核能知識產(chǎn)權(quán)：四代堆的核心競爭力

在國際競爭中，專利是技術(shù)主權(quán)的體現(xiàn)。全球四代堆技術(shù)競爭激烈，專利布局的廣度與深度直接決定了一個國家在國際標(biāo)準(zhǔn)制定中的影響力。

如果說第四代反應(yīng)堆（以下簡稱四代堆）是核電界冉冉升起的超級新星，那知識產(chǎn)權(quán)就是它發(fā)光發(fā)熱的能量內(nèi)核。伴隨著四代堆從設(shè)計藍圖變成實體堆，每一次技術(shù)突破都少不了專利的身影，這些專利是研發(fā)四代堆過程中出現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)中最具價值的體現(xiàn)，也是各國在能源賽道上的技術(shù)路標(biāo)，決定未來的核電技術(shù)走向何方。在這場關(guān)乎未來能源格局的競賽中，專利布局已成為國家科技實力與產(chǎn)業(yè)話語權(quán)的一大戰(zhàn)場。

01

全球四代堆專利布局

從2000年美國能源部提出第四代核電站的倡議，以及與多個國家共同發(fā)起建立第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）以來，全球掀起了研發(fā)四代堆的熱潮，專利申請也隨之涌現(xiàn)。截至2025年7月19日，全球公開的四代堆相關(guān)的專利達4663件，并且呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，特別是2010—2023年這個時間段（2024—2025年期間的專利申請數(shù)據(jù)并未完全公開），全球四代堆技術(shù)專利申請量的年平均增長率高達14.9%，并形成了以中國、美國、日本、韓國和歐洲等多個國家為主體的競爭格局。

美國作為第四代堆的概念提出者，擁有極強的先發(fā)優(yōu)勢，并在第一時間開始進行了專利布局。美國能源部牽頭了大量科研力量開展四代堆的研發(fā)，并且在多種堆型上均有專利申請。在氣冷快堆（GFR）系統(tǒng)方面，美國的科研機構(gòu)和企業(yè)針對其燃料循環(huán)、氦氣輪機發(fā)電技術(shù)以及工藝熱利用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)申請了一系列專利，試圖構(gòu)建起完整的技術(shù)專利壁壘。

在超高溫氣冷堆（VHTR）方面，美國在堆芯設(shè)計上不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升中子利用效率，保障反應(yīng)堆在高溫工況下穩(wěn)定運行，相關(guān)成果申請了專利；在高溫材料研發(fā)上，開發(fā)出一系列用于關(guān)鍵部件的耐高溫、抗腐蝕材料，圍繞材料配方、制備工藝及應(yīng)用場景也提交了眾多專利申請。熔鹽反應(yīng)堆（MSR）系統(tǒng)研究中，美國在燃料配方優(yōu)化、熔鹽循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計、反應(yīng)堆熱工水力特性研究以及核廢料處理等方面深入探索，如調(diào)整燃料成分比例提升反應(yīng)活性、設(shè)計高效熔鹽循環(huán)泵和熱交換器，以及研發(fā)核廢料處理技術(shù)等，這些創(chuàng)新成果均轉(zhuǎn)化為專利，為熔鹽反應(yīng)堆的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

快中子反應(yīng)堆研發(fā)歷史悠久。美國在反應(yīng)堆設(shè)計、燃料循環(huán)、安全防護等方面不斷創(chuàng)新，持續(xù)優(yōu)化堆芯結(jié)構(gòu)提高中子通量和功率密度，開發(fā)閉式燃料循環(huán)技術(shù)減少核廢料產(chǎn)生，設(shè)計多重冗余安全系統(tǒng)保障反應(yīng)堆安全。例如，由比爾·蓋茨投資的美國泰拉能源公司（TerraPower L.L.C.）在鈉冷快堆（SFR）相關(guān)技術(shù)研發(fā)上投入巨大，其專利申請涵蓋了反應(yīng)堆的設(shè)計優(yōu)化、閉式燃料循環(huán)系統(tǒng)以及先進的安全防護機制等領(lǐng)域，為其在四代堆技術(shù)商業(yè)化競爭中搶占先機。

日本在第四代堆的研發(fā)上同樣投入多年，成果顯著。在超高溫氣冷堆（VHTR）方面，日本早已深入布局，其高溫工程試驗反應(yīng)器（HTTR）于1998年首次臨界，為技術(shù)探索提供了關(guān)鍵支撐，有力推動了相關(guān)專利申請。日本科研人員聚焦堆芯材料研發(fā)，鑒于高溫環(huán)境對堆芯材料挑戰(zhàn)巨大，他們致力于開發(fā)新型抗氧化石墨。經(jīng)反復(fù)試驗，成功研發(fā)出性能卓越的產(chǎn)品，圍繞其制備工藝、性能優(yōu)化及在堆芯的具體應(yīng)用，提交了一系列專利申請，構(gòu)建起較為完善的技術(shù)保護體系。

在冷卻系統(tǒng)優(yōu)化上，日本同樣取得突破，通過對氦氣冷卻路徑、熱交換效率提升等方面的研究，申請了多件專利，旨在降低冷卻系統(tǒng)能耗，提高反應(yīng)堆整體熱效率。此外，針對高溫環(huán)境下的設(shè)備設(shè)計，從耐高溫材料選型到設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也積累了諸多專利成果，全方位提升超高溫氣冷堆在實際運行中的可靠性與穩(wěn)定性。

在超臨界水冷堆（SCWR）概念設(shè)計研究中，日本科研人員針對熱工水力特性和材料與水化學(xué)兼容性難題深入探索，取得一系列專利成果。東京大學(xué)和早稻田大學(xué)的團隊通過數(shù)值模擬，在堆芯設(shè)計、子通道分析等多方面取得突破，這些成果均伴隨專利申請，為后續(xù)技術(shù)發(fā)展提供支撐。在解決超臨界水強腐蝕性對材料的挑戰(zhàn)時，研發(fā)出多種抗腐蝕材料，圍繞材料配方、制備工藝及應(yīng)用場景，提交大量專利申請，在國際超臨界水冷堆技術(shù)專利競爭中占據(jù)重要地位。

在高溫氣冷堆領(lǐng)域，2024年韓國浦項E&C與韓國原子能研究所（KAERI）合作開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)，同年8月韓國啟動445億韓元的高溫氣冷核反應(yīng)堆（HTGR）開發(fā)項目，計劃在2027年前開發(fā)出先進技術(shù)。圍繞高溫氣冷堆的高效發(fā)電、工藝供熱、氫氣生產(chǎn)等應(yīng)用場景，以及三結(jié)構(gòu)各向同性粒子燃料（TRISO）相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，如燃料制造工藝、在高溫下性能優(yōu)化等方面，韓國積極申請專利。在鈉冷快堆（SFR）方面，韓國原子能研究院通過科學(xué)技術(shù)信息通信部核能研發(fā)項目，開發(fā)出在鈉冷快堆核燃料包層內(nèi)側(cè)均勻涂覆不含雜質(zhì)鉻（Cr）的技術(shù)，以阻斷核燃料與包層間化學(xué)反應(yīng)。

歐洲各國在四代堆專利申請方面同樣表現(xiàn)活躍。法國憑借其深厚的核能技術(shù)底蘊，在超高溫氣冷堆（VHTR）和熔鹽反應(yīng)堆（MSR）等領(lǐng)域積極布局。法國的研究機構(gòu)在超高溫氣冷堆（VHTR）的堆芯設(shè)計、石墨材料應(yīng)用以及高溫工藝熱利用等方面申請了眾多專利，致力于提升該堆型的安全性和經(jīng)濟性。歐洲其他國家如英國、德國等也紛紛加入四代堆專利競爭行列。英國在先進核燃料技術(shù)以及核電站數(shù)字化控制技術(shù)方面有不少專利成果，為四代堆的運行效率提升和智能化管理提供了技術(shù)支撐。德國則側(cè)重于核反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)設(shè)計以及核廢物處理技術(shù)的專利研發(fā)，在保障四代堆安全運行和降低環(huán)境影響方面做出努力。

02

中國四代堆從追隨到引領(lǐng)

中國四代堆專利布局歷經(jīng)“引進消化-自主創(chuàng)新-標(biāo)準(zhǔn)輸出”的進階之路，2010年后進入爆發(fā)期。以高溫氣冷堆為例，2000年建10兆瓦高溫氣冷實驗堆后，圍繞該堆型的專利申請開始出現(xiàn)，但一直保持在低位。2010年后，隨著石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程的推進，相關(guān)專利申請的增長趨勢更為顯著，2010—2023年期間（2024—2025年期間的專利申請目前并未完全公開），增長率達到年均48%。截至目前，僅高溫氣冷堆相關(guān)專利已達1050件。這種持續(xù)且高速的增長態(tài)勢，不僅體現(xiàn)了中國在四代堆研發(fā)投入的不斷加大，更表明我國在該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新活力十足，正加速形成完備的技術(shù)專利體系。

中國在四代堆專利申請方面成果豐碩，展現(xiàn)出強勁的技術(shù)實力與創(chuàng)新活力。在高溫氣冷堆（HTGR）領(lǐng)域，2004年，中國華能集團、中國核工業(yè)建設(shè)集團股份有限公司、清華大學(xué)簽署合作建設(shè)高溫氣冷堆核電站示范工程框架協(xié)議，正式開啟商業(yè)示范工程建設(shè)征程。這一時期，科研人員不再局限于對國外技術(shù)模仿改進，而是基于實驗堆經(jīng)驗，大膽創(chuàng)新。

中國華能石島灣高溫氣冷堆核電站

在高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器研發(fā)中，摒棄國外傳統(tǒng)設(shè)計，創(chuàng)新性提出五層螺旋盤管結(jié)構(gòu)。清華核研院、中核能源等10多家單位聯(lián)合攻關(guān)，從理論設(shè)計、數(shù)值模擬到樣機制造，歷經(jīng)無數(shù)次試驗與改進，圍繞蒸汽發(fā)生器設(shè)計原理、制造工藝、安裝調(diào)試等全流程，申請一系列核心專利，打破國外技術(shù)壟斷。截至目前，中國在該領(lǐng)域的專利申請量位居全球首位。圍繞全陶瓷包覆顆粒燃料，從顆粒制備、包覆工藝到質(zhì)量檢測，形成了完整的專利鏈條。例如，研發(fā)出獨特的燃料顆粒燒結(jié)工藝，使燃料顆粒性能更優(yōu)，相關(guān)專利保障了燃料在高溫、強輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性。

在冷卻系統(tǒng)上，對氦氣循環(huán)流程進行優(yōu)化，設(shè)計出高效的氦氣冷卻回路，提高了熱傳導(dǎo)效率，降低能耗，該技術(shù)的專利申請也為高溫氣冷堆的高效運行奠定基礎(chǔ)。同時，在核級石墨制造、堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，中國科研團隊突破重重難關(guān)，大量專利成果支撐起高溫氣冷堆從設(shè)計到建造、運行的全流程技術(shù)體系。

快中子反應(yīng)堆也是中國四代堆研發(fā)與專利申請的重點方向。2010年7月，由中核集團中國原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的中國實驗快堆（CEFR）達到首次臨界，這一重大成果背后是多年技術(shù)積累與專利布局。中核集團自主完成快堆概念設(shè)計、初步設(shè)計等工作，全面掌握快堆物理、熱工、力學(xué)等多方面設(shè)計技術(shù)，申請了百余項專利。在鈉冷快堆（SFR）技術(shù)上，攻克了鈉工藝難題，研發(fā)出先進的鈉泵、鈉管道焊接技術(shù)等，圍繞這些關(guān)鍵技術(shù)的專利申請，推動了我國鈉冷快堆（SFR）技術(shù)從無到有、從弱到強。

中國實驗快堆

在超臨界水冷堆（SCWR）研究中，中國自2007年起，先后開展了關(guān)鍵科學(xué)問題的基礎(chǔ)研究與技術(shù)研發(fā)，并通過技術(shù)方案的IAEA專家審查。在堆芯設(shè)計技術(shù)上，通過數(shù)值模擬與實驗研究，優(yōu)化堆芯結(jié)構(gòu)，提高中子利用效率，相關(guān)研究成果已轉(zhuǎn)化為專利申請。針對超臨界水強腐蝕性對材料的挑戰(zhàn)，研發(fā)出新型抗腐蝕的燃料元件包殼材料，圍繞材料配方、制備工藝及應(yīng)用場景提交大量專利，在國際超臨界水冷堆（SCWR）技術(shù)競爭中嶄露頭角。此外，在熱工水力及安全相關(guān)實驗技術(shù)上也取得突破，建立起先進的實驗平臺，相關(guān)技術(shù)專利為超臨界水冷堆的安全運行提供保障。

在國際合作交流中，中國憑借自身專利成果與技術(shù)優(yōu)勢，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，與多個國家開展核能合作項目。在高溫氣冷堆國際標(biāo)準(zhǔn)制定中，中國基于石島灣核電站運行數(shù)據(jù)與技術(shù)經(jīng)驗，提出的安全評價方法、技術(shù)指標(biāo)等被納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)草案，提升在全球四代堆技術(shù)領(lǐng)域話語權(quán)。在“一帶一路”倡議下，向巴基斯坦等國輸出高溫氣冷堆技術(shù)，以專利技術(shù)為支撐，助力其建設(shè)核電站，推動中國四代堆技術(shù)走向世界。

03

專利在四代堆發(fā)展中的作用

專利在四代堆的發(fā)展進程中，扮演著不可或缺的技術(shù)護航者與產(chǎn)業(yè)催化劑的角色，從技術(shù)研發(fā)到商業(yè)化落地的全鏈條中均發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在技術(shù)研發(fā)階段，專利是保護創(chuàng)新成果的安全網(wǎng)。四代堆技術(shù)涉及反應(yīng)堆設(shè)計、核燃料制備、冷卻系統(tǒng)優(yōu)化等諸多前沿領(lǐng)域，每一項突破都凝聚著大量科研投入。以中國高溫氣冷堆的全陶瓷包覆顆粒燃料為例，其從顆粒制備到包覆工藝的每一步創(chuàng)新，都通過專利形成法律保護，防止技術(shù)成果被輕易仿制或盜用，確保科研團隊的智力成果能轉(zhuǎn)化為獨家技術(shù)優(yōu)勢。這種保護機制讓科研人員敢于投入更深層次的探索，比如在氦氣冷卻回路設(shè)計中，研發(fā)團隊可放心嘗試顛覆性的流程優(yōu)化，無需擔(dān)憂核心思路被竊取，從而加速技術(shù)迭代。

專利也是推動技術(shù)轉(zhuǎn)化的橋梁。對于實驗室中的技術(shù)成果，要想實現(xiàn)從實驗室到工業(yè)界的轉(zhuǎn)化，專利就成為企業(yè)參與到技術(shù)轉(zhuǎn)化過程中的“通行證”，像中國高溫氣冷堆示范工程建設(shè)所累計申請的2200余件首臺（套）設(shè)備相關(guān)的專利一樣，使參建企業(yè)擁有技術(shù)獨占權(quán)，不但可以通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓賺取利益，也可以憑借專利鎖住市場，在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位。例如，掌握了核級石墨生產(chǎn)制造的技術(shù)專利持有方，就可以與反應(yīng)堆制造企業(yè)形成穩(wěn)定合作關(guān)系，以實驗室技術(shù)為基礎(chǔ)，開展規(guī)模化生產(chǎn)，把科研產(chǎn)品從實驗室?guī)У缴a(chǎn)線，完成產(chǎn)業(yè)化工作。

在國際競爭中，專利是技術(shù)主權(quán)的體現(xiàn)。全球四代堆技術(shù)競爭激烈，專利布局的廣度與深度直接決定了一個國家在國際標(biāo)準(zhǔn)制定中的影響力。中國在高溫氣冷堆領(lǐng)域的大量專利，使其能夠在國際論壇中提出符合自身技術(shù)路線的標(biāo)準(zhǔn)建議，如全陶瓷包覆顆粒燃料的性能指標(biāo)、氦氣冷卻系統(tǒng)的安全規(guī)范等，進而影響全球四代堆技術(shù)的發(fā)展方向。同時，專利也是國際合作的籌碼，在與其他國家的技術(shù)交流中，中國可通過專利交叉許可，共享彼此的優(yōu)勢技術(shù)，比如在快中子反應(yīng)堆的鈉泵技術(shù)上，專利互換能讓合作雙方快速補齊技術(shù)短板，縮短研發(fā)周期。

對于產(chǎn)業(yè)生態(tài)而言，專利是資源聚合的紐帶。四代堆的商業(yè)化需要科研機構(gòu)、企業(yè)、資本等多方協(xié)同，而專利是整合這些資源的紐帶。企業(yè)為獲取核心專利技術(shù)，會主動與科研院所合作；資本則更愿意流向?qū)＠季滞晟频捻椖浚驗閷＠馕吨夹g(shù)壁壘和市場獨占性。中國鈉冷快堆技術(shù)通過百余項專利構(gòu)建起完整的技術(shù)體系，不僅吸引了上下游企業(yè)參與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，也為示范快堆的商業(yè)化融資提供了信心保障，推動整個四代堆產(chǎn)業(yè)從技術(shù)研發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用穩(wěn)步邁進。

此外，專利還是技術(shù)風(fēng)險防控的防火墻。四代堆技術(shù)研發(fā)周期長、投入大，若核心技術(shù)未及時申請專利，可能面臨被競爭對手搶先布局的風(fēng)險，導(dǎo)致前期投入付諸東流。中國在超臨界水冷堆的抗腐蝕材料研發(fā)中，同步推進專利申請，避免了在材料配方、制備工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)被“卡脖子”，為后續(xù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化掃清了潛在障礙。

在四代堆的競爭中，專利不僅記錄著技術(shù)突破的軌跡，更塑造著未來能源的權(quán)力結(jié)構(gòu)。隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，四代堆作為低碳能源的核心選項，其專利布局將決定誰能在“零碳未來”中占據(jù)先機。中國從專利追隨者到規(guī)則制定者的轉(zhuǎn)變，不僅彰顯了核能技術(shù)的進步，更預(yù)示著全球能源治理格局的重塑——在這場靜默的專利戰(zhàn)爭中，每一項專利都是一塊基石，共同搭建起人類通往清潔核能時代的橋梁。（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2025年11月號）

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編校：苑寶平

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