鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)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(lǐng)域正在大力探索第四代核電系統(tǒng)。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(fā)展前景的第四代核電系統(tǒng)之一。鉛冷快堆是采用液態(tài)鉛或鉛鉍合金（LBE）作為冷卻劑的快中子反應(yīng)堆。鉛冷快堆具有良好的中子學(xué)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(shù)可以滿足事故后堆芯持續(xù)淹沒和自然循環(huán)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(chǎn)生。基于以上優(yōu)勢，針對鉛冷快堆的研究正在受到核能領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，參與鉛冷快堆研發(fā)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(yōu)點，但其工程應(yīng)用仍受到一些關(guān)鍵技術(shù)的制約。

1 鉛冷快堆的關(guān)鍵技術(shù)分析

鉛冷快堆與壓水堆核電站類似，整個系統(tǒng)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(zhì)，最終滿足用戶的供熱、供電等需求。在一回路設(shè)計方面，鉛冷快堆與壓水堆有明顯區(qū)別。鉛冷快堆一回路為常壓運行，多采用池式結(jié)構(gòu)設(shè)計，即一回路主要設(shè)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(tǒng)示意圖

在通用技術(shù)層面上，由于系統(tǒng)采用液態(tài)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(nèi)所有機械和結(jié)構(gòu)都有著嚴重的腐蝕作用，因此耐腐蝕技術(shù)的研發(fā)是鉛冷快堆發(fā)展最重要的關(guān)鍵技術(shù)。解決該問題主要從兩個角度入手：新型耐腐蝕材料的研發(fā)和冷卻劑氧氣控制技術(shù)的開發(fā)。另外，還有針對LBE提出的高放射性產(chǎn)物（Po210）處置技術(shù)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(guān)技術(shù)，如反應(yīng)堆抗震相關(guān)技術(shù)、冷卻劑凈化技術(shù)、防冷卻劑冷凝技術(shù)、新型儀器儀表開發(fā)等，提出了更高的要求。

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

圖2 鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)分解圖

2 鉛冷快堆專利總體分析

2.1 專利申請數(shù)量

根據(jù)前文分析的鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)進行專利檢索后，通過人工篩選，剔除重復(fù)、無關(guān)的專利后，與鉛冷快堆技術(shù)密切相關(guān)專利408件，其中發(fā)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(quán)和保護，但權(quán)利保護期相對較短，因此在技術(shù)發(fā)展相對成熟、市場競爭相對充分的領(lǐng)域申請比例會相對較高。而發(fā)明專利雖然權(quán)利保護期相對較長，但審查周期也較長，審查中對創(chuàng)造性的要求也更高，在某項技術(shù)發(fā)展初期申請比例相對較高。專利申請數(shù)量分析結(jié)果印證了鉛冷快堆現(xiàn)仍處于技術(shù)開發(fā)階段。

2.2 專利申請時間

從專利申請時間角度分析，國內(nèi)鉛冷快堆專利數(shù)量在2011年以前較少，且均為國外企業(yè)申請，比如1995年美國通用電氣公司針對液態(tài)金屬反應(yīng)堆余熱排出系統(tǒng)設(shè)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(tài)金屬自然循環(huán)反應(yīng)堆概念設(shè)計申請的CN97180981.X[2,3]。直至2011年，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對核反應(yīng)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(cè)面說明，在福島核事故后，國內(nèi)開始把科研方向向第四代核能系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。此后，國內(nèi)針對鉛冷快堆相關(guān)技術(shù)的專利數(shù)量開始逐年上漲 （見圖3）。2016年，鉛冷快堆相關(guān)專利申請達67個。

圖3 鉛冷快堆專利逐年申請數(shù)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(shù)相關(guān)的專利申請主要集中在一回路相關(guān)部件設(shè)計研究（36%）和冷卻劑相關(guān)的技術(shù)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(dǎo)致的。如前所述，液態(tài)重金屬冷卻劑所帶來的腐蝕等問題，一回路相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的適用性問題都是現(xiàn)階段需要重點研究的內(nèi)容，所以占比最高。但另一方面，由于這兩項研究內(nèi)容均包含多個角度，多種設(shè)備，因此細化后的技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)問題，實驗臺架的搭建必不可少（6%），相應(yīng)地為滿足實驗數(shù)據(jù)的精確測量，適用于液態(tài)金屬的儀器儀表研發(fā)占據(jù)了專利數(shù)量的第三位（10%）。另外，鉛冷快堆在國內(nèi)尚無工程示范堆型，因此對鉛冷快堆進行廣泛的概念設(shè)計，輔以計算分析，以驗證其可行性也是相關(guān)研究機構(gòu)正在大力開展的工作。因此，具有一定的研發(fā)熱度（8%）。在二回路研究上，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)是一項較為前沿的二回路循環(huán)技術(shù)、正受到國際上廣泛關(guān)注，但由于此項技術(shù)難度較大，目前正處在研究起步階段，因此其相關(guān)專利數(shù)量還在穩(wěn)步上升階段（5%）。余熱排出系統(tǒng)研發(fā)專利占比4%。相較于前幾項較為分散的研究方向，余排系統(tǒng)設(shè)計更為獨立，且同樣處于概念設(shè)計階段。因此雖然占比較少但專利數(shù)量同樣可觀。其他項（9%）主要包括加速器次臨界系統(tǒng)散裂靶相關(guān)技術(shù)，冷卻劑充排和系統(tǒng)檢修技術(shù)。雖包含于鉛冷快堆研發(fā)范疇內(nèi)，但非鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)范疇。從鉛冷快堆相關(guān)專利分布來看，主要的研發(fā)重點仍集中在主回路內(nèi)，包括一回路相關(guān)部件研發(fā)和冷卻劑相關(guān)研究。如果將這兩項技術(shù)再進行細化，可以看到，在一回路相關(guān)部件研發(fā)中，燃料組件設(shè)計、堆芯方案設(shè)計、主泵設(shè)計、主回路換熱器設(shè)計占據(jù)主導(dǎo)地位。冷卻劑相關(guān)研究則主要針對耐腐蝕技術(shù)、冷卻劑氧控技術(shù)和冷卻劑制備和凈化技術(shù)。

圖4 鉛冷快堆專利分布情況

圖5 具體技術(shù)專利分布情況

2.4 專利申請單位

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

圖6 國內(nèi)各單位專利申請數(shù)量（前10位）

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院下屬的中國科學(xué)院核能技術(shù)研究所作為國內(nèi)研究鉛冷快堆的牽頭單位，對鉛冷快堆相關(guān)技術(shù)及概念設(shè)計進行了多項研究。2011年至今，公開專利88篇，其中授權(quán)專利有61篇，授權(quán)比例為69.3%?？梢钥闯銎鋵＠麆?chuàng)新性較好，授權(quán)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(quán)專利7篇。其余20篇與其他單位合作申請，授權(quán)13篇，總授權(quán)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(tài)（20篇）。

華北電力大學(xué)是對于鉛冷快堆相關(guān)技術(shù)進行了較多研究的高校，公開鉛冷快堆相關(guān)專利36篇，授權(quán)專利16篇，授權(quán)比例44.4%。

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

專利申請數(shù)量前10位的單位中，科研院所6個，企業(yè)3個，高校2個。因此，現(xiàn)階段鉛冷快堆相關(guān)技術(shù)研究主要以科研院所為主，其中中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院占據(jù)主導(dǎo)地位?？蒲性核邆漭^強的科研能力，前期是此類創(chuàng)新型技術(shù)良好的孵化基地。后期應(yīng)加強企業(yè)與科研院所的技術(shù)交流，促進科研成果轉(zhuǎn)化落地。

3 主要申請人關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)第二節(jié)中對鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)的分析，通過主要單位專利調(diào)研，可以看到：

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作為最早涉足鉛冷快堆相關(guān)技術(shù)研發(fā)的科研院所，其專利領(lǐng)域涵蓋了總體概念設(shè)計、燃料組件及控制棒研究、換熱器和主泵研發(fā)、冷卻劑特性研究、實驗臺架搭建等方面。從專利內(nèi)容上，可以發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院針對鉛冷快堆的研究主要圍繞加速器次臨界系統(tǒng)展開，早期其申請的專利以機理性研究和實驗臺架建設(shè)為主，包括材料脆化實驗裝置[5]、氧控反應(yīng)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(guān)專利。于2014年提出了雙模運行的次臨界堆系統(tǒng)設(shè)計方案[7]。之后，在繼續(xù)進行關(guān)鍵技術(shù)深入研究和設(shè)計優(yōu)化的同時，研究內(nèi)容逐漸覆蓋到了鉛冷快堆的新型應(yīng)用方向上，如移動式發(fā)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(yīng)堆、聚變堆方面開展了相關(guān)研究。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的專利布局清晰，對鉛冷堆關(guān)鍵技術(shù)研究較為全面，每個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域均有專利授權(quán)。

其他單位方面，在液態(tài)鉛/鉛鉍合金冷卻劑相關(guān)問題的研究上，華北電力大學(xué)申請了相關(guān)專利8篇?？梢钥闯鋈A北電力大學(xué)對該項技術(shù)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(zhì)消除、防止冷卻劑雜質(zhì)沉積等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。與此同時，該大學(xué)針對冷卻劑運行狀態(tài)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(tǒng)研發(fā)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(tài)控氧、氣態(tài)控氧、氧氣傳感器研發(fā)等[16-18]。同時，針對去除冷卻劑中高放物質(zhì)Po210的方法，兩家單位公開了3篇專利，是進行此項研究為數(shù)不多的單位。

耐腐蝕材料研發(fā)方面，中國科學(xué)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(shù)進行了深入研究，公開專利12篇。

在對一回路相關(guān)系統(tǒng)研究上，堆芯方面，中國原子能科學(xué)研究院針對先進燃料進行了研發(fā)，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(yīng)的液態(tài)金屬儀器儀表設(shè)計方面也占有較大優(yōu)勢。中國科學(xué)院近代物理研究所針對燃料組件的抓頭機構(gòu)[21]、上管座自鎖機構(gòu)[22]、下管座鎖緊機構(gòu)[23]、解鎖及提升機構(gòu)[24]進行了相關(guān)設(shè)計，均在申請和審查階段。其他單位包括清華大學(xué)天津高端裝備研究院、中科瑞華原子能源技術(shù)有限公司、中國人民解放軍國防科技大學(xué)、華北電力大學(xué)等也對燃料組件設(shè)計進行了相關(guān)研究。華北電力大學(xué)針對反應(yīng)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(shè)計[25]以及較為新穎的可分離堆芯式控制系統(tǒng)一種鉛冷快堆可分離堆芯實施方案[26]。主回路換熱器設(shè)計方面的研究較為分散，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、華北電力大學(xué)、清華大學(xué)天津高端裝備研究院均針對換熱器進行了設(shè)計研究。但僅有清華大學(xué)天津高端裝備研究院針對蒸汽發(fā)生器開發(fā)了實驗裝置[27]。反應(yīng)堆容器的設(shè)計較為深入，公開了相關(guān)專利4篇。在新型主泵研究上，江蘇泰豐泵業(yè)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(yè)有限公司對液態(tài)金屬泵及其相關(guān)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(tài)金屬立式混流泵和立式離心泵進行了研制[32,33]。

自然循環(huán)相關(guān)研究并沒有大量展開，僅部分單位開展了自然循環(huán)實驗和自然循環(huán)能力強化研究，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院設(shè)計了利用氣體強化自然循環(huán)方法，華北電力大學(xué)則搭建了自然循環(huán)回路實驗臺架。

二回路系統(tǒng)方面，西安熱工研究院有限公司針對超臨界二氧化碳系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)節(jié)方式、工質(zhì)回收、工質(zhì)凈化進行了研究[34-37]。西安交通大學(xué)對此前沿技術(shù)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(tǒng)以及綜合性能評價方法3篇專利[38-40]。

余熱排出系統(tǒng)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(tǒng)[41]、堆外非能動空冷余排系統(tǒng)[42]、中間回路非能動余排系統(tǒng)[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(guān)鍵技術(shù)分布情況，如表1所示。

表1 主要專利申請人關(guān)鍵技術(shù)分布

4 結(jié)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(tǒng)的有力競爭者，其關(guān)鍵技術(shù)梳理已逐漸清晰，液態(tài)金屬冷卻劑的特殊性質(zhì)帶來了諸多關(guān)鍵技術(shù)難點，包括其自身物理化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致的問題，以及其對于系統(tǒng)設(shè)備的沖擊。隨著我國近年來對鉛冷快堆技術(shù)的不斷重視，相關(guān)單位對于鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)研究工作已經(jīng)全面展開。其主要研究重點側(cè)重于冷卻劑和一回路研究，并且已經(jīng)建設(shè)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(nèi)科研機構(gòu)對于鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)的研究正在逐步深入。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作為國內(nèi)鉛冷快堆科研的牽頭單位，在鉛冷快堆全領(lǐng)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(fā)路線。通過對專利申請人關(guān)鍵技術(shù)進行分析可以看出，相關(guān)科研單位均具有各自的優(yōu)勢研發(fā)方向。同時，針對前沿?zé)狳c研究內(nèi)容已經(jīng)開展相關(guān)工作并形成專利，如先進燃料開發(fā)、超臨界二氧化碳技術(shù)開發(fā)等。最后，為進一步推進鉛冷快堆關(guān)鍵技術(shù)研究，加快鉛冷快堆相關(guān)成果落地。本文對后續(xù)鉛冷快堆研發(fā)前景提出幾點建議：

首先，應(yīng)該加強科研機構(gòu)與企業(yè)、高校間的合作。從專利分析結(jié)果上看，各單位之間技術(shù)交流較少?？蒲袡C構(gòu)、高校具有強大的科研能力，企業(yè)則對工程應(yīng)用有充足的經(jīng)驗。未來應(yīng)充分調(diào)動各單位的優(yōu)勢力量，形成資源互補，這樣既可以增強產(chǎn)學(xué)研結(jié)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(fā)展方面是最先進的國家，也是現(xiàn)今唯一具有鉛冷快堆實際運行經(jīng)驗的國家，并且已經(jīng)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(guān)設(shè)計工作。因此應(yīng)廣泛開展此領(lǐng)域間國際合作交流，在重難點問題上開展聯(lián)合研究，旨在解決科研成果工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中可能存在的問題。

最后，現(xiàn)階段的研究工作均基于實驗臺架進行，多采用高溫液態(tài)金屬環(huán)境下的研究方式。同時，應(yīng)盡快開展工程示范堆的建設(shè)，進行燃料包殼和結(jié)構(gòu)材料輻照實驗，以驗證在高溫腐蝕環(huán)境和輻照環(huán)境共同作用下，材料的性能表現(xiàn)，同時開展工業(yè)尺度條件下的其他技術(shù)驗證工作，如材料涂層技術(shù)、氧控技術(shù)、余排技術(shù)等。