核能知识产权：四代堆的核心竞争力|专利|先进水平|四代堆|核能知识产权|气冷|超临界

在国际竞争中，专利是技术主权的体现。全球四代堆技术竞争激烈，专利布局的广度与深度直接决定了一个国家在国际标准制定中的影响力。

如果说第四代反应堆（以下简称四代堆）是核电界冉冉升起的超级新星，那知识产权就是它发光发热的能量内核。伴随着四代堆从设计蓝图变成实体堆，每一次技术突破都少不了专利的身影，这些专利是研发四代堆过程中出现的创新技术中最具价值的体现，也是各国在能源赛道上的技术路标，决定未来的核电技术走向何方。在这场关乎未来能源格局的竞赛中，专利布局已成为国家科技实力与产业话语权的一大战场。

全球四代堆专利布局

从2000年美国能源部提出第四代核电站的倡议，以及与多个国家共同发起建立第四代核能系统国际论坛（GIF）以来，全球掀起了研发四代堆的热潮，专利申请也随之涌现。截至2025年7月19日，全球公开的四代堆相关的专利达4663件，并且呈现逐年递增趋势，特别是2010—2023年这个时间段（2024—2025年期间的专利申请数据并未完全公开），全球四代堆技术专利申请量的年平均增长率高达14.9%，并形成了以中国、美国、日本、韩国和欧洲等多个国家为主体的竞争格局。

美国作为第四代堆的概念提出者，拥有极强的先发优势，并在第一时间开始进行了专利布局。美国能源部牵头了大量科研力量开展四代堆的研发，并且在多种堆型上均有专利申请。在气冷快堆（GFR）系统方面，美国的科研机构和企业针对其燃料循环、氦气轮机发电技术以及工艺热利用等关键环节申请了一系列专利，试图构建起完整的技术专利壁垒。

在超高温气冷堆（VHTR）方面，美国在堆芯设计上不断优化结构，提升中子利用效率，保障反应堆在高温工况下稳定运行，相关成果申请了专利；在高温材料研发上，开发出一系列用于关键部件的耐高温、抗腐蚀材料，围绕材料配方、制备工艺及应用场景也提交了众多专利申请。熔盐反应堆（MSR）系统研究中，美国在燃料配方优化、熔盐循环系统设计、反应堆热工水力特性研究以及核废料处理等方面深入探索，如调整燃料成分比例提升反应活性、设计高效熔盐循环泵和热交换器，以及研发核废料处理技术等，这些创新成果均转化为专利，为熔盐反应堆的发展提供技术支撑。

快中子反应堆研发历史悠久。美国在反应堆设计、燃料循环、安全防护等方面不断创新，持续优化堆芯结构提高中子通量和功率密度，开发闭式燃料循环技术减少核废料产生，设计多重冗余安全系统保障反应堆安全。例如，由比尔·盖茨投资的美国泰拉能源公司（TerraPower L.L.C.）在钠冷快堆（SFR）相关技术研发上投入巨大，其专利申请涵盖了反应堆的设计优化、闭式燃料循环系统以及先进的安全防护机制等领域，为其在四代堆技术商业化竞争中抢占先机。

日本在第四代堆的研发上同样投入多年，成果显著。在超高温气冷堆（VHTR）方面，日本早已深入布局，其高温工程试验反应器（HTTR）于1998年首次临界，为技术探索提供了关键支撑，有力推动了相关专利申请。日本科研人员聚焦堆芯材料研发，鉴于高温环境对堆芯材料挑战巨大，他们致力于开发新型抗氧化石墨。经反复试验，成功研发出性能卓越的产品，围绕其制备工艺、性能优化及在堆芯的具体应用，提交了一系列专利申请，构建起较为完善的技术保护体系。

在冷却系统优化上，日本同样取得突破，通过对氦气冷却路径、热交换效率提升等方面的研究，申请了多件专利，旨在降低冷却系统能耗，提高反应堆整体热效率。此外，针对高温环境下的设备设计，从耐高温材料选型到设备结构优化，也积累了诸多专利成果，全方位提升超高温气冷堆在实际运行中的可靠性与稳定性。

在超临界水冷堆（SCWR）概念设计研究中，日本科研人员针对热工水力特性和材料与水化学兼容性难题深入探索，取得一系列专利成果。东京大学和早稻田大学的团队通过数值模拟，在堆芯设计、子通道分析等多方面取得突破，这些成果均伴随专利申请，为后续技术发展提供支撑。在解决超临界水强腐蚀性对材料的挑战时，研发出多种抗腐蚀材料，围绕材料配方、制备工艺及应用场景，提交大量专利申请，在国际超临界水冷堆技术专利竞争中占据重要地位。

在高温气冷堆领域，2024年韩国浦项E&C与韩国原子能研究所（KAERI）合作开展相关技术研发，同年8月韩国启动445亿韩元的高温气冷核反应堆（HTGR）开发项目，计划在2027年前开发出先进技术。围绕高温气冷堆的高效发电、工艺供热、氢气生产等应用场景，以及三结构各向同性粒子燃料（TRISO）相关技术创新，如燃料制造工艺、在高温下性能优化等方面，韩国积极申请专利。在钠冷快堆（SFR）方面，韩国原子能研究院通过科学技术信息通信部核能研发项目，开发出在钠冷快堆核燃料包层内侧均匀涂覆不含杂质铬（Cr）的技术，以阻断核燃料与包层间化学反应。

欧洲各国在四代堆专利申请方面同样表现活跃。法国凭借其深厚的核能技术底蕴，在超高温气冷堆（VHTR）和熔盐反应堆（MSR）等领域积极布局。法国的研究机构在超高温气冷堆（VHTR）的堆芯设计、石墨材料应用以及高温工艺热利用等方面申请了众多专利，致力于提升该堆型的安全性和经济性。欧洲其他国家如英国、德国等也纷纷加入四代堆专利竞争行列。英国在先进核燃料技术以及核电站数字化控制技术方面有不少专利成果，为四代堆的运行效率提升和智能化管理提供了技术支撑。德国则侧重于核反应堆的安全系统设计以及核废物处理技术的专利研发，在保障四代堆安全运行和降低环境影响方面做出努力。

中国四代堆从追随到引领

中国四代堆专利布局历经“引进消化-自主创新-标准输出”的进阶之路，2010年后进入爆发期。以高温气冷堆为例，2000年建10兆瓦高温气冷实验堆后，围绕该堆型的专利申请开始出现，但一直保持在低位。2010年后，随着石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的推进，相关专利申请的增长趋势更为显著，2010—2023年期间（2024—2025年期间的专利申请目前并未完全公开），增长率达到年均48%。截至目前，仅高温气冷堆相关专利已达1050件。这种持续且高速的增长态势，不仅体现了中国在四代堆研发投入的不断加大，更表明我国在该领域技术创新活力十足，正加速形成完备的技术专利体系。

中国在四代堆专利申请方面成果丰硕，展现出强劲的技术实力与创新活力。在高温气冷堆（HTGR）领域，2004年，中国华能集团、中国核工业建设集团股份有限公司、清华大学签署合作建设高温气冷堆核电站示范工程框架协议，正式开启商业示范工程建设征程。这一时期，科研人员不再局限于对国外技术模仿改进，而是基于实验堆经验，大胆创新。

中国华能石岛湾高温气冷堆核电站

在高温气冷堆蒸汽发生器研发中，摒弃国外传统设计，创新性提出五层螺旋盘管结构。清华核研院、中核能源等10多家单位联合攻关，从理论设计、数值模拟到样机制造，历经无数次试验与改进，围绕蒸汽发生器设计原理、制造工艺、安装调试等全流程，申请一系列核心专利，打破国外技术垄断。截至目前，中国在该领域的专利申请量位居全球首位。围绕全陶瓷包覆颗粒燃料，从颗粒制备、包覆工艺到质量检测，形成了完整的专利链条。例如，研发出独特的燃料颗粒烧结工艺，使燃料颗粒性能更优，相关专利保障了燃料在高温、强辐射环境下的稳定性与安全性。

在冷却系统上，对氦气循环流程进行优化，设计出高效的氦气冷却回路，提高了热传导效率，降低能耗，该技术的专利申请也为高温气冷堆的高效运行奠定基础。同时，在核级石墨制造、堆芯结构设计等方面，中国科研团队突破重重难关，大量专利成果支撑起高温气冷堆从设计到建造、运行的全流程技术体系。

快中子反应堆也是中国四代堆研发与专利申请的重点方向。2010年7月，由中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国实验快堆（CEFR）达到首次临界，这一重大成果背后是多年技术积累与专利布局。中核集团自主完成快堆概念设计、初步设计等工作，全面掌握快堆物理、热工、力学等多方面设计技术，申请了百余项专利。在钠冷快堆（SFR）技术上，攻克了钠工艺难题，研发出先进的钠泵、钠管道焊接技术等，围绕这些关键技术的专利申请，推动了我国钠冷快堆（SFR）技术从无到有、从弱到强。

中国实验快堆

在超临界水冷堆（SCWR）研究中，中国自2007年起，先后开展了关键科学问题的基础研究与技术研发，并通过技术方案的IAEA专家审查。在堆芯设计技术上，通过数值模拟与实验研究，优化堆芯结构，提高中子利用效率，相关研究成果已转化为专利申请。针对超临界水强腐蚀性对材料的挑战，研发出新型抗腐蚀的燃料元件包壳材料，围绕材料配方、制备工艺及应用场景提交大量专利，在国际超临界水冷堆（SCWR）技术竞争中崭露头角。此外，在热工水力及安全相关实验技术上也取得突破，建立起先进的实验平台，相关技术专利为超临界水冷堆的安全运行提供保障。

在国际合作交流中，中国凭借自身专利成果与技术优势，积极参与国际标准制定，与多个国家开展核能合作项目。在高温气冷堆国际标准制定中，中国基于石岛湾核电站运行数据与技术经验，提出的安全评价方法、技术指标等被纳入相关标准草案，提升在全球四代堆技术领域话语权。在“一带一路”倡议下，向巴基斯坦等国输出高温气冷堆技术，以专利技术为支撑，助力其建设核电站，推动中国四代堆技术走向世界。

专利在四代堆发展中的作用

专利在四代堆的发展进程中，扮演着不可或缺的技术护航者与产业催化剂的角色，从技术研发到商业化落地的全链条中均发挥着关键作用。

在技术研发阶段，专利是保护创新成果的安全网。四代堆技术涉及反应堆设计、核燃料制备、冷却系统优化等诸多前沿领域，每一项突破都凝聚着大量科研投入。以中国高温气冷堆的全陶瓷包覆颗粒燃料为例，其从颗粒制备到包覆工艺的每一步创新，都通过专利形成法律保护，防止技术成果被轻易仿制或盗用，确保科研团队的智力成果能转化为独家技术优势。这种保护机制让科研人员敢于投入更深层次的探索，比如在氦气冷却回路设计中，研发团队可放心尝试颠覆性的流程优化，无需担忧核心思路被窃取，从而加速技术迭代。

专利也是推动技术转化的桥梁。对于实验室中的技术成果，要想实现从实验室到工业界的转化，专利就成为企业参与到技术转化过程中的“通行证”，像中国高温气冷堆示范工程建设所累计申请的2200余件首台（套）设备相关的专利一样，使参建企业拥有技术独占权，不但可以通过技术转让赚取利益，也可以凭借专利锁住市场，在产业链中占据主导地位。例如，掌握了核级石墨生产制造的技术专利持有方，就可以与反应堆制造企业形成稳定合作关系，以实验室技术为基础，开展规模化生产，把科研产品从实验室带到生产线，完成产业化工作。

在国际竞争中，专利是技术主权的体现。全球四代堆技术竞争激烈，专利布局的广度与深度直接决定了一个国家在国际标准制定中的影响力。中国在高温气冷堆领域的大量专利，使其能够在国际论坛中提出符合自身技术路线的标准建议，如全陶瓷包覆颗粒燃料的性能指标、氦气冷却系统的安全规范等，进而影响全球四代堆技术的发展方向。同时，专利也是国际合作的筹码，在与其他国家的技术交流中，中国可通过专利交叉许可，共享彼此的优势技术，比如在快中子反应堆的钠泵技术上，专利互换能让合作双方快速补齐技术短板，缩短研发周期。

对于产业生态而言，专利是资源聚合的纽带。四代堆的商业化需要科研机构、企业、资本等多方协同，而专利是整合这些资源的纽带。企业为获取核心专利技术，会主动与科研院所合作；资本则更愿意流向专利布局完善的项目，因为专利意味着技术壁垒和市场独占性。中国钠冷快堆技术通过百余项专利构建起完整的技术体系，不仅吸引了上下游企业参与产业链建设，也为示范快堆的商业化融资提供了信心保障，推动整个四代堆产业从技术研发向实际应用稳步迈进。

此外，专利还是技术风险防控的防火墙。四代堆技术研发周期长、投入大，若核心技术未及时申请专利，可能面临被竞争对手抢先布局的风险，导致前期投入付诸东流。中国在超临界水冷堆的抗腐蚀材料研发中，同步推进专利申请，避免了在材料配方、制备工艺等关键环节被“卡脖子”，为后续技术产业化扫清了潜在障碍。

在四代堆的竞争中，专利不仅记录着技术突破的轨迹，更塑造着未来能源的权力结构。随着全球能源转型加速，四代堆作为低碳能源的核心选项，其专利布局将决定谁能在“零碳未来”中占据先机。中国从专利追随者到规则制定者的转变，不仅彰显了核能技术的进步，更预示着全球能源治理格局的重塑——在这场静默的专利战争中，每一项专利都是一块基石，共同搭建起人类通往清洁核能时代的桥梁。（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心）

（文章来源：《创意世界》2025年11月号）

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