基于专利信息的高放射性核废物处置领域技术发展趋势分析

高彦静,张元晶,刘新庄,秦 颖

(北京化工大学 图书馆,北京 100029)

核能作为一种清洁能源,其发展给人类带来了巨大的前景优势,而核能所产生的放射性废物在我们看不见的地方也给我们的生活带来了无尽的威胁,这对核能的良好发展造成致命的阻碍。放射性废物的主要来源是核燃料的生产、反应堆运行和乏燃料后处理等过程中产生的废物,以及军事和科研的核废物设施及物品。实际中占比最多的是乏燃料后处理中产生的废物[1]。根据我们的测算,预计至2025年,我国累计核废料将达到113 980立方米,其中年新增乏燃料超过2 000吨[2]。国际上对放射性废物的分类并没有统一的标准,习惯上对放射性废物的分类主要以放射性水平为依据,即:低放射性废物、中放射性废物、高放射性废物[3]。一般核废物中,低放射性废物占90%,但其放射性活度只有1%;中放射性废物占7%,而其放射性活度占4%;高放射性(简称高放)废物在核废物中只占3%,但其放射性活度可达到95%。因此，对高放射性核废物的处理是核工业发展日益需要关注的重要方向[4]。高放射性核废物的处置不可能像对待普通废物一样进行处置，已是核工业短板，该方面核心技术的匮乏大大制约了我国核工业持久稳固发展。

本文基于德温特数据库(Derwent Innovations Index，即：DII)，通过分析高放射性核废物处置领域相关的专利文献，梳理其研究发展趋势和热点方向，为未来的研究与实践工作提供信息参考。

1 数据来源与分析方法

本文分析数据来源于德温特数据库，该数据库是国际权威的专利检索库，收录了1963年以来14 800 000余项专利文献信息，以及被引和施引专利、被引文献和全文专利数据来源文献[5]。本研究利用检索式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*)进行检索，检索时间2018年12月1日，获取相关数据427条。

2 高放射性核废物技术专利分析

2.1 专利申请年度趋势

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

高放射性核废物研究专利申请年度趋势如图1所示。整体来看，全球高放射性核废物专利申请一直呈现缓慢波动上升的趋势。按照区域之间的专利申请状态，可以分成4个阶段。1973-1979年，全球高放射性核废物领域专利年申请数量均低于4件，主要以美国申请为主，日本在1978年申请了该领域的第1件专利。1980-1993年，全球高放射性核废物专利申请开始缓慢增长，虽然偶尔有几年专利数量突破了10件，但是整体的年均专利申请数量还是比较低；这段时间主要是以日本的研发机构申请为主，美国很长一段时间处于专利申请的空白期。1994-2004年，日本申请了105件专利，其技术研发达到了顶峰；美国也有专利的申请，但是这期间每年专利申请都不超过5件。2005至今，全球专利申请趋势并没有太大的变化，只是在不同的国家或地区之间发生着变化，美国开始加大专利申请力度，日本的专利申请逐步减少，中国也开始有零星的专利申请。

2.2 专利技术区域分布

全球有近20个国家或地区在高放射性核废物领域进行了专利申请，区域分布如图2所示。其中，主要技术申请国家或地区集中在日本、美国、韩国、中国和德国。日本在该领域申请专利247件，占全球专利总量的53.3%，位居全球第一位。其次是美国，它申请专利92件，占全球专利申请总量的19.9%。韩国申请专利31件，占全球专利申请总量的6.7%。中国和德国分别占比为5.6%和2.6%。排名前五的国家专利总量占到全部专利申请的88.1%。从专利技术的市场布局情况来看，全球机构比较热门的技术市场地区分别是日本、美国、世界知识产权组织、欧洲专利局和中国。其中，全球在日本的申请专利达到275件，占全球市场39.2%；在美国申请专利118件，占全球市场16.8%；在中国申请专利36件，占总量的5.1%；可以看出，高放射性核废物处理技术在这些地区聚集度比较高。

2.3 专利技术机构分析

全球高放射性核废物全球专利TOP 30申请机构见表1。主要来自日本(15家)、美国(5家)、韩国(3家)、澳大利亚(3家)、中国(3家)和英国(1家)。排在前5位的机构中，有4家来自日本，分别是石川岛播磨重工业株式会社、日立公司、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和东芝株式会社。其中石川岛播磨重工业株式会社在该领域申请专利71件，远高于其他机构，位居第一位；日立公司在该领域申请专利36件，排名第二；美国霍尔泰克国际公司(Holtec)在该领域申请专利31件，排名第三。

表1 高放射性核废物全球专利申请机构TOP30

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

从专利申请的持续时间来看,日本的大部分机构在上世纪80年代就已经开始在该领域进行专利申请,并且一直到近几年还有布局专利申请的情况。专利申请活跃度超过30年的机构有:日立公司(专利活跃时间为36年)、东芝株式会社(专利活跃时间为35年)、石川岛播磨重工业株式会社(专利活跃时间为32年)、日本原子能研究所(专利活跃时间为32年)、SHIMIZU CONSTR CO.LTD.(专利活跃时间为32年)、三菱重工业株式会社(专利活跃时间为31年)。

澳大利亚和英国的机构专利申请主要集中于上世纪80年代到2004年之间,近些年没有专利产出。韩国机构的专利申请从1997年开始,并持续到近些年。中国机构申请活动主要集中在近10年。

如图3,从专利技术的市场布局来看,由于TOP10机构大部分来自日本,因此大量的机构专利申请集中在日本本土。并且日本的部分机构仅在本国进行了专利申请保护,并未在其他地区有专利布局,如:石川岛播磨重工业株式会社(ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND.)、三菱重工业株式会社(MITSUBISHI JUKOGYO KK.)和SHIMIZU CONSTR CO.LTD.。

鹿岛建设株式会社(KAJIMA CORP.)、韩国原子能研究所(KOREA ATOMIC ENERGY RES.INST.)、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和日立公司(HITACHI LTD.)在全球部分地区进行了市场布局,但是并未在中国进行专利申请。

霍尔泰克国际公司(HOLTEC INT.INC.)、东芝株式会社(TOSHIBA KK.)和日本原子能研究所(JAPAN ATOMIC ENERGY RES.INST.)在全球主要市场地区进行了专利布局,国外专利申请数量基本均衡。

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

2.4 专利技术研究主题分析

使用国际专利分类号对高放射性核废物的全球专利的研究领域进行分析，该领域的专利主题分布见表2,主要集中在核工程中的处理放射性污染材料及其去污装置(G21F-009);可运输的或轻便的防护容器(G21F-005);用于反应堆的设备,如:在其压力容器中处理、装卸或简化装卸燃料或其他材料的设备(G21C-019);X射线、γ射线、微粒射线或粒子轰击的防护,处理放射性污染材料,及其去污染装置加防护的小室或房间(G21F-007)等领域以及涉及到核废物处理的炉内熔化;玻璃制造专用的熔窑(C03B-005)领域。

表2 高放射性核废物全球专利主题分布

子领域中专利申请聚集度较高的研究领域是放射污染材料的封装、打包(G21F-009/36),放射污染物在稳定的固态介质中凝固(G21F-009/16)以及处理过工程(G21F-009/30、G21F-009/06)和固体废物的处置(G21F-009/34)等。

2.5 高被引专利分析

对高放射性核废物的全球专利的高被引专利进行分析,具体信息如表3所示。

表3 高被引专利具体信息表

由表3可以看出，相关高放射性核废物领域的高被引专利中，大部分是美国专利，说明美国在该领域处于领先地位；单件专利的专利权人以合作者居多；主要关注高放射性核废物的玻璃固化、用于存储和运输的容器、涂覆于相关装置的涂层等方面。

2.6 热点专利

对高放射性核废物的相关专利的热点专利进行了分析，具体信息如表4所示。

由表4可以看出，相关高放射性核废物领域的热点专利中，中国拥有专利最多，占了一半，其次是美国、日本等国的专利数量，这说明近几年中国的核工业有了长足的发展，对核燃料产生的高放射性废物处置比较关注，研究领域比较前沿；专利权人中，中国和日本基本是高校，美国是公司；上述热点专利大部分关注用于回收高放射性核废物中有用元素的吸附剂、存储或检测装置、固化基材、地质处理等方面。

表4 热点专利具体信息表

2.7 高放射性核废物领域研究热点分析

通过技术功效分析，获取高放射性核废物处置领域重点研究的技术方案，从技术功效角度找到技术密集区和空白区。由表5可以看出，对于高放射性核废物的处置技术热点，主要集中在固化、分离、回收废料中有用元素的研究和存储、运输、转移相关装置研究，跟热点专利分析相符，也是目前国际上采用的几种主要处置手段。

表5 高放射性核废物处置领域技术功效分析(单位：件)

在固化、分离、回收废料中有用元素的研究领域里,玻璃固化研究关注最多，是目前世界各国对高放射性核废物进行固化处理的首选方式，其次为固化装置、固化基材制备研究，主要集中在安全性、浸出性、降低成本、减少辐射等方面。存储、运输、转移装置研究中，关注热点主要集中在减少二次污染、热传导性、安全性、耐腐蚀性、减少辐射、降低成本方面。分离和回收废料中有用元素方式中，主要采取沉淀、吸附、离子交换或氧化蒸发等方式，关注点在元素的选择性、降低成本和减少二次污染方面。

3 结论

(1)全球高放射性核废物专利申请呈现缓慢波动上升的趋势；美国和日本的专利申请时间和数量一直遥遥领先，长期占据着技术高地。

(2)日本、美国、中国是高放射性核废物专利技术的重要市场地区；专利申请数量TOP30机构中50%的机构来自日本，排名前5位的机构分别是：石川岛播磨重工业株式会社、日立公司、DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU和东芝株式会社。

(3)全球高放射性核废物领域的专利主题主要集中在：核工程中的处理放射性污染材料及其去污装置、可运输的或轻便的防护容器、用于反应堆(如：在其压力容器中处理、装卸或简化装卸燃料或其他材料)的设备；X射线、γ射线、微粒射线或粒子轰击的防护，处理放射性污染材料，及其去污染装置加防护的小室或房间等领域以及涉及到核废物处理的炉内熔化；玻璃制造专用的熔窑领域。

(4)全球高放射性核废物领域的高被引专利和热点专利较少，高被引专利主要关注高放射性核废物的玻璃固化、用于存储和运输的容器、涂覆于相关装置的涂层等方面研究，热点专利关注领域大部分是用于回收高放射性核废物中有用元素的吸附剂、检测装置、固化基材、存储系统、地质处理等研究。

(5)通过专利技术功效分析可知，高放射性核废物的处置技术主要集中在固化、分离、回收废料中有用元素的研究和存储、运输、转移相关装置的研究。玻璃固化处理为主要方式，关注热点主要集中在高放射性核废液处理安全性、浸出性、降低成本、减少辐射等方面。