鉛冷快堆關鍵技術專利分析

王 晨 馬如冰 元一單

（中國核電工程有限公司，北京100840）

當今核能領域正在大力探索第四代核電系統。2002年，國際四代堆論壇（The Generation IVInternational Forum，GIF）將鉛冷快堆列為六大具有發展前景的第四代核電系統之一。鉛冷快堆是采用液態鉛或鉛鉍合金（LBE）作為冷卻劑的快中子反應堆。鉛冷快堆具有良好的中子學特性、熱工水力特性、安全特性，比如冷卻劑的高沸點和高熱膨脹系數可以滿足事故后堆芯持續淹沒和自然循環帶熱等需求，冷卻劑較低的中子吸收截面和中子慢化截面可以最大限度地利用核燃料資源并減少放射性廢料的產生。基于以上優勢，針對鉛冷快堆的研究正在受到核能領域的廣泛關注。目前，參與鉛冷快堆研發的國家包括俄羅斯、美國、歐盟、中國、日本、韓國等。另一方面，雖然鉛冷快堆具有諸多優點，但其工程應用仍受到一些關鍵技術的制約。

1 鉛冷快堆的關鍵技術分析

鉛冷快堆與壓水堆核電站類似，整個系統也可分為一回路和二回路。一回路與二回路完全隔離，通過主回路換熱器進行熱交換，將堆芯熱量通過一回路冷卻劑傳遞給二回路工質，最終滿足用戶的供熱、供電等需求。在一回路設計方面，鉛冷快堆與壓水堆有明顯區別。鉛冷快堆一回路為常壓運行，多采用池式結構設計，即一回路主要設備均被淹沒于冷卻劑液面下，如圖1所示[1]。

圖1 鉛冷快堆系統示意圖

在通用技術層面上，由于系統采用液態重金屬作為冷卻劑，其帶來的影響有如下幾方面：首先，冷卻劑對堆內所有機械和結構都有著嚴重的腐蝕作用，因此耐腐蝕技術的研發是鉛冷快堆發展最重要的關鍵技術。解決該問題主要從兩個角度入手：新型耐腐蝕材料的研發和冷卻劑氧氣控制技術的開發。另外，還有針對LBE提出的高放射性產物（Po210）處置技術等。其次，冷卻劑特殊的物理特性，比如高密度、高熔點、不透明等，也對相關技術，如反應堆抗震相關技術、冷卻劑凈化技術、防冷卻劑冷凝技術、新型儀器儀表開發等，提出了更高的要求。

在具體系統層面上，首先，根據一回路驅動方式的不同，鉛冷快堆一回路設計可以分為強迫循環和自然循環。強迫循環鉛冷快堆一回路主要設備包括堆芯、主回路換熱器、主泵等。堆芯方面的關鍵技術主要包括燃料設計和機械結構設計兩方面。燃料設計指的是新型燃料開發和堆芯方案設計，以滿足更高的安全性和高放廢料消耗率的要求。機械結構設計主要指的是燃料組件和控制棒組件結構設計，以保證在高密度液態重金屬冷卻劑引發的高浮力環境條件下，各項組件的穩固和功能的實現。主回路換熱器方面的關鍵技術主要是換熱器的選型和研發。主泵作為高速部件，其關鍵技術同樣也是新型主泵的研發，以滿足耐腐蝕及冷卻劑流速控制的要求。自然循環鉛冷快堆的運行是依靠一回路冷卻劑密度差所形成的驅動力。因此，其自然循環能力是需要驗證的關鍵技術。但由于自然循環的不確定性，較多的鉛冷快堆設計仍采用強迫循環方式。二回路方面，其關鍵技術是高效率的新型循環系統的研發。安全系統方面則是新型余熱排出系統的設計研發，以滿足事故工況下堆芯余熱的順利導出。具體關鍵技術分析圖如圖2所示。

圖2 鉛冷快堆關鍵技術分解圖

2 鉛冷快堆專利總體分析

2.1 專利申請數量

根據前文分析的鉛冷快堆關鍵技術進行專利檢索后，通過人工篩選，剔除重復、無關的專利后，與鉛冷快堆技術密切相關專利408件，其中發明專利有322件，占比78.9%。實用新型86件，占比21.1%。實用新型專利審查周期短，能夠盡快獲得授權和保護，但權利保護期相對較短，因此在技術發展相對成熟、市場競爭相對充分的領域申請比例會相對較高。而發明專利雖然權利保護期相對較長，但審查周期也較長，審查中對創造性的要求也更高，在某項技術發展初期申請比例相對較高。專利申請數量分析結果印證了鉛冷快堆現仍處于技術開發階段。

2.2 專利申請時間

從專利申請時間角度分析，國內鉛冷快堆專利數量在2011年以前較少，且均為國外企業申請，比如1995年美國通用電氣公司針對液態金屬反應堆余熱排出系統設計申請的CN95107017.7和1997年意大利安薩爾多能源公開有限公司針對液態金屬自然循環反應堆概念設計申請的CN97180981.X[2,3]。直至2011年，中國科學院合肥物質科學研究院對核反應堆用鉛鉍合金的制備方法提出了專利申請[4]，這代表著我國開始著手針對鉛冷快堆的專利進行布局。這也從一個側面說明，在福島核事故后，國內開始把科研方向向第四代核能系統轉移。此后，國內針對鉛冷快堆相關技術的專利數量開始逐年上漲 （見圖3）。2016年，鉛冷快堆相關專利申請達67個。

圖3 鉛冷快堆專利逐年申請數量

2.3 專利分布情況

從鉛冷快堆專利的分布上來看（見圖4），與鉛冷快堆技術相關的專利申請主要集中在一回路相關部件設計研究（36%）和冷卻劑相關的技術問題研究（24%）上。這主要是使用鉛或鉛鉍合金作為冷卻劑的特殊性所導致的。如前所述，液態重金屬冷卻劑所帶來的腐蝕等問題，一回路相關系統設備的適用性問題都是現階段需要重點研究的內容，所以占比最高。但另一方面，由于這兩項研究內容均包含多個角度，多種設備，因此細化后的技術專利分布較為分散（見圖5）。為了更加深入地研究鉛冷快堆的關鍵技術問題，實驗臺架的搭建必不可少（6%），相應地為滿足實驗數據的精確測量，適用于液態金屬的儀器儀表研發占據了專利數量的第三位（10%）。另外，鉛冷快堆在國內尚無工程示范堆型，因此對鉛冷快堆進行廣泛的概念設計，輔以計算分析，以驗證其可行性也是相關研究機構正在大力開展的工作。因此，具有一定的研發熱度（8%）。在二回路研究上，超臨界二氧化碳布雷頓循環是一項較為前沿的二回路循環技術、正受到國際上廣泛關注，但由于此項技術難度較大，目前正處在研究起步階段，因此其相關專利數量還在穩步上升階段（5%）。余熱排出系統研發專利占比4%。相較于前幾項較為分散的研究方向，余排系統設計更為獨立，且同樣處于概念設計階段。因此雖然占比較少但專利數量同樣可觀。其他項（9%）主要包括加速器次臨界系統散裂靶相關技術，冷卻劑充排和系統檢修技術。雖包含于鉛冷快堆研發范疇內，但非鉛冷快堆關鍵技術范疇。從鉛冷快堆相關專利分布來看，主要的研發重點仍集中在主回路內，包括一回路相關部件研發和冷卻劑相關研究。如果將這兩項技術再進行細化，可以看到，在一回路相關部件研發中，燃料組件設計、堆芯方案設計、主泵設計、主回路換熱器設計占據主導地位。冷卻劑相關研究則主要針對耐腐蝕技術、冷卻劑氧控技術和冷卻劑制備和凈化技術。

圖4 鉛冷快堆專利分布情況

圖5 具體技術專利分布情況

2.4 專利申請單位

鉛冷快堆相關技術專利申請數量前10位的單位包括中國科學院合肥物質科學研究院、中廣核研究院有限公司、華北電力大學、中國原子能科學研究院、嶺東核電有限公司、清華大學天津高端裝備研究院、中國科學院近代物理研究所、中國科學院金屬研究所、西安交通大學、中國核動力研究設計院、西安熱工研究院有限公司。國內各單位專利申請數量（前10位）如圖6所示。

圖6 國內各單位專利申請數量（前10位）

中國科學院合肥物質科學研究院下屬的中國科學院核能技術研究所作為國內研究鉛冷快堆的牽頭單位，對鉛冷快堆相關技術及概念設計進行了多項研究。2011年至今，公開專利88篇，其中授權專利有61篇，授權比例為69.3%。可以看出其專利創新性較好，授權比例較高。

中廣核研究院有限公司公開的42篇專利中，與嶺東核電有限公司合作申請22篇，授權專利7篇。其余20篇與其他單位合作申請，授權13篇，總授權比例為47.6%。其大部分專利為2016年后申請。由于起步較晚，因此較多專利均處于審查狀態（20篇）。

華北電力大學是對于鉛冷快堆相關技術進行了較多研究的高校，公開鉛冷快堆相關專利36篇，授權專利16篇，授權比例44.4%。

中國原子能科學研究院共公開30篇專利，其中授權19篇，授權比例為63.3%。

專利申請數量前10位的單位中，科研院所6個，企業3個，高校2個。因此，現階段鉛冷快堆相關技術研究主要以科研院所為主，其中中國科學院合肥物質科學研究院占據主導地位。科研院所具備較強的科研能力，前期是此類創新型技術良好的孵化基地。后期應加強企業與科研院所的技術交流，促進科研成果轉化落地。

3 主要申請人關鍵技術分析

根據第二節中對鉛冷快堆關鍵技術的分析，通過主要單位專利調研，可以看到：

中國科學院合肥物質科學研究院作為最早涉足鉛冷快堆相關技術研發的科研院所，其專利領域涵蓋了總體概念設計、燃料組件及控制棒研究、換熱器和主泵研發、冷卻劑特性研究、實驗臺架搭建等方面。從專利內容上，可以發現，中國科學院合肥物質科學研究院針對鉛冷快堆的研究主要圍繞加速器次臨界系統展開，早期其申請的專利以機理性研究和實驗臺架建設為主，包括材料脆化實驗裝置[5]、氧控反應的實驗裝置[6]等，并且通過解決實驗中遇到的冷卻劑凈化，流量溫度測量等問題，形成了相關專利。于2014年提出了雙模運行的次臨界堆系統設計方案[7]。之后，在繼續進行關鍵技術深入研究和設計優化的同時，研究內容逐漸覆蓋到了鉛冷快堆的新型應用方向上，如移動式發電裝置[8]、深海核電裝置[9]、海上浮動核能裝置[10]等。同時也在零功率反應堆、聚變堆方面開展了相關研究。中國科學院合肥物質科學研究院的專利布局清晰，對鉛冷堆關鍵技術研究較為全面，每個關鍵技術領域均有專利授權。

其他單位方面，在液態鉛/鉛鉍合金冷卻劑相關問題的研究上，華北電力大學申請了相關專利8篇。可以看出華北電力大學對該項技術進行了深入研究。其申 請 的CN201210495567.1[11]、CN201710172136.4[12]，CN201810500146.0[13]專利分別就冷卻劑雜質消除、防止冷卻劑雜質沉積等關鍵技術進行了研究。與此同時，該大學針對冷卻劑運行狀態分析手段也進行了研究。如判斷冷卻劑熱分層的方法[14]、冷卻劑震蕩分析方法[15]。

氧控系統研發方面，中廣核研究院有限公司和嶺東核電有限公司合作公開了8篇專利，涉及固態控氧、氣態控氧、氧氣傳感器研發等[16-18]。同時，針對去除冷卻劑中高放物質Po210的方法，兩家單位公開了3篇專利，是進行此項研究為數不多的單位。

耐腐蝕材料研發方面，中國科學院金屬研究所搭建的實驗臺架，針對提高材料耐高溫抗腐蝕技術進行了深入研究，公開專利12篇。

在對一回路相關系統研究上，堆芯方面，中國原子能科學研究院針對先進燃料進行了研發，主要為氮化物燃料制備方式[19,20]。同時得益于其對鈉冷快堆開展的大量的研究，在相應的液態金屬儀器儀表設計方面也占有較大優勢。中國科學院近代物理研究所針對燃料組件的抓頭機構[21]、上管座自鎖機構[22]、下管座鎖緊機構[23]、解鎖及提升機構[24]進行了相關設計，均在申請和審查階段。其他單位包括清華大學天津高端裝備研究院、中科瑞華原子能源技術有限公司、中國人民解放軍國防科技大學、華北電力大學等也對燃料組件設計進行了相關研究。華北電力大學針對反應堆控制棒插入方式申請了2篇專利，包括控制棒組件配重設計[25]以及較為新穎的可分離堆芯式控制系統一種鉛冷快堆可分離堆芯實施方案[26]。主回路換熱器設計方面的研究較為分散，中國科學院合肥物質科學研究院、華北電力大學、清華大學天津高端裝備研究院均針對換熱器進行了設計研究。但僅有清華大學天津高端裝備研究院針對蒸汽發生器開發了實驗裝置[27]。反應堆容器的設計較為深入，公開了相關專利4篇。在新型主泵研究上，江蘇泰豐泵業有限公司和上海阿波羅機械股份有限公司分別公布了4篇和2篇專利，江蘇泰豐泵業有限公司對液態金屬泵及其相關配套部件進行了研究，包括旋液分離器、油冷卻器、葉輪測量裝置[28-31]。上海阿波羅機械股份有限公司則對液態金屬立式混流泵和立式離心泵進行了研制[32,33]。

自然循環相關研究并沒有大量展開，僅部分單位開展了自然循環實驗和自然循環能力強化研究，中國科學院合肥物質科學研究院設計了利用氣體強化自然循環方法，華北電力大學則搭建了自然循環回路實驗臺架。

二回路系統方面，西安熱工研究院有限公司針對超臨界二氧化碳系統設計、調節方式、工質回收、工質凈化進行了研究[34-37]。西安交通大學對此前沿技術也進行了研究，公開了鉛-超臨界二氧化碳換熱器，動力部件冷卻密封隔熱系統以及綜合性能評價方法3篇專利[38-40]。

余熱排出系統方面，中廣核研究院有限公司和嶺東核電有限公司先后公開了6篇專利，包括堆外非能動水冷余排系統[41]、堆外非能動空冷余排系統[42]、中間回路非能動余排系統[43]等。

通過對于各單位專利研究，可以初步歸納出主要申請人關鍵技術分布情況，如表1所示。

表1 主要專利申請人關鍵技術分布

4 結論與展望

通過以上分析可知，鉛冷快堆作為第四代核電系統的有力競爭者，其關鍵技術梳理已逐漸清晰，液態金屬冷卻劑的特殊性質帶來了諸多關鍵技術難點，包括其自身物理化學性質導致的問題，以及其對于系統設備的沖擊。隨著我國近年來對鉛冷快堆技術的不斷重視，相關單位對于鉛冷快堆關鍵技術研究工作已經全面展開。其主要研究重點側重于冷卻劑和一回路研究，并且已經建設起一批具有良好專利成果輸出的實驗臺架。這充分說明了國內科研機構對于鉛冷快堆關鍵技術的研究正在逐步深入。中國科學院合肥物質科學研究院作為國內鉛冷快堆科研的牽頭單位，在鉛冷快堆全領域均進行了研究覆蓋和專利布局，逐步找到了中國鉛冷快堆的研發路線。通過對專利申請人關鍵技術進行分析可以看出，相關科研單位均具有各自的優勢研發方向。同時，針對前沿熱點研究內容已經開展相關工作并形成專利，如先進燃料開發、超臨界二氧化碳技術開發等。最后，為進一步推進鉛冷快堆關鍵技術研究，加快鉛冷快堆相關成果落地。本文對后續鉛冷快堆研發前景提出幾點建議：

首先，應該加強科研機構與企業、高校間的合作。從專利分析結果上看，各單位之間技術交流較少。科研機構、高校具有強大的科研能力，企業則對工程應用有充足的經驗。未來應充分調動各單位的優勢力量，形成資源互補，這樣既可以增強產學研結合，又可加快鉛冷快堆示范工程的速度。

其次，俄羅斯在鉛冷快堆發展方面是最先進的國家，也是現今唯一具有鉛冷快堆實際運行經驗的國家，并且已經完成100MWe的SVBR-100小型模塊化鉛冷快堆和300MWe的BREST-300鉛冷快堆相關設計工作。因此應廣泛開展此領域間國際合作交流，在重難點問題上開展聯合研究，旨在解決科研成果工程應用轉化過程中可能存在的問題。

最后，現階段的研究工作均基于實驗臺架進行，多采用高溫液態金屬環境下的研究方式。同時，應盡快開展工程示范堆的建設，進行燃料包殼和結構材料輻照實驗，以驗證在高溫腐蝕環境和輻照環境共同作用下，材料的性能表現，同時開展工業尺度條件下的其他技術驗證工作，如材料涂層技術、氧控技術、余排技術等。