2025年11月14日，中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所学术所长郁杰在深圳核博会先进核能论坛发表《液态金属微堆研发进展与挑战》主旨报告。
演讲围绕液态金属微堆的研发进展、应用潜力与技术挑战展开，认为其因高能量密度、长续航、机动部署等特点，适用于陆海空天及数据中心等特殊供能场景。报告指出，液态金属微堆已成为国际科技竞争和军民融合的重要方向，但仍面临多物理耦合、屏蔽、热工水力、燃料材料、设备可靠性、发电系统、无人操控、安全审评和数字化设计等一系列挑战。
关键点
1. 演讲嘉宾与主题介绍（00:00）
主持人介绍郁捷所长的学术背景和长期从事先进核能系统设计研发的经历，并说明本次报告主题为“液态金属微堆研发进展与挑战”。液态金属微堆因高功率密度和固有安全性，被视为未来分布式能源和特殊场景供电的重要方向。
2. 科学院与合肥物质院的核能研发基础（02:15）
演讲者首先回顾中国科学院在核能相关领域的主要工作，包括历史上参与重大核科技任务、建设相关学科和培养人才。目前科学院体系在先进微堆、熔盐堆、裂变和聚变等方向开展研究，合肥物质院则在先进核能系统和聚变堆方向具有重要布局，并建设了液态金属堆相关实验平台。
3. 核能发展路线与堆型共存判断（05:10）
演讲者指出，我国核能领域有“三步走”战略，当前主流仍是热堆，同时四代堆和聚变堆也在推进。他认为三代堆、四代堆和聚变堆在相当长时间内会并行或共存，各自具有不同优势和研发难度。
4. 液态金属微堆的定义与类型（06:25）
报告将重点放在液态金属微堆，尤其是铅堆、锂堆等方向。微堆的功率定义在不同机构中有所差异，通常可指约20兆瓦电及以下，美国能源部也将50兆瓦电以下纳入微堆范围；其冷却剂或传热方案包括铅铋介质、碱金属介质和碱金属热管等。
5. 微堆的优势与战略意义（08:14）
液态金属微堆具有高能量密度、较长续航能力和机动部署能力，在军民领域均有显著优势。演讲者认为，微堆集成核工程、先进材料、智能控制等尖端技术，是国家综合科技实力的体现；同时也指出我国在军民两用微堆方面与美国、俄罗斯仍存在差距。
6. 陆基场景与移动供能需求（11:35）
在陆基应用中，微堆可用于战场能源保障、高原及偏远地区供能等场景。演讲者以燃料补给带来的运输风险为例，说明移动式备用能源的价值，并提到水堆、钠堆、钾堆、铅堆等方案都在相关方向有所涉及。
7. 国际方案与空间核电源进展（12:53）
报告提到欧洲研究机构提出的铅堆方案已开展不少非核验证，并推进许可和建造工作；美国企业也提出钠热管堆方案并期望实现商业化。空间堆方面，美俄已有发射应用经验，中国仍处于关键技术研发阶段；对于长续航和较高功率空间任务，核反应堆电源被认为具有独特优势。
8. 水下与航空核动力应用潜力（14:39）
演讲者认为，液态金属微堆有望成为继水堆之后新一代水下动力堆型的重要研发方向。报告还引用俄罗斯“波塞冬”和“海燕”等公开信息，说明核动力水下装备、核动力巡航导弹和航空核动力方向受到关注，并认为液态金属堆在部分高机动、长续航场景中具有较大可能性。
9. 空间应用与深空探测前景（19:28）
空间场景包括太空推进、星表供电和天基装备等方向。演讲者认为，面向未来月球、火星等基地建设，大功率空间核电源可能形成更大应用需求，锂、钠钾等液态金属堆型可能成为重要趋势；美国Kilopower热管核电源已完成地面样机测试，但后续上天计划可能存在推迟。
10. 数据中心零碳供电需求（21:25）
报告指出，随着人工智能和数据中心扩张，亚马逊、谷歌、微软等企业也在关注微堆研发。其核心需求是为数据中心提供24小时不间断、零碳排放的能源，微堆因投资相对较少，可能迎来较大市场机遇。
11. 液态金属微堆的主要技术挑战（23:41）
液态金属微堆不是简单将大型堆缩小，而是面临紧凑化、长寿命、高运行参数和复杂服役环境带来的挑战。重点问题包括多物理场耦合分析与实验验证、屏蔽材料与一体化设计、复杂流道与旁流控制、燃料和包壳腐蚀、先进燃料成熟度、材料辐照资源不足、设备在高温强辐射环境下的可靠性等。
12. 发电系统、无人操控与安全审评难点（26:56）
发电系统方面，朗肯循环仍是目前较成熟的选择，超临界二氧化碳循环、斯特林循环和静态发电等方案距离大规模可靠应用仍需研发。无人操控技术在核环境中还需要大量验证，同时安全审评也需要适应新堆型和新应用场景。
13. 数字化技术对研发周期的影响（28:48）
演讲者认为数字化技术将推动液态金属微堆全生命周期的技术变革。若数字孪生、软件验证和数字化设计能力足够可靠，未来有望提升设计制造效率、降低风险和成本，并将反应堆研发周期从较长周期缩短到三到五年。
14. 研究基础与合作倡议（30:38）
报告最后介绍所在团队长期从事液态金属堆研发，承担中科院先导专项、国家重点研发计划和重大工程相关工作，并与相关单位保持合作。演讲者总结称，液态金属微堆是面向特殊应用场景的有益补充，也是我国需要抢占的关键战略领域，呼吁国内核电企业、高校和科研单位在燃料、物理、热工等技术挑战上共同攻关。
时间线
00:00 - 会议进入学术分享环节，主持人介绍郁捷所长的身份、研究背景以及报告主题，并概述液态金属微堆的基本价值和本次报告将涉及的内容。
01:46 - 演讲者正式开始报告，说明报告题目，并提示部分内容代表个人观点，随后转入中国科学院和合肥物质院在核能方向的研究基础介绍。
02:15 - 报告回顾科学院在核能相关重大任务、学科建设、人才培养和先进核能系统研究方面的积累，并介绍所在研究单元、团队规模和液态铅基堆实验装置集群。
05:10 - 演讲转向核能发展路线，讨论三代堆、四代堆和聚变堆的关系，并引出液态金属微堆作为四代堆代表方向之一的定位。
06:25 - 报告解释液态金属微堆的功率范围、冷却剂或传热介质类型，并梳理陆基、水下、空间和热管堆等国内外研发与应用线索。
08:14 - 演讲集中讨论微堆的高能量密度、长续航和机动部署优势，强调其在特殊场景、战略力量和军民融合中的意义，同时指出我国与美俄之间仍有差距。
11:35 - 报告按应用场景展开，先讨论陆基移动供能和战场能源保障，再介绍欧洲、美国等机构在铅堆、热管堆和空间堆方面的方案与进展。
14:39 - 演讲进一步分析水下和航空应用，包括水下核动力、核动力鱼雷、核动力巡航导弹和核动力飞行器等公开案例及其对液态金属微堆研发的启示。
19:28 - 报告进入空间应用部分，讨论太空推进、星表供电、未来火星基地等需求，并介绍美俄空间堆经验、中国关键技术研发阶段以及美国Kilopower项目。
21:25 - 演讲扩展到民用新需求，说明人工智能和数据中心对稳定零碳电力的需求正在推动科技企业关注微堆，微堆可能形成新的市场机会。
23:41 - 报告系统梳理液态金属微堆研发面临的挑战，从紧凑化设计、多物理耦合、屏蔽、热工水力、燃料、材料、设备可靠性等方面展开说明。
26:56 - 演讲继续讨论发电系统、静态与动态发电方案、无人操控、安全审评和新场景适应性，强调这些方向距离工程应用仍需大量验证。
28:48 - 报告提出数字化技术和数字孪生对微堆设计、制造、验证和全生命周期管理的潜在作用，并展望其可能缩短研发周期、降低成本和风险。
30:38 - 演讲回到所在团队的研发工作与合作基础，最后总结液态金属微堆是特殊场景的重要补充和关键战略方向，呼吁国内单位协同突破核心技术挑战。
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液态金属微堆研发提速，工程化应用仍需跨越多重技术关口
中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所学术所长郁捷围绕液态金属微堆研发进展、应用潜力与关键挑战作专题报告，系统介绍了该领域的技术基础、国际动态、典型应用场景以及未来攻关方向。郁捷长期从事先进核能系统设计与研发，是中国科学院特聘核心人才、中国科学技术大学教授、博士生导师，同时担任微小型反应堆技术安徽省重点实验室主任，并参与中科院战略先导科技专项和重大工程专项相关工作，具有多年大科学装置研发和建造经验。
中国科学院在我国核能科技发展中具有深厚积累，曾在“两弹一星”研制中投入大量科研力量，并推动相关学科体系建设和人才培养。当前，中科院在裂变与聚变两大方向持续布局，裂变领域包括先进微堆、熔盐堆、ADS等，聚变领域则涵盖托卡马克装置、EAST以及聚变堆相关研究。作为中科院大型综合性研究机构，合肥物质院近年来聚焦先进核能系统，重点发展四代堆、铅基堆和聚变堆等方向。核能安全技术研究所依托与中国科学技术大学的深度科教融合，已形成由固定职工、博士后和研究生组成的数百人研发队伍，并建设了液态金属反应堆相关实验装置集群，为微堆关键技术验证提供支撑。
所谓微堆，一般指电功率约20兆瓦及以下的反应堆，美国能源部也将50兆瓦以下电功率反应堆纳入微堆范畴。液态金属微堆主要包括铅基冷却微堆、碱金属冷却微堆以及碱金属热管微堆等类型。郁捷表示，从核能发展路线看，三代堆仍是当前主流能源技术，四代堆具备更长期的资源利用潜力，聚变堆则被视为未来终极能源方向，三代堆、四代堆和聚变堆将在较长时期内并行发展。液态金属微堆因功率密度高、结构紧凑、续航能力强、部署机动性好，在分布式能源和特殊场景供电中展现出独特价值。
在陆基应用方面，液态金属微堆可用于战场能源保障、高原地区和偏远地区供电，能够减少传统燃料补给带来的安全风险和后勤压力，也可作为特殊场景下的备用或移动能源系统。在水下与海洋应用方面，液态金属微堆被认为是新一代水下动力系统的重要候选方向，与传统压水堆相比，有望在紧凑性、机动性和隐蔽性方面取得提升。前苏联曾发展液态金属冷却核潜艇，俄罗斯新型水下装备也引发国际关注，显示出该技术在长续航、高机动水下平台中的战略意义。
在航空与空中动力应用中，液态金属微堆被认为可能支撑超远程或长续航航空平台。近年来，俄罗斯“海燕”核动力巡航导弹相关信息受到国际社会关注，使核动力航空应用再次成为讨论焦点。尽管核动力航空长期存在安全性、可控性和工程实现方面的争议，但随着材料、仿真、控制和小型化技术发展，相关研究重新受到重视。在空间应用方面，液态金属冷却堆和热管堆被认为是大功率空间核电源的重要方向，可服务于深空探测、星表供电、太空推进和天基装备等任务，尤其适合功率需求高、任务周期长、太阳能难以满足需求的应用场景。
除国防和航天等特殊场景外，液态金属微堆在民用能源领域也受到关注。随着人工智能快速发展，大型数据中心对稳定、零碳、全天候电力的需求持续增长，微堆有望为数据中心提供连续电力供应，未来可能形成大规模市场机遇。郁捷指出，微堆并非大型反应堆的简单缩小，而是需要面向特定场景重新开展系统设计，在紧凑结构、长寿命、高运行参数和复杂服役环境之间实现平衡。
从国际发展看，俄罗斯在水下核动力装备和核动力巡航导弹方面持续受到关注，体现出其对长续航、高机动特殊场景能源系统的重视。美国则推进微堆在军事基地、移动能源和空间能源中的应用，Kilopower热管堆已完成地面样机测试，部分企业也提出热管堆商业化设想。欧洲研究机构提出铅冷微堆设计方案，并已开展非核验证、许可和建造推进工作。相比之下，中国已在液态金属微堆、空间堆和热管堆方面开展基础研究，但整体仍处于关键技术突破和工程化验证阶段，在军民融合微堆方向与美国、俄罗斯仍存在差距。
液态金属微堆的研发面临一系列技术挑战。首先是堆型设计难度大，微堆内部件耦合更强，服役环境更复杂，需要兼顾高功率密度、长寿命和安全裕度。其次，多物理场耦合分析要求更高，必须开展高精度物理、热工、水力和结构耦合计算，并通过实验基准验证支撑安全审评。数值模拟与实验验证需要协同推进，单纯依赖计算或单一实验都难以满足工程化要求。
屏蔽设计也是微堆研发中的关键难点。由于微堆空间受限，传统屏蔽方案难以直接套用，高性能屏蔽材料仍存在短缺，需要开展堆芯与屏蔽一体化设计。热工水力方面，微堆流道结构更加复杂，主流与旁流分配对功率提升和安全运行影响显著，流量分配偏差可能带来局部过热等运行风险。燃料和包壳方面，传统二氧化铀燃料在深燃耗条件下存在裂变产物释放和包壳腐蚀问题，氮化铀等先进燃料在国内尚不成熟，亟需加强燃料制备、辐照和服役性能研究。
材料问题同样制约四代堆及液态金属微堆发展。高温、强辐射和液态金属腐蚀环境对结构材料提出严苛要求，而国内高通量辐照资源仍相对不足，需要更多研究堆和辐照实验平台提供支撑。设备与系统可靠性方面，紧凑化设计使关键设备长期承受高温、强辐射和复杂耦合环境，制造工艺、密封性能、寿命评估和运行可靠性都需经过长期试验积累。发电系统方面，当前较成熟的方案仍以朗肯循环为主，超临界二氧化碳布雷顿循环、斯特林循环等仍需进一步工程化，静态发电方案虽然结构简单、可靠性潜力较高，但效率偏低，规模化应用仍待突破。
随着微堆面向无人值守、偏远部署和特殊任务场景发展，无人操控与智能控制也成为重要挑战。相关技术必须在核环境中经过大量验证，并满足核安全规范和安全审评要求。智能控制不能只追求自动化程度，更要确保功能可靠性、故障可诊断性和运行安全性。与此同时，现有核安全审评体系主要面向传统堆型和固定核设施，未来需要适应新堆型、新场景和新应用模式，建立针对微堆部署、运输、运行、维护和退役的标准、规范与验证方法。
数字化技术正在成为推动微堆研发的重要工具。通过覆盖设计、制造、验证、运行和维护全过程的全生命周期数字化，可以提升反应堆研发效率并降低工程风险。数字孪生和高可信仿真技术的目标，是将工程经验、实验数据和理论模型深度融合，形成更可靠的数字化堆设计能力。郁捷认为，当前反应堆研发周期往往需要多年甚至十年以上，未来数字化技术有望将部分堆型设计周期缩短至三到五年，但数字化不能完全替代实体试验，仍需长期验证积累作为基础。
目前，相关研究团队已承担中科院战略先导专项、国家重点研发计划和重大工程任务，长期开展液态金属堆相关研发，并建立了物理实验、核相关实验、非核实验和热工水力实验平台，为液态金属微堆关键技术验证奠定基础。未来，该领域仍需高校、科研院所、核电企业和产业链单位共同参与，在燃料、物理、热工、材料、设备、控制和安全审评等方面开展联合攻关，加快从基础研究向工程样机和应用验证迈进。
液态金属微堆主要面向特殊应用场景，是对现有堆型体系的重要补充，也是在陆、海、空、天及关键战略能源供应中具有广阔潜力的前沿方向。随着国际竞争日趋激烈，我国需要在核心燃料材料、热工水力、屏蔽设计、智能控制、系统可靠性和安全标准体系等方面持续突破，推动自主研发和工程化验证能力提升。
