基于專利信息的高放射性核廢物處置領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢分析

高彥靜,張元晶,劉新莊,秦 穎

(北京化工大學 圖書館,北京 100029)

核能作為一種清潔能源,其發(fā)展給人類帶來了巨大的前景優(yōu)勢,而核能所產(chǎn)生的放射性廢物在我們看不見的地方也給我們的生活帶來了無盡的威脅,這對核能的良好發(fā)展造成致命的阻礙。放射性廢物的主要來源是核燃料的生產(chǎn)、反應堆運行和乏燃料后處理等過程中產(chǎn)生的廢物,以及軍事和科研的核廢物設(shè)施及物品。實際中占比最多的是乏燃料后處理中產(chǎn)生的廢物[1]。根據(jù)我們的測算,預計至2025年,我國累計核廢料將達到113 980立方米,其中年新增乏燃料超過2 000噸[2]。國際上對放射性廢物的分類并沒有統(tǒng)一的標準,習慣上對放射性廢物的分類主要以放射性水平為依據(jù),即:低放射性廢物、中放射性廢物、高放射性廢物[3]。一般核廢物中,低放射性廢物占90%,但其放射性活度只有1%;中放射性廢物占7%,而其放射性活度占4%;高放射性(簡稱高放)廢物在核廢物中只占3%,但其放射性活度可達到95%。因此，對高放射性核廢物的處理是核工業(yè)發(fā)展日益需要關(guān)注的重要方向[4]。高放射性核廢物的處置不可能像對待普通廢物一樣進行處置，已是核工業(yè)短板，該方面核心技術(shù)的匱乏大大制約了我國核工業(yè)持久穩(wěn)固發(fā)展。

本文基于德溫特數(shù)據(jù)庫(Derwent Innovations Index，即：DII)，通過分析高放射性核廢物處置領(lǐng)域相關(guān)的專利文獻，梳理其研究發(fā)展趨勢和熱點方向，為未來的研究與實踐工作提供信息參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文分析數(shù)據(jù)來源于德溫特數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是國際權(quán)威的專利檢索庫，收錄了1963年以來14 800 000余項專利文獻信息，以及被引和施引專利、被引文獻和全文專利數(shù)據(jù)來源文獻[5]。本研究利用檢索式Topic：(“high level liquid waste*” or “high level-liquid waste*” or “high level radioactive waste*” or “high level nuclear waste*” or “highly radioactive nuclear waste*” or “high-level radioactive nuclear liquid waste*” or HLW or HLLW or(“cold crucible” and vitrification)or(“Joule-heated ceramic” and vitrification))or(“medium activity liquor” or “medium activity waste*” or “medium-level liquid waste*” or “intermediate level liquid waste*” or “intermediate level nuclear waste*” or “intermediate level liquid radioactive waste*” or “intermediate-level waste*” or “intermediate levels radioactive waste*” or “ILLW”)or((“glass-ceramic”or “glass ceramic”)and actinid*)進行檢索，檢索時間2018年12月1日，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)427條。

2 高放射性核廢物技術(shù)專利分析

2.1 專利申請年度趨勢

Fig.1 Global patent application trends for high-level nuclear waste

高放射性核廢物研究專利申請年度趨勢如圖1所示。整體來看，全球高放射性核廢物專利申請一直呈現(xiàn)緩慢波動上升的趨勢。按照區(qū)域之間的專利申請狀態(tài)，可以分成4個階段。1973-1979年，全球高放射性核廢物領(lǐng)域?qū)＠晟暾垟?shù)量均低于4件，主要以美國申請為主，日本在1978年申請了該領(lǐng)域的第1件專利。1980-1993年，全球高放射性核廢物專利申請開始緩慢增長，雖然偶爾有幾年專利數(shù)量突破了10件，但是整體的年均專利申請數(shù)量還是比較低；這段時間主要是以日本的研發(fā)機構(gòu)申請為主，美國很長一段時間處于專利申請的空白期。1994-2004年，日本申請了105件專利，其技術(shù)研發(fā)達到了頂峰；美國也有專利的申請，但是這期間每年專利申請都不超過5件。2005至今，全球?qū)＠暾堏厔莶]有太大的變化，只是在不同的國家或地區(qū)之間發(fā)生著變化，美國開始加大專利申請力度，日本的專利申請逐步減少，中國也開始有零星的專利申請。

2.2 專利技術(shù)區(qū)域分布

全球有近20個國家或地區(qū)在高放射性核廢物領(lǐng)域進行了專利申請，區(qū)域分布如圖2所示。其中，主要技術(shù)申請國家或地區(qū)集中在日本、美國、韓國、中國和德國。日本在該領(lǐng)域申請專利247件，占全球?qū)＠偭康?3.3%，位居全球第一位。其次是美國，它申請專利92件，占全球?qū)＠暾埧偭康?9.9%。韓國申請專利31件，占全球?qū)＠暾埧偭康?.7%。中國和德國分別占比為5.6%和2.6%。排名前五的國家專利總量占到全部專利申請的88.1%。從專利技術(shù)的市場布局情況來看，全球機構(gòu)比較熱門的技術(shù)市場地區(qū)分別是日本、美國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局和中國。其中，全球在日本的申請專利達到275件，占全球市場39.2%；在美國申請專利118件，占全球市場16.8%；在中國申請專利36件，占總量的5.1%；可以看出，高放射性核廢物處理技術(shù)在這些地區(qū)聚集度比較高。

2.3 專利技術(shù)機構(gòu)分析

全球高放射性核廢物全球?qū)＠鸗OP 30申請機構(gòu)見表1。主要來自日本(15家)、美國(5家)、韓國(3家)、澳大利亞(3家)、中國(3家)和英國(1家)。排在前5位的機構(gòu)中，有4家來自日本，分別是石川島播磨重工業(yè)株式會社、日立公司、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和東芝株式會社。其中石川島播磨重工業(yè)株式會社在該領(lǐng)域申請專利71件，遠高于其他機構(gòu)，位居第一位；日立公司在該領(lǐng)域申請專利36件，排名第二；美國霍爾泰克國際公司(Holtec)在該領(lǐng)域申請專利31件，排名第三。

表1 高放射性核廢物全球?qū)＠暾垯C構(gòu)TOP30

Fig.2 Regional distribution of global patents for highly radioactive nuclear waste

從專利申請的持續(xù)時間來看,日本的大部分機構(gòu)在上世紀80年代就已經(jīng)開始在該領(lǐng)域進行專利申請,并且一直到近幾年還有布局專利申請的情況。專利申請活躍度超過30年的機構(gòu)有:日立公司(專利活躍時間為36年)、東芝株式會社(專利活躍時間為35年)、石川島播磨重工業(yè)株式會社(專利活躍時間為32年)、日本原子能研究所(專利活躍時間為32年)、SHIMIZU CONSTR CO.LTD.(專利活躍時間為32年)、三菱重工業(yè)株式會社(專利活躍時間為31年)。

澳大利亞和英國的機構(gòu)專利申請主要集中于上世紀80年代到2004年之間,近些年沒有專利產(chǎn)出。韓國機構(gòu)的專利申請從1997年開始,并持續(xù)到近些年。中國機構(gòu)申請活動主要集中在近10年。

如圖3,從專利技術(shù)的市場布局來看,由于TOP10機構(gòu)大部分來自日本,因此大量的機構(gòu)專利申請集中在日本本土。并且日本的部分機構(gòu)僅在本國進行了專利申請保護,并未在其他地區(qū)有專利布局,如:石川島播磨重工業(yè)株式會社(ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND.)、三菱重工業(yè)株式會社(MITSUBISHI JUKOGYO KK.)和SHIMIZU CONSTR CO.LTD.。

鹿島建設(shè)株式會社(KAJIMA CORP.)、韓國原子能研究所(KOREA ATOMIC ENERGY RES.INST.)、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和日立公司(HITACHI LTD.)在全球部分地區(qū)進行了市場布局,但是并未在中國進行專利申請。

霍爾泰克國際公司(HOLTEC INT.INC.)、東芝株式會社(TOSHIBA KK.)和日本原子能研究所(JAPAN ATOMIC ENERGY RES.INST.)在全球主要市場地區(qū)進行了專利布局,國外專利申請數(shù)量基本均衡。

Fig.3 Patent market layout of global patent agencies for highly radioactive nuclear waste

2.4 專利技術(shù)研究主題分析

使用國際專利分類號對高放射性核廢物的全球?qū)＠难芯款I(lǐng)域進行分析，該領(lǐng)域的專利主題分布見表2,主要集中在核工程中的處理放射性污染材料及其去污裝置(G21F-009);可運輸?shù)幕蜉p便的防護容器(G21F-005);用于反應堆的設(shè)備,如:在其壓力容器中處理、裝卸或簡化裝卸燃料或其他材料的設(shè)備(G21C-019);X射線、γ射線、微粒射線或粒子轟擊的防護,處理放射性污染材料,及其去污染裝置加防護的小室或房間(G21F-007)等領(lǐng)域以及涉及到核廢物處理的爐內(nèi)熔化;玻璃制造專用的熔窯(C03B-005)領(lǐng)域。

表2 高放射性核廢物全球?qū)＠黝}分布

子領(lǐng)域中專利申請聚集度較高的研究領(lǐng)域是放射污染材料的封裝、打包(G21F-009/36),放射污染物在穩(wěn)定的固態(tài)介質(zhì)中凝固(G21F-009/16)以及處理過工程(G21F-009/30、G21F-009/06)和固體廢物的處置(G21F-009/34)等。

2.5 高被引專利分析

對高放射性核廢物的全球?qū)＠母弑灰龑＠M行分析,具體信息如表3所示。

表3 高被引專利具體信息表

由表3可以看出，相關(guān)高放射性核廢物領(lǐng)域的高被引專利中，大部分是美國專利，說明美國在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位；單件專利的專利權(quán)人以合作者居多；主要關(guān)注高放射性核廢物的玻璃固化、用于存儲和運輸?shù)娜萜鳌⑼扛灿谙嚓P(guān)裝置的涂層等方面。

2.6 熱點專利

對高放射性核廢物的相關(guān)專利的熱點專利進行了分析，具體信息如表4所示。

由表4可以看出，相關(guān)高放射性核廢物領(lǐng)域的熱點專利中，中國擁有專利最多，占了一半，其次是美國、日本等國的專利數(shù)量，這說明近幾年中國的核工業(yè)有了長足的發(fā)展，對核燃料產(chǎn)生的高放射性廢物處置比較關(guān)注，研究領(lǐng)域比較前沿；專利權(quán)人中，中國和日本基本是高校，美國是公司；上述熱點專利大部分關(guān)注用于回收高放射性核廢物中有用元素的吸附劑、存儲或檢測裝置、固化基材、地質(zhì)處理等方面。

表4 熱點專利具體信息表

2.7 高放射性核廢物領(lǐng)域研究熱點分析

通過技術(shù)功效分析，獲取高放射性核廢物處置領(lǐng)域重點研究的技術(shù)方案，從技術(shù)功效角度找到技術(shù)密集區(qū)和空白區(qū)。由表5可以看出，對于高放射性核廢物的處置技術(shù)熱點，主要集中在固化、分離、回收廢料中有用元素的研究和存儲、運輸、轉(zhuǎn)移相關(guān)裝置研究，跟熱點專利分析相符，也是目前國際上采用的幾種主要處置手段。

表5 高放射性核廢物處置領(lǐng)域技術(shù)功效分析(單位：件)

在固化、分離、回收廢料中有用元素的研究領(lǐng)域里,玻璃固化研究關(guān)注最多，是目前世界各國對高放射性核廢物進行固化處理的首選方式，其次為固化裝置、固化基材制備研究，主要集中在安全性、浸出性、降低成本、減少輻射等方面。存儲、運輸、轉(zhuǎn)移裝置研究中，關(guān)注熱點主要集中在減少二次污染、熱傳導性、安全性、耐腐蝕性、減少輻射、降低成本方面。分離和回收廢料中有用元素方式中，主要采取沉淀、吸附、離子交換或氧化蒸發(fā)等方式，關(guān)注點在元素的選擇性、降低成本和減少二次污染方面。

3 結(jié)論

(1)全球高放射性核廢物專利申請呈現(xiàn)緩慢波動上升的趨勢；美國和日本的專利申請時間和數(shù)量一直遙遙領(lǐng)先，長期占據(jù)著技術(shù)高地。

(2)日本、美國、中國是高放射性核廢物專利技術(shù)的重要市場地區(qū)；專利申請數(shù)量TOP30機構(gòu)中50%的機構(gòu)來自日本，排名前5位的機構(gòu)分別是：石川島播磨重工業(yè)株式會社、日立公司、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和東芝株式會社。

(3)全球高放射性核廢物領(lǐng)域的專利主題主要集中在：核工程中的處理放射性污染材料及其去污裝置、可運輸?shù)幕蜉p便的防護容器、用于反應堆(如：在其壓力容器中處理、裝卸或簡化裝卸燃料或其他材料)的設(shè)備；X射線、γ射線、微粒射線或粒子轟擊的防護，處理放射性污染材料，及其去污染裝置加防護的小室或房間等領(lǐng)域以及涉及到核廢物處理的爐內(nèi)熔化；玻璃制造專用的熔窯領(lǐng)域。

(4)全球高放射性核廢物領(lǐng)域的高被引專利和熱點專利較少，高被引專利主要關(guān)注高放射性核廢物的玻璃固化、用于存儲和運輸?shù)娜萜?、涂覆于相關(guān)裝置的涂層等方面研究，熱點專利關(guān)注領(lǐng)域大部分是用于回收高放射性核廢物中有用元素的吸附劑、檢測裝置、固化基材、存儲系統(tǒng)、地質(zhì)處理等研究。

(5)通過專利技術(shù)功效分析可知，高放射性核廢物的處置技術(shù)主要集中在固化、分離、回收廢料中有用元素的研究和存儲、運輸、轉(zhuǎn)移相關(guān)裝置的研究。玻璃固化處理為主要方式，關(guān)注熱點主要集中在高放射性核廢液處理安全性、浸出性、降低成本、減少輻射等方面。