铅冷快堆关键技术专利分析

王 晨 马如冰 元一单

（中国核电工程有限公司，北京100840）

当今核能领域正在大力探索第四代核电系统。2002年，国际四代堆论坛（The Generation IVInternational Forum，GIF）将铅冷快堆列为六大具有发展前景的第四代核电系统之一。铅冷快堆是采用液态铅或铅铋合金（LBE）作为冷却剂的快中子反应堆。铅冷快堆具有良好的中子学特性、热工水力特性、安全特性，比如冷却剂的高沸点和高热膨胀系数可以满足事故后堆芯持续淹没和自然循环带热等需求，冷却剂较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资源并减少放射性废料的产生。基于以上优势，针对铅冷快堆的研究正在受到核能领域的广泛关注。目前，参与铅冷快堆研发的国家包括俄罗斯、美国、欧盟、中国、日本、韩国等。另一方面，虽然铅冷快堆具有诸多优点，但其工程应用仍受到一些关键技术的制约。

1 铅冷快堆的关键技术分析

铅冷快堆与压水堆核电站类似，整个系统也可分为一回路和二回路。一回路与二回路完全隔离，通过主回路换热器进行热交换，将堆芯热量通过一回路冷却剂传递给二回路工质，最终满足用户的供热、供电等需求。在一回路设计方面，铅冷快堆与压水堆有明显区别。铅冷快堆一回路为常压运行，多采用池式结构设计，即一回路主要设备均被淹没于冷却剂液面下，如图1所示[1]。

图1 铅冷快堆系统示意图

在通用技术层面上，由于系统采用液态重金属作为冷却剂，其带来的影响有如下几方面：首先，冷却剂对堆内所有机械和结构都有着严重的腐蚀作用，因此耐腐蚀技术的研发是铅冷快堆发展最重要的关键技术。解决该问题主要从两个角度入手：新型耐腐蚀材料的研发和冷却剂氧气控制技术的开发。另外，还有针对LBE提出的高放射性产物（Po210）处置技术等。其次，冷却剂特殊的物理特性，比如高密度、高熔点、不透明等，也对相关技术，如反应堆抗震相关技术、冷却剂净化技术、防冷却剂冷凝技术、新型仪器仪表开发等，提出了更高的要求。

在具体系统层面上，首先，根据一回路驱动方式的不同，铅冷快堆一回路设计可以分为强迫循环和自然循环。强迫循环铅冷快堆一回路主要设备包括堆芯、主回路换热器、主泵等。堆芯方面的关键技术主要包括燃料设计和机械结构设计两方面。燃料设计指的是新型燃料开发和堆芯方案设计，以满足更高的安全性和高放废料消耗率的要求。机械结构设计主要指的是燃料组件和控制棒组件结构设计，以保证在高密度液态重金属冷却剂引发的高浮力环境条件下，各项组件的稳固和功能的实现。主回路换热器方面的关键技术主要是换热器的选型和研发。主泵作为高速部件，其关键技术同样也是新型主泵的研发，以满足耐腐蚀及冷却剂流速控制的要求。自然循环铅冷快堆的运行是依靠一回路冷却剂密度差所形成的驱动力。因此，其自然循环能力是需要验证的关键技术。但由于自然循环的不确定性，较多的铅冷快堆设计仍采用强迫循环方式。二回路方面，其关键技术是高效率的新型循环系统的研发。安全系统方面则是新型余热排出系统的设计研发，以满足事故工况下堆芯余热的顺利导出。具体关键技术分析图如图2所示。

图2 铅冷快堆关键技术分解图

2 铅冷快堆专利总体分析

2.1 专利申请数量

根据前文分析的铅冷快堆关键技术进行专利检索后，通过人工筛选，剔除重复、无关的专利后，与铅冷快堆技术密切相关专利408件，其中发明专利有322件，占比78.9%。实用新型86件，占比21.1%。实用新型专利审查周期短，能够尽快获得授权和保护，但权利保护期相对较短，因此在技术发展相对成熟、市场竞争相对充分的领域申请比例会相对较高。而发明专利虽然权利保护期相对较长，但审查周期也较长，审查中对创造性的要求也更高，在某项技术发展初期申请比例相对较高。专利申请数量分析结果印证了铅冷快堆现仍处于技术开发阶段。

2.2 专利申请时间

从专利申请时间角度分析，国内铅冷快堆专利数量在2011年以前较少，且均为国外企业申请，比如1995年美国通用电气公司针对液态金属反应堆余热排出系统设计申请的CN95107017.7和1997年意大利安萨尔多能源公开有限公司针对液态金属自然循环反应堆概念设计申请的CN97180981.X[2,3]。直至2011年，中国科学院合肥物质科学研究院对核反应堆用铅铋合金的制备方法提出了专利申请[4]，这代表着我国开始着手针对铅冷快堆的专利进行布局。这也从一个侧面说明，在福岛核事故后，国内开始把科研方向向第四代核能系统转移。此后，国内针对铅冷快堆相关技术的专利数量开始逐年上涨 （见图3）。2016年，铅冷快堆相关专利申请达67个。

图3 铅冷快堆专利逐年申请数量

2.3 专利分布情况

从铅冷快堆专利的分布上来看（见图4），与铅冷快堆技术相关的专利申请主要集中在一回路相关部件设计研究（36%）和冷却剂相关的技术问题研究（24%）上。这主要是使用铅或铅铋合金作为冷却剂的特殊性所导致的。如前所述，液态重金属冷却剂所带来的腐蚀等问题，一回路相关系统设备的适用性问题都是现阶段需要重点研究的内容，所以占比最高。但另一方面，由于这两项研究内容均包含多个角度，多种设备，因此细化后的技术专利分布较为分散（见图5）。为了更加深入地研究铅冷快堆的关键技术问题，实验台架的搭建必不可少（6%），相应地为满足实验数据的精确测量，适用于液态金属的仪器仪表研发占据了专利数量的第三位（10%）。另外，铅冷快堆在国内尚无工程示范堆型，因此对铅冷快堆进行广泛的概念设计，辅以计算分析，以验证其可行性也是相关研究机构正在大力开展的工作。因此，具有一定的研发热度（8%）。在二回路研究上，超临界二氧化碳布雷顿循环是一项较为前沿的二回路循环技术、正受到国际上广泛关注，但由于此项技术难度较大，目前正处在研究起步阶段，因此其相关专利数量还在稳步上升阶段（5%）。余热排出系统研发专利占比4%。相较于前几项较为分散的研究方向，余排系统设计更为独立，且同样处于概念设计阶段。因此虽然占比较少但专利数量同样可观。其他项（9%）主要包括加速器次临界系统散裂靶相关技术，冷却剂充排和系统检修技术。虽包含于铅冷快堆研发范畴内，但非铅冷快堆关键技术范畴。从铅冷快堆相关专利分布来看，主要的研发重点仍集中在主回路内，包括一回路相关部件研发和冷却剂相关研究。如果将这两项技术再进行细化，可以看到，在一回路相关部件研发中，燃料组件设计、堆芯方案设计、主泵设计、主回路换热器设计占据主导地位。冷却剂相关研究则主要针对耐腐蚀技术、冷却剂氧控技术和冷却剂制备和净化技术。

图4 铅冷快堆专利分布情况

图5 具体技术专利分布情况

2.4 专利申请单位

铅冷快堆相关技术专利申请数量前10位的单位包括中国科学院合肥物质科学研究院、中广核研究院有限公司、华北电力大学、中国原子能科学研究院、岭东核电有限公司、清华大学天津高端装备研究院、中国科学院近代物理研究所、中国科学院金属研究所、西安交通大学、中国核动力研究设计院、西安热工研究院有限公司。国内各单位专利申请数量（前10位）如图6所示。

图6 国内各单位专利申请数量（前10位）

中国科学院合肥物质科学研究院下属的中国科学院核能技术研究所作为国内研究铅冷快堆的牵头单位，对铅冷快堆相关技术及概念设计进行了多项研究。2011年至今，公开专利88篇，其中授权专利有61篇，授权比例为69.3%。可以看出其专利创新性较好，授权比例较高。

中广核研究院有限公司公开的42篇专利中，与岭东核电有限公司合作申请22篇，授权专利7篇。其余20篇与其他单位合作申请，授权13篇，总授权比例为47.6%。其大部分专利为2016年后申请。由于起步较晚，因此较多专利均处于审查状态（20篇）。

华北电力大学是对于铅冷快堆相关技术进行了较多研究的高校，公开铅冷快堆相关专利36篇，授权专利16篇，授权比例44.4%。

中国原子能科学研究院共公开30篇专利，其中授权19篇，授权比例为63.3%。

专利申请数量前10位的单位中，科研院所6个，企业3个，高校2个。因此，现阶段铅冷快堆相关技术研究主要以科研院所为主，其中中国科学院合肥物质科学研究院占据主导地位。科研院所具备较强的科研能力，前期是此类创新型技术良好的孵化基地。后期应加强企业与科研院所的技术交流，促进科研成果转化落地。

3 主要申请人关键技术分析

根据第二节中对铅冷快堆关键技术的分析，通过主要单位专利调研，可以看到：

中国科学院合肥物质科学研究院作为最早涉足铅冷快堆相关技术研发的科研院所，其专利领域涵盖了总体概念设计、燃料组件及控制棒研究、换热器和主泵研发、冷却剂特性研究、实验台架搭建等方面。从专利内容上，可以发现，中国科学院合肥物质科学研究院针对铅冷快堆的研究主要围绕加速器次临界系统展开，早期其申请的专利以机理性研究和实验台架建设为主，包括材料脆化实验装置[5]、氧控反应的实验装置[6]等，并且通过解决实验中遇到的冷却剂净化，流量温度测量等问题，形成了相关专利。于2014年提出了双模运行的次临界堆系统设计方案[7]。之后，在继续进行关键技术深入研究和设计优化的同时，研究内容逐渐覆盖到了铅冷快堆的新型应用方向上，如移动式发电装置[8]、深海核电装置[9]、海上浮动核能装置[10]等。同时也在零功率反应堆、聚变堆方面开展了相关研究。中国科学院合肥物质科学研究院的专利布局清晰，对铅冷堆关键技术研究较为全面，每个关键技术领域均有专利授权。

其他单位方面，在液态铅/铅铋合金冷却剂相关问题的研究上，华北电力大学申请了相关专利8篇。可以看出华北电力大学对该项技术进行了深入研究。其申 请 的CN201210495567.1[11]、CN201710172136.4[12]，CN201810500146.0[13]专利分别就冷却剂杂质消除、防止冷却剂杂质沉积等关键技术进行了研究。与此同时，该大学针对冷却剂运行状态分析手段也进行了研究。如判断冷却剂热分层的方法[14]、冷却剂震荡分析方法[15]。

氧控系统研发方面，中广核研究院有限公司和岭东核电有限公司合作公开了8篇专利，涉及固态控氧、气态控氧、氧气传感器研发等[16-18]。同时，针对去除冷却剂中高放物质Po210的方法，两家单位公开了3篇专利，是进行此项研究为数不多的单位。

耐腐蚀材料研发方面，中国科学院金属研究所搭建的实验台架，针对提高材料耐高温抗腐蚀技术进行了深入研究，公开专利12篇。

在对一回路相关系统研究上，堆芯方面，中国原子能科学研究院针对先进燃料进行了研发，主要为氮化物燃料制备方式[19,20]。同时得益于其对钠冷快堆开展的大量的研究，在相应的液态金属仪器仪表设计方面也占有较大优势。中国科学院近代物理研究所针对燃料组件的抓头机构[21]、上管座自锁机构[22]、下管座锁紧机构[23]、解锁及提升机构[24]进行了相关设计，均在申请和审查阶段。其他单位包括清华大学天津高端装备研究院、中科瑞华原子能源技术有限公司、中国人民解放军国防科技大学、华北电力大学等也对燃料组件设计进行了相关研究。华北电力大学针对反应堆控制棒插入方式申请了2篇专利，包括控制棒组件配重设计[25]以及较为新颖的可分离堆芯式控制系统一种铅冷快堆可分离堆芯实施方案[26]。主回路换热器设计方面的研究较为分散，中国科学院合肥物质科学研究院、华北电力大学、清华大学天津高端装备研究院均针对换热器进行了设计研究。但仅有清华大学天津高端装备研究院针对蒸汽发生器开发了实验装置[27]。反应堆容器的设计较为深入，公开了相关专利4篇。在新型主泵研究上，江苏泰丰泵业有限公司和上海阿波罗机械股份有限公司分别公布了4篇和2篇专利，江苏泰丰泵业有限公司对液态金属泵及其相关配套部件进行了研究，包括旋液分离器、油冷却器、叶轮测量装置[28-31]。上海阿波罗机械股份有限公司则对液态金属立式混流泵和立式离心泵进行了研制[32,33]。

自然循环相关研究并没有大量展开，仅部分单位开展了自然循环实验和自然循环能力强化研究，中国科学院合肥物质科学研究院设计了利用气体强化自然循环方法，华北电力大学则搭建了自然循环回路实验台架。

二回路系统方面，西安热工研究院有限公司针对超临界二氧化碳系统设计、调节方式、工质回收、工质净化进行了研究[34-37]。西安交通大学对此前沿技术也进行了研究，公开了铅-超临界二氧化碳换热器，动力部件冷却密封隔热系统以及综合性能评价方法3篇专利[38-40]。

余热排出系统方面，中广核研究院有限公司和岭东核电有限公司先后公开了6篇专利，包括堆外非能动水冷余排系统[41]、堆外非能动空冷余排系统[42]、中间回路非能动余排系统[43]等。

通过对于各单位专利研究，可以初步归纳出主要申请人关键技术分布情况，如表1所示。

表1 主要专利申请人关键技术分布

4 结论与展望

通过以上分析可知，铅冷快堆作为第四代核电系统的有力竞争者，其关键技术梳理已逐渐清晰，液态金属冷却剂的特殊性质带来了诸多关键技术难点，包括其自身物理化学性质导致的问题，以及其对于系统设备的冲击。随着我国近年来对铅冷快堆技术的不断重视，相关单位对于铅冷快堆关键技术研究工作已经全面展开。其主要研究重点侧重于冷却剂和一回路研究，并且已经建设起一批具有良好专利成果输出的实验台架。这充分说明了国内科研机构对于铅冷快堆关键技术的研究正在逐步深入。中国科学院合肥物质科学研究院作为国内铅冷快堆科研的牵头单位，在铅冷快堆全领域均进行了研究覆盖和专利布局，逐步找到了中国铅冷快堆的研发路线。通过对专利申请人关键技术进行分析可以看出，相关科研单位均具有各自的优势研发方向。同时，针对前沿热点研究内容已经开展相关工作并形成专利，如先进燃料开发、超临界二氧化碳技术开发等。最后，为进一步推进铅冷快堆关键技术研究，加快铅冷快堆相关成果落地。本文对后续铅冷快堆研发前景提出几点建议：

首先，应该加强科研机构与企业、高校间的合作。从专利分析结果上看，各单位之间技术交流较少。科研机构、高校具有强大的科研能力，企业则对工程应用有充足的经验。未来应充分调动各单位的优势力量，形成资源互补，这样既可以增强产学研结合，又可加快铅冷快堆示范工程的速度。

其次，俄罗斯在铅冷快堆发展方面是最先进的国家，也是现今唯一具有铅冷快堆实际运行经验的国家，并且已经完成100MWe的SVBR-100小型模块化铅冷快堆和300MWe的BREST-300铅冷快堆相关设计工作。因此应广泛开展此领域间国际合作交流，在重难点问题上开展联合研究，旨在解决科研成果工程应用转化过程中可能存在的问题。

最后，现阶段的研究工作均基于实验台架进行，多采用高温液态金属环境下的研究方式。同时，应尽快开展工程示范堆的建设，进行燃料包壳和结构材料辐照实验，以验证在高温腐蚀环境和辐照环境共同作用下，材料的性能表现，同时开展工业尺度条件下的其他技术验证工作，如材料涂层技术、氧控技术、余排技术等。