核能知識產權：四代堆的核心競爭力

在國際競爭中，專利是技術主權的體現。全球四代堆技術競爭激烈，專利布局的廣度與深度直接決定了一個國家在國際標準制定中的影響力。

如果說第四代反應堆（以下簡稱四代堆）是核電界冉冉升起的超級新星，那知識產權就是它發光發熱的能量內核。伴隨著四代堆從設計藍圖變成實體堆，每一次技術突破都少不了專利的身影，這些專利是研發四代堆過程中出現的創新技術中最具價值的體現，也是各國在能源賽道上的技術路標，決定未來的核電技術走向何方。在這場關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業話語權的一大戰場。

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起建立第四代核能系統國際論壇（GIF）以來，全球掀起了研發四代堆的熱潮，專利申請也隨之涌現。截至2025年7月19日，全球公開的四代堆相關的專利達4663件，并且呈現逐年遞增趨勢，特別是2010—2023年這個時間段（2024—2025年期間的專利申請數據并未完全公開），全球四代堆技術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，擁有極強的先發優勢，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，并且在多種堆型上均有專利申請。在氣冷快堆（GFR）系統方面，美國的科研機構和企業針對其燃料循環、氦氣輪機發電技術以及工藝熱利用等關鍵環節申請了一系列專利，試圖構建起完整的技術專利壁壘。

在超高溫氣冷堆（VHTR）方面，美國在堆芯設計上不斷優化結構，提升中子利用效率，保障反應堆在高溫工況下穩定運行，相關成果申請了專利；在高溫材料研發上，開發出一系列用于關鍵部件的耐高溫、抗腐蝕材料，圍繞材料配方、制備工藝及應用場景也提交了眾多專利申請。熔鹽反應堆（MSR）系統研究中，美國在燃料配方優化、熔鹽循環系統設計、反應堆熱工水力特性研究以及核廢料處理等方面深入探索，如調整燃料成分比例提升反應活性、設計高效熔鹽循環泵和熱交換器，以及研發核廢料處理技術等，這些創新成果均轉化為專利，為熔鹽反應堆的發展提供技術支撐。

快中子反應堆研發歷史悠久。美國在反應堆設計、燃料循環、安全防護等方面不斷創新，持續優化堆芯結構提高中子通量和功率密度，開發閉式燃料循環技術減少核廢料產生，設計多重冗余安全系統保障反應堆安全。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）相關技術研發上投入巨大，其專利申請涵蓋了反應堆的設計優化、閉式燃料循環系統以及先進的安全防護機制等領域，為其在四代堆技術商業化競爭中搶占先機。

日本在第四代堆的研發上同樣投入多年，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器（HTTR）于1998年首次臨界，為技術探索提供了關鍵支撐，有力推動了相關專利申請。日本科研人員聚焦堆芯材料研發，鑒于高溫環境對堆芯材料挑戰巨大，他們致力于開發新型抗氧化石墨。經反復試驗，成功研發出性能卓越的產品，圍繞其制備工藝、性能優化及在堆芯的具體應用，提交了一系列專利申請，構建起較為完善的技術保護體系。

在冷卻系統優化上，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，旨在降低冷卻系統能耗，提高反應堆整體熱效率。此外，針對高溫環境下的設備設計，從耐高溫材料選型到設備結構優化，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定性。

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

在高溫氣冷堆領域，2024年韓國浦項E&C與韓國原子能研究所（KAERI）合作開展相關技術研發，同年8月韓國啟動445億韓元的高溫氣冷核反應堆（HTGR）開發項目，計劃在2027年前開發出先進技術。圍繞高溫氣冷堆的高效發電、工藝供熱、氫氣生產等應用場景，以及三結構各向同性粒子燃料（TRISO）相關技術創新，如燃料制造工藝、在高溫下性能優化等方面，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技術信息通信部核能研發項目，開發出在鈉冷快堆核燃料包層內側均勻涂覆不含雜質鉻（Cr）的技術，以阻斷核燃料與包層間化學反應。

歐洲各國在四代堆專利申請方面同樣表現活躍。法國憑借其深厚的核能技術底蘊，在超高溫氣冷堆（VHTR）和熔鹽反應堆（MSR）等領域積極布局。法國的研究機構在超高溫氣冷堆（VHTR）的堆芯設計、石墨材料應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以及核電站數字化控制技術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支撐。德國則側重于核反應堆的安全系統設計以及核廢物處理技術的專利研發，在保障四代堆安全運行和降低環境影響方面做出努力。

02

中國四代堆從追隨到引領

中國四代堆專利布局歷經“引進消化-自主創新-標準輸出”的進階之路，2010年后進入爆發期。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，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，僅高溫氣冷堆相關專利已達1050件。這種持續且高速的增長態勢，不僅體現了中國在四代堆研發投入的不斷加大，更表明我國在該領域技術創新活力十足，正加速形成完備的技術專利體系。

中國在四代堆專利申請方面成果豐碩，展現出強勁的技術實力與創新活力。在高溫氣冷堆（HTGR）領域，2004年，中國華能集團、中國核工業建設集團股份有限公司、清華大學簽署合作建設高溫氣冷堆核電站示范工程框架協議，正式開啟商業示范工程建設征程。這一時期，科研人員不再局限于對國外技術模仿改進，而是基于實驗堆經驗，大膽創新。

中國華能石島灣高溫氣冷堆核電站

在高溫氣冷堆蒸汽發生器研發中，摒棄國外傳統設計，創新性提出五層螺旋盤管結構。清華核研院、中核能源等10多家單位聯合攻關，從理論設計、數值模擬到樣機制造，歷經無數次試驗與改進，圍繞蒸汽發生器設計原理、制造工藝、安裝調試等全流程，申請一系列核心專利，打破國外技術壟斷。截至目前，中國在該領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、包覆工藝到質量檢測，形成了完整的專利鏈條。例如，研發出獨特的燃料顆粒燒結工藝，使燃料顆粒性能更優，相關專利保障了燃料在高溫、強輻射環境下的穩定性與安全性。

在冷卻系統上，對氦氣循環流程進行優化，設計出高效的氦氣冷卻回路，提高了熱傳導效率，降低能耗，該技術的專利申請也為高溫氣冷堆的高效運行奠定基礎。同時，在核級石墨制造、堆芯結構設計等方面，中國科研團隊突破重重難關，大量專利成果支撐起高溫氣冷堆從設計到建造、運行的全流程技術體系。

快中子反應堆也是中國四代堆研發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研究院自主研發的中國實驗快堆（CEFR）達到首次臨界，這一重大成果背后是多年技術積累與專利布局。中核集團自主完成快堆概念設計、初步設計等工作，全面掌握快堆物理、熱工、力學等多方面設計技術，申請了百余項專利。在鈉冷快堆（SFR）技術上，攻克了鈉工藝難題，研發出先進的鈉泵、鈉管道焊接技術等，圍繞這些關鍵技術的專利申請，推動了我國鈉冷快堆（SFR）技術從無到有、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，先后開展了關鍵科學問題的基礎研究與技術研發，并通過技術方案的IAEA專家審查。在堆芯設計技術上，通過數值模擬與實驗研究，優化堆芯結構，提高中子利用效率，相關研究成果已轉化為專利申請。針對超臨界水強腐蝕性對材料的挑戰，研發出新型抗腐蝕的燃料元件包殼材料，圍繞材料配方、制備工藝及應用場景提交大量專利，在國際超臨界水冷堆（SCWR）技術競爭中嶄露頭角。此外，在熱工水力及安全相關實驗技術上也取得突破，建立起先進的實驗平臺，相關技術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優勢，積極參與國際標準制定，與多個國家開展核能合作項目。在高溫氣冷堆國際標準制定中，中國基于石島灣核電站運行數據與技術經驗，提出的安全評價方法、技術指標等被納入相關標準草案，提升在全球四代堆技術領域話語權。在“一帶一路”倡議下，向巴基斯坦等國輸出高溫氣冷堆技術，以專利技術為支撐，助力其建設核電站，推動中國四代堆技術走向世界。

03

專利在四代堆發展中的作用

專利在四代堆的發展進程中，扮演著不可或缺的技術護航者與產業催化劑的角色，從技術研發到商業化落地的全鏈條中均發揮著關鍵作用。

在技術研發階段，專利是保護創新成果的安全網。四代堆技術涉及反應堆設計、核燃料制備、冷卻系統優化等諸多前沿領域，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新，都通過專利形成法律保護，防止技術成果被輕易仿制或盜用，確保科研團隊的智力成果能轉化為獨家技術優勢。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計中，研發團隊可放心嘗試顛覆性的流程優化，無需擔憂核心思路被竊取，從而加速技術迭代。

專利也是推動技術轉化的橋梁。對于實驗室中的技術成果，要想實現從實驗室到工業界的轉化，專利就成為企業參與到技術轉化過程中的“通行證”，像中國高溫氣冷堆示范工程建設所累計申請的2200余件首臺（套）設備相關的專利一樣，使參建企業擁有技術獨占權，不但可以通過技術轉讓賺取利益，也可以憑借專利鎖住市場，在產業鏈中占據主導地位。例如，掌握了核級石墨生產制造的技術專利持有方，就可以與反應堆制造企業形成穩定合作關系，以實驗室技術為基礎，開展規模化生產，把科研產品從實驗室帶到生產線，完成產業化工作。

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

對于產業生態而言，專利是資源聚合的紐帶。四代堆的商業化需要科研機構、企業、資本等多方協同，而專利是整合這些資源的紐帶。企業為獲取核心專利技術，會主動與科研院所合作；資本則更愿意流向專利布局完善的項目，因為專利意味著技術壁壘和市場獨占性。中國鈉冷快堆技術通過百余項專利構建起完整的技術體系，不僅吸引了上下游企業參與產業鏈建設，也為示范快堆的商業化融資提供了信心保障，推動整個四代堆產業從技術研發向實際應用穩步邁進。

此外，專利還是技術風險防控的防火墻。四代堆技術研發周期長、投入大，若核心技術未及時申請專利，可能面臨被競爭對手搶先布局的風險，導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中，同步推進專利申請，避免了在材料配方、制備工藝等關鍵環節被“卡脖子”，為后續技術產業化掃清了潛在障礙。

在四代堆的競爭中，專利不僅記錄著技術突破的軌跡，更塑造著未來能源的權力結構。隨著全球能源轉型加速，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”中占據先機。中國從專利追隨者到規則制定者的轉變，不僅彰顯了核能技術的進步，更預示著全球能源治理格局的重塑——在這場靜默的專利戰爭中，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：國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心）

（文章來源：《創意世界》2025年11月號）

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編校：苑寶平

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