真调研,形成了《世界核燃料循环产业调研报告》。报告对世界核燃料循环前、后端产业状况及相关技术,以及产业发展趋势进行了研究和分析。我们摘编了报告重要内容分次发布,供大家阅读。

1 全球铀供需状况——全球铀需求持续增长,到2025年左右将出现供应缺口,目前全球大部分铀需求将由一次供应即天然铀生产来满足。

目前天然铀的供应一般分为两种类型,第一类为一次供应,是指直接从铀矿山和水冶厂加工生产的铀;第二类为二次供应,包括高浓铀(HEU)稀释、天然和低浓铀(LEU)库存、混合氧化物燃料(MOX)、尾料再浓缩的铀和从乏燃料中提取的铀等。2013年,一次供应能满足全球92%的天然铀需求;二次供应为全球天然铀供应的一个重要补充,占天然铀供应的8%。

截至2014年6月,全球有435台核电机组运行,总装机容量为394.8GWe,另有71台机组在建,总容量为69.0GWe。在世界核协会(WNA)2013年发布的《全球核燃料市场(供应与需求2013-2030)》中,对未来天然铀需求进行了预测,按设计的基准情景,从2013年起至2030年,大致需要150万吨铀,未来几年由于高浓铀及库存的消耗,预计此150万吨铀将主要来源于一次供应,大约需消耗250万吨的已探明且经济可采的铀资源量。

自2003年天然铀价格上涨以来,多个国家致力于开发新矿山。WNA 2014年7月公布的《2006-2013年世界各国天然铀产量数据》显示,2006-2008年全球天然铀产量变化较小,分别为3.94万吨、4.13万吨和4.38万吨。2009年后由于哈萨克斯坦等国产量的急剧上升,2013年总量增加到5.96万吨铀。

2013年世界前四大天然铀生产商,即哈萨克斯坦国家原子能公司(KazAtomProm)、加拿大矿业能源公司(Cameco)、法国阿海珐集团(Areva)和俄罗斯国有铀资源公司(ARMZ)的产量之和约占全球总产量的60%;世界前八大铀生产商的总产量占世界总产量的83%左右。 

2013年全球产量最大的八家铀业公司

         公司

产量(tU)

全球份额%

哈萨克斯坦国家原子能公司(KazAtomProm)

9402

16

加拿大矿业能源公司(Cameco)

9144

15

法国阿海珐集团(Areva)

8768

15

俄罗斯国有铀资源公司(ARMZ)

8160

14

力拓矿业集团(Rio Tinto)

4541

8

必和必拓公司(BHP Billiton)

3399

6

帕拉丁能源公司(Paladin   Energy)

3230

5

乌兹别克斯坦纳沃伊公司(Navoi)

2400

4


2010-2013年,全球一次铀资源供应能力由满足核电站需求的78%提升至92%。随着俄美高浓铀协议的结束,二次供应量减少,在供应总量中的比例已经由2010年的22%降至2013年的8%。一次供应能力正在大幅提升,全球大部份铀需求将由一次供应即天然铀生产来满足。

WNA 2013年全球核燃料市场报告对未来天然铀年度需求及供应进行了预测,2020年前,总供应的各情景均大于总需求的对应情景,整体处于供大于求的状况;随着中国及其他亚洲、中东国家核电的快速发展,到2025年前后将出现铀资源供应不足的情况,并且供应缺口会持续扩大。


2 铀转化需求和供应——铀转化需求至2030年整体呈逐步增长趋势,但由于转化市场价格低迷加上2013年美俄高浓铀协议结束,预计铀转化供应将出现缺口,然而这些预测存在相当大的不确定性。


目前全球核电需求的铀转化产品主要有UF6和UO2,其中UF6约占总需求的95%,主要用于需要低浓铀的轻水堆(LWRs)和部分气冷堆(AGRs);UO2主要用于不需浓缩铀的重水堆(PHWRs、HWRs),总需求量约2400-3600吨铀。

以UF6为例,WNA对全球UF6转化需求进行了预测,在高值情景、基准情景中,全球对UF6转化服务的年度需求逐步增长,2030年预测值分别为11.61万吨、9.46万吨,比2013年分别增长了91%和52%;低值情景中,2020年比2013年增长了12%,2030年比2013年下降约6%。

目前全球共有4家大型商业铀转化服务供应商,分别为:法国阿海珐集团(Areva)、加拿大矿业能源公司(Cameco)、美国康弗登公司(ConverDyn)、俄罗斯国家原子能集团(Rosatom)。2013年以上4家占据了全球95%市场份额。此外,中国核工业集团(CNNC)也拥有一定的铀转化产能,但产能主要用于满足本国需求。

铀转化市场主要供应商的可持续产能份额(2013年)

全球主要转化厂的总设计生产能力为77040tU/a。近些年,转化厂实际转化生产量约为51478tU/a,约为设计能力的70%。

因转化市场价格低迷,加拿大矿业能源公司于2014年8月提前终止与英国Springfields铀转化厂的铀转化协议,该十年租赁协议原定于2016年3月到期。而法国阿海珐集团、加拿大矿业能源公司、俄罗斯国家原子能集团、中国核工业集团和巴西等在新增产能方面加大投入,提高轴转化产能。全球主要转化厂的总设计生产能力为77040tU/a。近些年,转化厂实际转化生产量约为51478tU/a,约为设计能力的70%。

2012年,二次供应总量约2.3万tU(UF6)。2013年,美俄高浓铀协议结束的当年,二次供应量约2.6万tU(UF6)。预计二次供应总量将在2014-2022年降至1.55万tU(UF6),在2023-2035年进一步降至1.06万tU(UF6)。如果英国Springfields铀转化厂于2016年后停运且不新增产能,预计2016-2020年期间均出现不同程度的供应缺口。然而,这些预测存在相当大的不确定性。二次供应源包括商业铀库存(过去5年持续增长)、政府铀库存、浓缩厂欠料运行和尾料再浓缩以及钚和铀再循环。

从上世纪40年代铀浓缩工业化生产开始,至今全世界已积累了近200万吨贫铀。1984年以前,国外几乎所有的贫铀都以六氟化铀的形态直接贮存在钢制容器内,并采取露天堆放的形式进行存放。从1984年开始,法国率先对贫铀进行脱氟处理,将其转化为稳定的氧化物(U3O8)长期存放。进入本世纪以后,美国、俄罗斯及Urenco公司已开始对持有的贫铀进行稳定化处理。美国将贫铀认定为一种中低水平的放射性废物。Urenco公司计划2014年在德国Gronau建成贫化U3O8的贮存库,贮量为6万吨U3O8。

综上,目前主要铀浓缩生产国家(公司)都在致力于研究并有计划地实施贫铀安全处置工作。主流的贫化六氟化铀处理工艺是法国AREVA集团的干法转化工艺。


3 浓缩铀需求和供应——当前市场供应能力略超出需求,预计至2020年左右将出现产能缺口,全球主要供应商已开始为满足未来出现的预期需求增长做准备。


浓缩铀供应包括商业浓缩厂的一次供应以及军用高浓铀的稀释及政府储备存货使用的二次供应。

全球四大浓缩铀供应商分别为:欧洲铀浓缩公司(Urenco)、俄罗斯国家原子能集团(Rosatom)、美国铀浓缩公司(USEC)、法国阿海珐集团(Areva)。目前的市场供应能力能够满足全球需求,但富余量不大,全球主要供应商已开始为满足未来20年内出现的预期需求增长做准备。

全球铀浓缩服务的年度需求在2011年出现下降,仅为3.92万tSWU,比2010年下降13%,主要原因是在日本福岛事故以及德国8台核电机组被关闭。2013年全球核电厂的浓缩服务需求比2012年增加了2%,达到4.16万 tSWU,但仍处于较低水平。预计后续需求将逐步恢复,到2016年将增加至5.1万tSWU。

按照世界核能协会(WNA)预测,在高值情景、基准情景和低值情景中,全球浓缩服务的年度需求到2020年将分别增加至约6.7万tSWU、6万tSWU和5.4万tSWU。低值情景中,全球的年度需求到2020-2030年间出现小幅下降,到2030年将跌至约4.6万tSWU。

目前,全球铀浓缩服务的来源主要有3种类型:

1. 法国阿海珐集团(Areva)、俄罗斯国家原子能集团(Rosatom)、欧洲铀浓缩公司(Urenco)、美国铀浓缩公司(USEC)等全球性供应商。2013年,以上4家供应商占据了全球约91%的市场份额。其中,美国铀浓缩公司(USEC)目前正在开展对美国能源部的高丰度浓缩铀的尾料进行再浓缩,所获得的产品将在2015-2021年期间投放市场。随着美国帕杜卡气体扩散厂于2013年6月关停,美国铀浓缩公司(USEC)实际上已丧失了铀浓缩产能,Rosatom和Urenco进一步巩固了其在全球铀浓缩市场上的主导地位。尤其是Rosatom,在2013年的市场份额高达45.5%。

乔治·贝斯I气体扩散厂、帕杜卡气体扩散厂已分别于2012年和2013年关闭,另外美俄高浓铀协议到期,导致2014年出现整体供应能力下降,但由于当前市场供应能力超出需求约12%,因此浓缩服务的市场价格在过去两年中呈现稳步下降的趋势。

铀浓缩市场主要供应商的市场份额(2013年)

供应商

份额

欧洲铀浓缩公司(Urenco)

34%

俄罗斯国家原子能集团(Rosatom)

29%

美国铀浓缩公司(USEC)

20%

法国阿海珐集团(Areva)

8%

中国原子能工业公司(CNEIC)

7%

其他

2%

2. 中国核工业集团、日本核燃料公司(JNFL)等地区性供应商。

3. 以美国与俄罗斯的高浓铀占主导地位的二次供应源。

二次浓缩铀主要来自俄罗斯及美国的高浓铀稀释,后处理回收铀的浓缩及MOX燃料。2013年美俄高浓铀协议结束,自2014年起,二次供应减少约5700tSWU/a。后处理回收铀的浓缩及MOX燃料可减少分离功需求约为4000tSWU/a。预计2014年回收铀和MOX燃料供应量为2000tSWU,此外低浓铀库存释放量约1200tSWU。

当前,全球铀浓缩服务市场处于供大于求的状态。按照需求基准情景预测及当前全球主要浓缩厂产能预测情况,2020年左右将出现产能缺口,并且由于新增产能的不确定性,缺口将持续扩大,到2026年缺口达1万tSWU/a,预计未来铀浓缩产能将出现大幅扩张的情况。


4 核燃料组件制造需求和供应——核燃料制造不会成为供应链的瓶颈


2014年全球轻水堆燃料组件供应商

巴西:INB

中国:CNNC

法国:AREVA NP-FBFC

德国:AREVA NP-ANF

印度: DAE Nuclear Fuel Comple

日本: NFI (PWR)、NFI (BWR)、Mitsubishi Nuclear Fuel、GNF-J

哈萨克斯坦:ULBA

韩国:KEPCO NF

俄罗斯:TVEL

西班牙:ENUSA

瑞典:Westinghouse AB

伊朗:Fuel Mfg.Plant

英国:Westinghouse

美国:AREVA Inc、GNF-A、Westinghouse

核燃料组件制造市场按地域和反应堆类型划分。国际上比较重要的核燃料组件供应商有Areva NP、Toshiba-Westinghouse、GE- Hitachi和TVEL等。这几家占主导地位的供应商有效控制了西欧、美国、墨西哥以及台湾市场,同时大多数的地区和国家供应商基本垄断了其本国国内市场。每一个市场划分区的竞争情况主要随着区域规模变化。

2014年全球重水堆燃料组件供应商:

阿根廷:CONUAR S.A.

加拿大:Cameco Fuel Manufacturing、GEH Canada

中国:China National Nuclear Corp

印度:Nuclear Fuel Complex

韩国:Korea Nuclear Fuel Company

俄罗斯:TVEL

罗马尼亚:Fabrica de Combustibil Nuclear

目前,全球轻水堆燃料组件年需求约为7000吨铀,重水堆及其他堆型燃料年需求约为2000-3000吨铀。另外,MOX核燃料组件和再回收铀核燃料组件年生产能力各为500 tHM左右。

按照基准情景,2013-2030年期间,轻水堆核燃料组件年需求将以3%左右幅度缓慢增长。即使按照高值需求情景,目前全球1.3万tHM/a的产能可以满足2027年前全球的燃料组件需求,核燃料制造不会成为供应链的瓶颈。

燃料制造市场与天然铀、转化浓缩的运作有些相似,燃料组件是按照客户各自的技术规范,经过精心设计的产品,其取决于反应堆物理特性、反应堆运行和燃料管理策略,以及国家甚至地区的执照申请要求。现今,运营商倾向于对整体解决方案越来越感兴趣。特别是对新兴核电国家,长期稳定的燃料供应起着决定性作用。

主要的燃料制造商同时也是反应堆供应商,他们通常为自主设计的反应堆供应首炉和早期的换料。然而,每个制造商都努力向竞争者设计的反应堆提供换料,以此填补富裕出来的产能,由此导致轻水堆核燃料市场竞争加剧。在数家供应商竞相提供多种燃料设计的同时,随着燃耗的不断增加,燃料设计持续改进的趋势加快。


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