专利视角下高温气冷堆核燃料技术国内发展态势分析

张小倩，司 宇，薛 岳，陈早璟

(1.中国核工业集团有限公司，北京 100822；2.中核战略规划研究总院有限公司，北京 100048)

高温气冷堆是第四代核能系统中具有广阔发展前景的堆型之一，是我国具有完全自主知识产权的先进核电技术[1]。

在高温气冷堆燃料元件技术方面，高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件。燃料核芯是二氧化铀颗粒，其外部覆盖包覆层，构成燃料球的燃料区，燃料区之外为非燃料区。国际上对于包覆层开展了诸多研究与设计，目前广泛应用的技术是TRISO包覆燃料颗粒[2]。

石墨粉是球形燃料元件的基料。在燃料元件中，基体石墨与燃料颗粒混合，通过基体石墨的作用，燃料颗粒可以均匀的弥散在球体中，同时可以起到中子慢化与传热作用。在国内各相关创新主体的研发攻关下，我国目前的核级石墨研究取得了一定进展。

专利是知识产权的重要组成部分，是科技研发活动最直接的资源和财富，是技术信息和商业信息相结合的重要文献来源，为相关技术的发展方向提供了必要的信息[3]。本文对国内在高温气冷堆核燃料技术领域的专利进行了分析研究，综合分析了专利申请年代、专利申请人、地域分布和技术领域等情况，以专利的视角对核燃料技术的发展态势作出了分析。

1 研究方法

本研究专利信息的获取依托专业专利检索数据库，数据来源包括全球116个国家地区的1.35亿专利数据。本研究所分析的专利数据，检索期限截至2022年12月31日，专利申请人/专利权人限制为国内单位。

2 研究分析

2.1 专利申请趋势

国内单位对于高温气冷堆核燃料技术的专利申请起步于1990年。在这一时期，国内高温气冷堆研究处于初步的探索阶段，相关研究主要依托清华大学开展。

在2005—2006年，高温气冷堆核燃料技术专利申请出现初步增长趋势。这一趋势的出现与清华大学在球型燃料元件技术上的突破密切相关。2004年国家成立HTR-PM领导小组以及2006年高温气冷堆被列为国家重大专项[4]，推动了这一时期高温气冷堆相关技术的发展。

2011—2018年专利申请量突增，专利申请人逐渐多元化，除清华大学外，包括中核能源科技有限公司、中钢新型材料股份有限公司在内的多个单位积极开展了核燃料元件专利的申请。各相关创新主体依托自身优势技术，持续加强核心技术攻关和专利保护。

高温气冷堆核燃料技术专利申请年代趋势图如图1所示。

图1 高温气冷堆核燃料技术专利申请趋势图Fig.1 Trend of patent application for high temperature gas-cooled reactor nuclear fuel technology

近两年来，相关专利申请高速发展，年申请量再创新高。华能集团下属单位西安热工研究院有限公司、华能山东石岛湾核电公司等开展了大量申请专利。2021年华能石岛湾高温气冷堆核电厂示范工程1号反应堆首次并网成功，作为主要研发单位对长期积累掌握的科研成果在同一年度进行大规模专利申请，体现了其打造“自主知识产权”标签的强烈意愿。

2.2 专利类型与地域分布

经对专利进行检索与降噪后，共得到核燃料相关专利133件，其中发明专利占比约84%。高温气冷堆核燃料技术整体创新程度高，技术难度大，符合发明专利高条件的门槛要求。

全部133件专利的受理局均为中国。反映出国内企业对于高温气冷堆核燃料技术十分注重国内市场的布局与保护。就目前形势来看，高温气冷堆核燃料技术的国内市场存在较大的竞争压力，这促使国内各相关创新主体进一步加强高温气冷堆核燃料技术的创新研发工作。

2.3 主要专利申请人

图2展示了高温气冷堆核燃料技术专利主要申请人情况。清华大学、中核能源科技有限公司、西安热工研究院有限公司分别排名前三位。从图2中可以看出，高温气冷堆核燃料技术的主要创新主体为清华大学、华能集团与中核集团相关下属单位。

图2 高温气冷堆核燃料技术专利主要申请人Fig.2 Main applicant for nuclear fuel technology patent of high temperature gas-cooled reactor

部分创新主体在高温气冷堆项目研究中开展了合作。清华大学与中核北方核燃料元件有限公司作为共同申请人，共申请9件核燃料技术专利；华能核能技术研究院有限公司、华能山东石岛湾核电有限公司、中国辐射防护研究院之间开展了密切合作，共同申请专利7件。

通过创新主体合作进行技术研发并联合进行专利申请，既可充分发挥各主体自身技术优势，形成技术合力，加速关键核心技术攻关；也可完善各主体的专利布局体系，实现对高温气冷堆核燃料关键技术知识产权的有力保护。

2.4 专利技术分析

本文将高温气冷堆核燃料专利技术领域初步划分为制备工艺、检测技术、装卸技术、输送技术、系统研发、后端处理、性能研究等领域。如图3所示，总体来看，制备工艺、检测技术、系统研发为专利申请量最多的三大技术领域。下面针对上述三大技术领域进行分析。

图3 高温气冷堆核燃料技术专利技术领域分布Fig.3 Distribution of patent technology fields of high temperature gas-cooled reactor nuclear fuel technology

2.4.1 制备工艺

在制备工艺技术领域中，基体石墨粉的制备技术占据较大比重。湖南大学在2022年申请了关于高温气冷堆燃料元件用基体石墨粉及其制备方法的发明专利，该专利技术主要从改良制备原料的方向出发，以微晶石墨粉与天然鳞片石墨粉为原料制备得到的基体石墨粉，从而简化了生产工艺并降低了成本；中钢新型材料股份有限公司在2018年申请了关于高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制粉方法专利，该方法主要解决了高标准核燃料元件难以实现批量生产的技术问题；辽宁国瑞新材料有限公司于2016年申请了两项发明专利，分别为高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉制备方法和人造石墨粉制备方法，专利的技术创新点在于产生的石墨粉粉体都是接近圆形或椭圆形且粉体粒度分布更加均匀，使其内部不会形成孔洞。

新型燃料元件的制备方法也是研究热点之一。西北工业大学研发了新型燃料元件并进行了专利申请，其提出了一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块，采用该方法可将包覆燃料颗粒复合到泡沫陶瓷中，形成更均匀的热场。此外，其还研发了不同工艺的陶瓷复合燃料芯块，包括采用3D打印结合化学气相沉积工艺制得燃料芯块，实现了优化工艺设计并简化堆芯结构的目的；中国工程物理研究院材料研究所在2017年申请了两种类型的燃料元件专利，分别为MAX相陶瓷基体弥散芯块核燃料和ZrC惰性基弥散芯块核燃料。在MAX相陶瓷基体弥散芯块核燃料中，无燃料区保护层由MAX相陶瓷制成，可解决基体在辐照条件下热导率下降较快的问题。ZrC惰性基弥散芯块是将前者中的MAX相陶瓷基体替换为ZrC，通过材料的替换实现了基本相同的技术效果。

此外，清华大学与中核北方核燃料元件有限公司开展了燃料元件制备装置的研究并开展了专利申请，包括燃料元件压制自动上下料装置和车削加工自动上料装置，进一步提升制备效率并降低人工成本。

通过上述分析可知，基体石墨粉的研究主要针对制备原料、工艺流程等进行了探索；新型燃料元件的改良结合前沿技术开展研究，如将3D打印技术融入到制备工艺中。利用新型材料开展燃料元件的制备以及燃料元件加工装置的改良也是相关创新主体关注的技术方向。

2.4.2 检测技术

在该技术领域中占比最大的是燃料球完整性检测技术。西安热工研究院有限公司在2022年申请了多件相关专利，主要涉及燃料球完整性检测装置，包括基于激光测距的检测装置、基于超声波层析技术的检测装置以及基于X射线断层扫描的检测装置等。

在基于激光测距的检测装置中，激光测距检测装置套接于测距管道上，能够快速检测被测物体的表面缺陷；在基于超声波层析技术的检测装置和于X射线断层扫描的检测装置中，检测装置套同样位于测距管道上，这两种装置除可以对球形燃料元件的表面缺陷进行检测外，还可对其体积缺陷进行检测。

清华大学、华能核能技术研究院有限公司等也开展了该技术领域的创新研究工作，清华大学在2022年申请了关于包覆颗粒破损率计算方法的发明专利，该方法采用了扩散释放模型和核素迁移模型等，能够获得球床式高温气冷堆源项计算、事故分析等燃料元件性能和状态的关键参数；华能核能技术研究院有限公司在2021年申请了关于燃料元件破损检测方法的发明专利，该方法主要针对一回路氦气中氪-88和氙-138的含量水平及变化进行监测，从而判断燃料元件是否发生破损。

通过上述分析可知，各相关创新主体主要致力于高温气冷堆燃料球完整性检测方法和检测装置的创新研发，检测方法涉及了包覆颗粒破损率计算方法、放射性核素含量监测方法等，检测装置包含基于激光测距、基于超声波层析技术和X射线断层扫描等装置。专利申请时间主要集中在2021年和2022年，可以发现近年来高温气冷堆的燃料元件检测技术受到持续关注并实现了进一步发展。

2.4.3 系统研发

相关创新主体针对石墨粉系统进行了研发。中钢新型材料股份有限公司在2018年申请了一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制粉系统的专利，该系统通过将粉体细磨与整形，在过程中对风机等设备进行频率控制，从而实现了粉料指标的准确控制；内蒙古金彩矿业有限公司在2020年申请了高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的整形系统的专利，该专利涉及的整形系统包含3个磨粉整形机，通过该系统制得的天然石墨粉形状为圆饼状或椭圆饼状，采用该形状可以减少甚至消除芯球和外壳层间物理界面。

针对在换料过程中会产生粉尘污染的问题，部分创新主体研发了新型系统。启迪新核(北京)能源科技有限公司在2020年申请了关于高温气冷反应堆系统和燃料元件的专利，该系统中设置多个包含正四面体、正四边形棱柱体等结构燃料元件的燃料盒，可以避免不停堆换料时产生的粉尘污染；华能核能技术研究院有限公司在2021年申请了高温气冷堆燃料元件循环系统发明专利，在该系统中，反应堆压力容器、装球装置、卸料装置、燃料元件循环列等依次相连，通过该系统的运行能够提升燃料元件循环的稳定性，减少循环过程中产生的粉尘。

与此同时，各相关创新主体在多种类型的系统研发方面都开展了创新攻关工作，包括研发燃料元件输送控系统、新燃料处理系统、燃料元件成组气力提升系统等，体现出在高温气冷堆的系统研发方面呈现多元化的技术发展趋势。

通过上述分析可知，在系统研发技术领域中，各创新主体主要聚焦于石墨粉系统研发、燃料循环系统研发等。该领域的研究呈现多元化的技术发展趋势。

3 结论

(1)我国相关技术起步较晚，近年来发展迅速，相关创新主体注重国内专利布局

20世纪90年代是我国高温气冷堆核燃料技术的初步探索阶段；2005—2006年，相关专利申请出现增长趋势；2011—2018年为初步发展阶段，相关专利申请量、创新主体数量均出现增长；近两年，华能集团下属单位或为主要创新主体。高温气冷堆核燃料相关发明专利占比高达84%，体现出该技术整体创新程度高，技术难度大的特点。全部专利均布局在国内，说明国内企业较为注重国内市场的专利布局与技术保护，国内市场存在较大的竞争压力。

(2)主要创新主体优势地位突出，多主体积极开展合作研发，助力关键技术攻关

在高温气冷堆核燃料技术领域，专利申请主要集中在清华大学、华能集团与中核集团相关下属单位。主要创新主体在高温气冷堆技术攻关过程中开展了合作，并联合申请专利，形成了有效的专利保护网络。主要合作方为清华大学与中核北方核燃料元件有限公司、华能核能技术研究院有限公司与华能山东石岛湾核电有限公司等。

(3)专利技术领域多元化，制备工艺、检测技术、系统研发领域为主要创新方向

在制备工艺技术方面，基体石墨粉制备是重点技术之一，主要针对制备原料、工艺流程等方向进行了探索；新型燃料元件制备方法得到高度关注，在新型燃料元件的优化上结合前沿技术开展了研究，如采用3D打印技术；利用新型材料开展燃料元件的制备以及燃料元件加工装置的改良也是相关创新主体关注的技术方向。

在检测技术方面，各相关创新主体主要致力于高温气冷堆燃料球完整性检测方法和检测装置的创新研发；专利申请时间主要集中在2021年和2022年，可以发现近年来高温气冷堆的燃料元件检测技术得到了持续关注并实现了进一步发展。

在系统研发技术方面，各创新主体主要聚焦于石墨粉系统研发、燃料循环系统研发等；各创新主体开展了多方面的核燃料系统研发工作，该领域呈现出多元化的技术发展趋势。