详情
本书根据清华大学探臻科技评论社2024年发布的“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单内容编写而成，全面解读了十大变革科技的发展历程和科技内涵，展望了相关领域未来科技发展趋势，旨在传播青年科技观点，促进交叉学科创新，服务高水平科技自立自强，聚焦新质生产力。全书分为上、下两篇，涵盖了超材料与超表面技术、高温气冷堆第四代核电技术、跨物种器官移植技术、量子芯片技术等多个领域，力图为青年学者、科技工作者、行业领军人才提供一流科技资讯。
书名：下一代创新科技（第3辑）
ISBN：978-7-115-68583-4
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
您购买的人民邮电出版社电子书仅供您个人使用，未经授权，不得以任何方式复制和传播本书内容。
我们愿意相信读者具有这样的良知和觉悟，与我们共同保护知识产权。
如果购买者有侵权行为，我们可能对该用户实施包括但不限于关闭该帐号等维权措施，并可能追究法律责任。
编 著 清华大学探臻科技评论社
责任编辑 林舒媛
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
本书根据清华大学探臻科技评论社2024年发布的“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单内容编写而成，全面解读了十大变革科技的发展历程和科技内涵，展望了相关领域未来科技发展趋势，旨在传播青年科技观点，促进交叉学科创新，服务高水平科技自立自强，聚焦新质生产力。全书分为上、下两篇，涵盖了超材料与超表面技术、高温气冷堆第四代核电技术、跨物种器官移植技术、量子芯片技术等多个领域，力图为青年学者、科技工作者、行业领军人才提供一流科技资讯。
主任委员
梁君健 兰 旻 李沛雨
副主任委员
胡明远 姜 鹤
执行主编
程泽堃 陈 越 田博文 刘 宇 赵颢程 李韶仪 徐钰翔 刘 钰
编委（按姓氏笔画排序）
王玉梁 王宏庆 石宇洋 冯 晨 向品丞 余心丫 张梦秋 陈存凤
郑心怡 赵长骁 顾轩宇 黄可韵 潘 阳
特别鸣谢
曹炳阳
扫码了解探臻▲
2022年，清华大学探臻科技评论社发布“清华青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单，并在之后发展成为“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单。该榜单聚焦世界科技前沿、国家重大战略需求，关注推动时代进步并引领相关行业科技变革的科技热点，由清华大学的专家学者进行评价和解读。同时，为系统呈现榜单成果，清华大学探臻科技评论社将评选出的内容编写成书，取名为《下一代创新科技》系列，并为此专门成立了编委会，负责此书具体内容的组织和编写工作。
《下一代创新科技》系列旨在为读者搭建一个全面展示重点领域科技进展的平台。通过呈现最新研究成果，预测未来发展趋势，以此激发读者的创新思维，引导读者持续深入关注我国科技发展。为助力科技创新生态建设，清华大学探臻科技评论社计划以年为周期，围绕当年新发布的榜单内容，推出《下一代创新科技》续辑。
本书是《下一代创新科技》系列的第3辑，聚焦2024年度“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单成果。
本系列出版物严格遵循下列组织和编写原则：
（1）2022年底，清华大学探臻科技评论社发布“清华青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单，并在此基础上，自2023年起每年发布本年度“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单。该榜单聚焦世界科技前沿、国家重大战略需求，关注推动时代进步并引领相关行业科技变革的科技热点。
（2）由清华大学探臻科技评论社成立的编委会负责具体内容的编写工作，组织专家学者对榜单内容进行解读。
（3）由全国优秀出版社编辑出版成书，并以《下一代创新科技》为书名连续出版续辑。
清华大学探臻科技评论社
2025年11月
习近平总书记指出：“创新是引领发展的第一动力。”今年暑假我回到老家农村待了几天，强烈地触发了我对这一论述的感受。
相较于十年之前的农村，牛马拉车犁地的场景已经没有了，实现了使用拖拉机、三轮车的完全机械化作业，人力播种收割器械也见不到了，取而代之的是大型联合播收装备。以前传递信息靠传话、写信，现在都已经普及手机和互联网了。走在乡间的路上，还是一望无际绿油油的田野，鸟语花香，但多了一些几乎家家都有的小汽车，它们贴身驶过，偶尔还能看到喷洒农药的无人机在空中飞过。人们不时感叹，十年之前完全想象不到现在能过上这种“高科技”生活，当然，也很难想象十年之后“更高科技”的生活会是什么样子。这些都是科技创新带来的翻天覆地的发展和变化。
从以使用机器为标志的第一次科技革命、以使用电力为标志的第二次科技革命、以使用信息为标志的第三次科技革命，到现在以使用人工智能为标志的第四次科技革命，每一次科技革命都在几十到上百年的时间里使人类社会和人们生活产生巨变。笔者作为一名大学老师和科技工作者，周围的环境和科技的变化可以用日新月异来形容。若以年为单位，每年都有新材料、新能源、新飞行器、新芯片、新机器人、新医学、新人工智能等技术步入我们的生活，这些科技创新正在潜移默化且深刻地改变着我们的未来。关注、研究并投身这些变革性科技的发展，正是探臻科技评论社《下一代创新科技》专辑和当代青年们应担负的使命。
“创新是引领发展的第一动力”这一观点，还反映在刚刚揭晓的2025年诺贝尔经济学奖上，乔尔·莫基尔、菲利普·阿吉翁和彼得·豪伊特三位经济学家共同荣获这一荣誉，以表彰他们“对创新驱动经济增长理论的阐释”。他们指出创新本质上是“创造性破坏”过程—新技术、新产品、新市场、新商业模式在创造新价值的同时，也会淘汰旧技术、旧产品、旧市场和旧商业模式。在科技创新日新月异的当下，科技变革的风潮席卷而来，从人工智能到脑机接口，从量子计算到可持续能源，从低空技术到深空探测，这些新理念和新科技如同璀璨的星辰，引领着人类社会不断前进。
目前，距离地球最远的探测器旅行者号（美国1977年发射）已经飞离地球约250亿千米，继续向太阳系的边缘行进，神秘的银河系乃至宇宙还在更遥远的前方。人类离开地球进行活动，常驻空间站距离地球约400千米，将来常驻月球后和地球平均距离约为40万千米，未来登陆火星后和地球平均距离约为2亿千米，尽管科技创新一直在不断拓展着人类的生存空间，但相较于浩瀚的宇宙，人类的活动范围仍然显得那么渺小。
人类的空间探索和科技发展才刚刚开始，希望广大青年融入人类科技创新的宏伟蓝图中来，为加快实现我国高水平科技自立自强而不断努力奋斗。
曹炳阳
清华大学航天航空学院教授、院长
2025年11月
在人类文明的漫长进程中，科技始终是驱动时代变革的核心引擎。追溯过往，从蒸汽机轰鸣揭开工业序幕，到电力普及重塑社会形态，再到信息技术飞跃颠覆认知模式—每一次科技革命都如点亮夜空的星辰，不仅照亮征途，更指引我们突破时空局限，踏入全新的历史纪元。
翻开本辑，我们将携手走入又一个技术爆发、认知重塑的非凡周期。我们脚下的科技浪潮裹挟着更澎湃的能量奔涌向前—未来从未停下脚步，而是加速奔向更广阔的可能性范围。我们深感荣幸，能再次作为科技前沿探索的记录者与解读者，为您呈现这一幅创新图景。
如果说上一辑描绘的是“未来已来”的震撼图景，那么本辑则试图梳理“未来如何重塑当下”的深刻脉络。技术的迭代不再局限于实验室的围墙之内，而是以前所未有的穿透力，改写产业逻辑、重构社会脉络，甚至挑战人类对自身存在价值的理解。在这股洪流中，我们尤为关注那些已跨越临界点、从概念走向实践、真正开始“创造价值”与“定义规则”的技术力量。
超材料与超表面技术操控电磁波，催生隐身与超分辨成像；高温气冷堆第四代核电技术兼具安全与高效，创新能源格局；跨物种器官移植借助基因编辑，开辟异种供体新来源；超导量子芯片革新信息处理，实现算力的指数级提升；零碳智慧能源系统协同“源网荷储”，驱动电力动态平衡；全固态电池突破安全与密度瓶颈，引领能源存储革命；AI赋能教育，打造个性化超级助教；下一代互联网源地址验证体系，筑牢网络可信基座；新概念飞行器突破空天边界，实现跨介质机动；移动混联加工机器人融合移动与精密作业，变革大型现场制造……技术集群正从多点突破走向融合创新，勾勒出未来科技图景。
在礼赞突破的同时，我们亦以敏锐的目光审视洪流下的暗礁。须知，创新不仅是技术的狂飙，更是对人类智慧、制度韧性与文明良知的终极考验。但我们也有理由相信，在年轻一代的共同努力下，我们一定能够找到应对这些考验的科学答案和技术方案。
《下一代创新科技》第3辑不仅是对浪潮之巅的速写，更是对变革本质的深度追问。我们努力在纷繁的技术图景中梳理脉络，在喧嚣的舆论中回归理性，在无限可能的诱惑中坚守人文关怀。
本辑是对年轻一代创新灵魂的深情召唤，我们期待它激荡起不息的创造波澜，为读者在科研疆域播撒收获的种子。我们更冀望，本辑所汇集的前沿思想，能成为加速下一代创新科技蓬勃发展的助力，点燃年轻心灵中沉睡的创新激情与创造渴望，驱动国家与社会驶向充满无限可能的
明天。
编者
2025年11月
超材料的概念最早在1968年由苏联理论物理学家Veselago提出，如果有某种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电磁波在该材料中传播时的电场矢量、磁场矢量以及波矢量之间的关系将不再遵循经典电磁学中的“右手定则”，而呈现出与之相反的“左手关系”，这时材料中电磁波的波动方向和能量传播方向相反，并表现出一系列有违常理的行为，例如光的负折射、反常多普勒效应、倏逝波放大、完美透镜效应，以及反常切连科夫辐射等。由于当时实验条件的限制，这一理论并未得到广泛重视。
20世纪90年代后期，英国帝国理工学院的John Pendry爵士提出用周期排列的细金属线和开口谐振环（Split-Ring Resonator，SRR）结构在微波波段分别实现等效负介电常数和负磁导率的构想。2000年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Rodger Walser教授团队在美国物理学会春季年会上正式提出超材料的概念，即一种通过人工构造周期结构来实现电磁谐振激发的、非天然存在的宏观三维复合材料。之后，超材料的理念被推广至声学、力学和热学等其他学科，用以实现其他反常物理特性，例如力学中的负刚度、声学中的负模量、热学中的负膨胀等。香港科技大学沈平教授团队在2000年首次提出了声学超材料的概念，并基于局域共振的原理设计实现了晶格常数比波长小两个数量级的声子晶体，表现出传统材料所不具备的等效负弹性常数。
2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的David Smith教授团队基于John Pendry爵士的构想，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而制备了左手材料。这一突破常规物理认知的材料立即引起了物理学界与工程界的极大关注和广泛讨论。
2006年，Pendry爵士和Leonhardt几乎同时提出了用于自由控制波传播的变换光学理论。变换光学通过引入突变相位的概念，成功地解释了在非均匀界面或超构表面等特定情况下，光或其他电磁波的异常折射和反射现象。这一理论迅速得到了学术界的广泛关注，大量的基于超材料的隐身研究正是以此为基础的。同年11月，美国杜克大学Smith教授团队利用新型人工电磁材料，在微波波段成功研制出圆柱形的隐身大衣原型，该成果发表在Science杂志上，并被Science杂志评为2006年的十大科技进展之一。
2007年，美国普林斯顿大学的Liang教授团队提出并演示了具有负弹性模量的超材料，展示了这些材料如何以非常规的方式响应外力，如在受到拉伸时变短，或在压缩时变长。这成为力学超材料领域的一个里程碑。力学超材料亦称机械超材料，是由声学超材料衍生出的超材料新分支，可具备如超刚性、拉伸性、负热膨胀和负压缩性等的良好力学性能。
2008年，复旦大学黄吉平教授团队首次利用变换热学理论，设计出一类热超构材料，从理论上预言了热隐身等新奇的热学性质，为人工控制热流提供了一条全新的道路。热学超材料通过人工结构设计来实现热导系数按需分布，进而推动新奇热学现象的实现和热学器件的研发。
美国哈佛大学Capasso教授团队提出了广义斯涅耳定律：“具有空间变化的相位相应和亚波长分离的光学谐振器的二维阵列可以在传播光穿过两种介质之间的界面时，将这种相位不连续刻画在传播光上”。也就是说：可以通过改变二维超材料的特性，来控制反射/折射光的传播特性。基于该定律，他们利用不同形状的V型天线的周期性排列得到了可以异常透射的超表面（metasurface）。超表面是一种由不同几何形貌的纳米金属结构分布所构成的极薄超材料，超表面在平面透镜、全息光学、自动驾驶、遥感、超高分辨率成像、光束产生、偏振器件等领域具有广阔应用前景。
2013年，德国卡尔斯鲁尔工业大学Wegner教授团队率先报道了热隐身斗篷的实验工作；新加坡南洋理工大学张柏乐教授团队在实验上实现了三维球形热隐身斗篷；沙特阿卜杜拉国王科技大学Farhat教授团队基于散射抵消原理设计出了一种热隐形披风，通过热学超表面结构设计，可抑制隐身区域散射，进而实现隐身效果；新加坡国立大学李保文和仇成伟教授团队进一步实现了具有热幻象或热伪装功能的隐身斗篷，西班牙瓦伦西亚理工大学García-Meca教授团队提出了一种“空间-时间”转化的热力学理论，并设计实现了一款热隐身区域半径随时间变化的热隐身斗篷。
2015年，美国纽约州立大学布法罗分校Litchinitser教授团队设计并研制出了一种可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜—超材料超透镜，可将光学内视镜的成像分辨率从10 000 nm提高至250 nm或更高。超材料超透镜能够在自然环境中对病毒、DNA分子、细胞以及各种材料的显微结构等进行直接观察。
2016年，哈佛大学教授Capasso团队在Science上发表了超透镜（metalens）相关技术的研究成果，展示了一款以二氧化钛纳米纤维为材料开发的超透镜，其厚度只有600nm，是一般玻璃镜头厚度的十万分之一。
超材料与常规材料的融合概念最早于2017年由清华大学材料学院周济院士提出。周济院士指出，常规材料源于自然，易于获得，但难以设计和剪裁；超材料则刚好相反，易于设计和剪裁，但不容易获得。利用研制超材料的方法构筑具有优异性能的“人工常规材料”，有望借助已有的工业技术系统，将超材料迅速推向工程化。
光学超表面技术主要使用超表面的设计方法来替代传统的光学设计，或者来实现传统光学设计无法实现的一些新功能。2018年，加拿大多伦多大学的科学家们成功研制出一种金属-绝缘体多层超透镜，能够在可见光范围内实现超分辨率成像，其分辨率为传统光学显微镜的1/10。同年，瑞士联邦理工学院Tittl等人开发了基于超表面纳米光子的中红外成像技术（imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces），用于物质的化学鉴定和成分分析，实现了对生物、聚合物以及杀虫剂分子的精准检测，这预示着该二维超表面材料在生物传感和环境监测等方面的应用潜力。
2020年，哈佛生物启发工程研究所Aizenberg教授团队开发了一种三维网格结构的超材料，它能够在遭遇冲击时迅速吸收能量，减少冲击对结构的损害。这些材料在冲击保护、抗震设计等方面有重要应用。
2022年，加州大学伯克利分校的研究团队开发了一种创新型声学隐形超材料，它能够通过特殊设计改变声波的传播方向，实现对声波的完全控制，甚至在声波隐形上取得突破。
2023年，西安交通大学的贾建嘉教授团队提出了一种集成感应单元的自适应超表面，能够根据外部电磁波信号自动调整其结构和功能，展示了比传统超表面更为灵活和动态的特性。
电磁学和光学构成了现代信息社会的科学基石，是塑造现代文明的科技力量。电磁与光学器件广泛应用于人类生产生活的各个领域。随着物理学与材料学的发展，研究者们开始通过设计亚波长结构来探索对电磁波和光波的精细操控。这一过程催生了超材料与超表面技术，这种技术让人们可以利用科学工具塑造人工等效材料，从而超越天然材料的自然极限。例如，利用超材料制造的“超透镜”（superlens）能够实现超越衍射极限的成像。
超材料问世以来，其概念已经远远超越了电磁学的领域，逐步扩展到声学、机械学、热学和量子科学等多个领域。凭借独特的物理特性，超材料正在推动智能感知、信息通信、医疗健康、新能源、国防安全等领域出现突破性进展，在研究中展现出广阔的应用前景。
超材料（metamaterial）这一术语最早出现在Walser于2001年出版的论文“Electromagnetic Metamaterials”中[1]。该词的前缀“meta-”源自希腊语，意为“超越”，表明超材料具有天然材料无法具备的独特电磁特性。此概念一经提出，就受到美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）等机构的高度关注。
与传统材料的性质主要由其化学成分决定不同，超材料的特性源自其微结构。这些微结构的尺度通常小于工作波长，并且呈现出周期性的排列。正是这些亚波长尺度的结构与电磁波的相互作用，使得超材料能够展现出超越常规材料的功能和性能。超表面是一种特殊的二维超材料，其通过周期性或非周期性排列的亚波长结构实现波前调控功能，在降低制造过程复杂性的同时，保持了卓越的电磁性能。
创造自然界中不存在的负折射率材料启发了科学家们对超材料的探索。折射率（n）、介电常数（ε）和磁导率（μ）描述了材料对电磁波的响应特性，根据这三项参数的正负取值，材料可大致分为4类（见图1-1）。自然界中已知的天然材料对应第一、第二和第四象限，而第三象限（即介电常数和磁导率同时为负值，表现为负折射率）以及横纵坐标轴上（介电常数或磁导率为0，表现为零折射率）则对应没有已知的材料。通过在亚波长尺度上将金属材料和介质材料按特定方式排列，科学家们能够调节材料的等效介电常数和磁导率，从而使得材料具有负折射率等非常规电磁特性。随着科学家们对这些材料的电磁特性的理解逐渐深化，超材料也基于电磁波的精细调控技术不断发展，应用前景愈加广阔。
图1-1 根据折射率、介电常数和磁导率划分的材料（图源：本节作者）
超材料的发展历程如图1-2所示。1968年，Veselago首次在理论上提出了左手材料的概念，左手材料的特征是同时拥有负的介电常数和负的磁导率，具有负折射率与逆多普勒效应[2]。此后，一直到1996年和1999年，Pendry等人才设计出了能够实现负介电常数的金属线阵列和负磁导率的开口环结构[3,4]。2001年，Smith及其团队通过将周期性排列的金属线阵列与金属开口谐振环结合，成功制造出了世界上首块同时具备负介电常数和负磁导率的左手材料。他们还通过棱镜实验，验证了该材料的负折射率特性，从此拉开了超材料研究的序幕[5]。
随着研究的深入，超材料的应用范围迅速拓展。科学家们不仅关注负折射率的实现，还着眼于更为复杂的电磁波调控技术。他们发现，通过精确设计超构元的形状、尺寸以及排列方式，超材料能够精细地操控电磁波的传播，甚至实现复杂的波前控制，进而具备电磁/光学隐身、完美吸收、近零折射率等独特功能。
近年来，超材料进入了智能化的新时代。新一代超材料不仅在结构设计上实现了前所未有的灵活性，还具有动态响应与自适应能力，并在实际应用中具备了更高的功能性。例如，可重构超材料能够根据外界环境变化自动调节电磁性能，在通信、传感和成像等领域展现出巨大的应用潜力；非互易超材料通过特殊的结构设计和对称破缺，实现了电磁波的单向传输或非互易传输，这一特性可用于在通信系统中有效地减少信号干扰，提升信号的传输质量。超材料与超表面技术正在引领智能表面和新型器件向更高效、更集成的方向发展，极大地推动了通信、传感、医学成像以及量子计算等高科技领域的应用进步。
图1-2 超材料的发展历程（图源：Science[5-7]）
除了用于电磁场调控的电磁超材料，超材料的概念也逐渐扩展到其他具有波动现象的领域。声学超材料已经成为调控声波和弹性波的一个重要方向，被广泛应用于工程领域中的振动和噪声控制。这类声学超材料具有“双负”声学参数特性，即等效质量密度和等效体积模量均为负值，能够显著改变声波的传播特性，甚至实现声波的“隐形”效应。例如，在建筑和航空航天行业，声学超材料已被用于设计高效的隔音材料和噪声屏蔽器件，以有效降低交通噪声和机械振动对环境的影响。
超材料的研究不局限于对动态波动特性的调控，还拓展至对静态弹性力学性能的优化，这催生了机械超材料概念的诞生。这类超材料能通过微架构的设计与加工，精确调节弹性模量、泊松比、刚度和强度等力学参数，从而产生优异的力学性能。例如，设计得到的具有负泊松比的机械超材料，能够在受到拉伸时出现横向膨胀，而非传统材料那样出现收缩。这一特性已广泛应用于卫星可折叠天线与太阳能电池板、柔性电子、可穿戴设备及智能机器人等领域。
可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）是一种新型超表面技术，能够根据外部的电、热或光等刺激，动态调节自身电磁特性，从而精确控制电磁波的传播方向。RIS的这种灵活调控能力使其在增强信号覆盖能力、提升数据传输速率、支持边缘计算等领域具有巨大潜力。与传统通信设备相比，RIS不仅体积小、成本低、易于部署，还能显著降低功耗，并避免引入额外的热噪声，这些在下一代无线通信技术中尤为重要。
通过结合梯度超表面设计和微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）技术，RIS在波束赋形、动态重构和高分辨率波束扫描方面表现出色。这些技术的结合不仅提升了电磁波调控效率，而且增强了信号调制的对比度。RIS的多波束赋形和高分辨率扫描能力，使其在未来超高速通信网络等领域具有巨大的应用潜力[8]。
传统光学元件依赖材料厚度变化来实现光的相位的调节，导致其难以实现轻薄化和小型化。由超表面制成的新一代光学元件—超构透镜（metalens），则通过精确设计微单元的形状和排列，实现了在亚波长尺度上精细控制光的相位、振幅和偏振。这种设计不仅简化了系统构造，还大幅减轻了光学设备的重量。2016年，哈佛大学的Capasso团队提出了由二氧化钛纳米柱组成的超构透镜，其聚焦能力和效率已接近传统商业透镜的水平[9]。
尽管超构透镜技术表现出色，但它仍存在色散和像差的问题。为了解决这些问题，研究人员提出了多层超材料级联结构设计，通过增加设计自由度，拓展了超构透镜的消色差带宽。同时，通过精确调控超表面间的微小平动，可在不改变结构的前提下实现动态光束赋形，支持低发散角、大视场范围的光束扫描[10]。这些创新使超构透镜在激光雷达、全息成像、光通信等领域具有广阔的应用前景。
随着元宇宙和数字全息技术的快速发展，基于液晶的传统空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）逐渐面临性能瓶颈。尽管液晶SLM应用广泛，但由于其无法同时调节振幅和相位，且像素尺寸受限（通常不小于2μm），因此已经难以满足日益增长的电磁波精确调控需求。与之相比，可调超材料凭借其极强的光与物质相互作用、极大的设计自由度以及紧凑的体积，成为一种具有前景的电磁波调控方案，尤其在超高空间带宽和频率调制领域表现出色。
2021年，三星电子通过创新设计，采用金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）3层结构，并基于氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）材料，成功实现了近红外波段的双自由度可调超表面[11]。这一突破性技术可以帮助超表面精确控制光的振幅和相位，在激光雷达等方面具有重要应用前景。此后，基于锗锑碲合金等相变材料的可逆电调控超材料被不断提出，为下一代SLM的开发奠定了基础[12,13]。相变材料的独特特性使得它们能够在纳秒级别内切换状态，实现快速、精确的光调制；使得它们在高分辨率显示、增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）设备以及微型投影仪等领域展现出了巨大的应用潜力，如图1-3所示。
图1-3 （a）RIS通过调节芯片间气隙控制波束传播，用于覆盖通信盲区（图源：Research[8]）；
（b）级联超表面实现动态可调波束赋形（图源：Advanced Science[10]）；
（c）有源超表面通过调节顶部和底部电压控制光束方向，用于基于空间光调制的激光雷达（图源：Nature Nanotechnology[11]）
生化传感技术旨在实时、高灵敏度地检测各种生物和化学物质，广泛应用于医疗诊断和环境监测。由于超材料的共振频率和幅值与周围待测物质的介电性质紧密相关，因此共振峰的位移能够精准反映物质浓度和性质的变化。此外，超材料的特殊共振特性能够显著增强周围电磁场的强度，从而提升传感器的响应灵敏度。将超材料与微流控芯片结合并设计共振模式耦合适配，研究人员能够通过频率和幅值的偏移重构待测物质的介电常数谱。此方法在溶液葡萄糖的微量检测中已显示出可行性，可以实现对痕量级目标分子的高灵敏检测[14]。
除了基于物质介电常数的传感方式，超表面技术也为光谱分析带来了革命性的突破。利用超表面可以实现对入射光的频谱调制，结合计算光谱重建和空分复用原理，可以实现微型光谱仪并大幅提升光谱成像的空间分辨率，实现超高分辨率的超光谱成像。例如，集成超表面的光学探测器实现了活体大鼠脑部血红蛋白的实时特征光谱成像，为生物医学研究和先进医疗器械拓展了新的传感维度[15]。
医学成像技术利用波（如超声波、X射线、射频波等）获取人体组织或器官的信息，因此波的整形和增强对于提高成像质量至关重要。超材料的出现为医学成像，特别是磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术的发展，提供了新的解决方案。
具体来说，超材料在MRI中能够显著增强近场磁场，从而提升成像信号的强度，实现射频线圈性能和信号传输的优化。例如，研究发现将超材料集成到MRI的表面线圈阵列中，可以使信噪比提升3倍[16]，如图1-4所示。这一提升支持了更高分辨率的成像和更快速的成像过程，尤其对临床诊断中的精细结构观察和动态过程监测至关重要。
图1-4 （a）基于介电常数反演原理的传感检测超材料（图源：ACS Applied Materials and Interfaces[14]）；
（b）用于MRI信噪比提升的超材料（图源：Nature Communications[16]）
此外，超材料在MRI中的应用还包括改善射频磁场的均匀性，这在大视场和高场强MRI成像中至关重要。高场强MRI通常会受到射频磁场不均匀性的影响，导致图像质量下降，尤其是在腹部和深部组织成像时，容易出现暗区或图像扭曲。为解决这一问题，研究人员提出了采用轻便且结构紧凑的超材料，替代传统意义上笨重且昂贵的介电垫[17]。超材料技术可以在不增加硬件成本的情况下，提升成像的一致性和精确度，为医生提供更加可靠的影像数据。
综上所述，超材料与超表面技术赋予了人类编辑材料基本物理特性的能力，是新质生产力的典型代表，并且正以前所未有的速度推动科学与技术的进步。超材料与超表面打破了传统物理定律在应用中的局限性，极大地提升了各类器件与系统的性能，深刻影响着信息通信、医疗健康、能源环保、国防安全等多技术领域的发展，不仅改变了我们对物质世界的理解，也为未来智能化、可持续社会的建设提供了全新的解决方案。
展望未来，超材料与超表面技术将在全球科技创新中扮演越来越关键的角色，成为推动新兴技术应用的核心力量。其未来发展的可能方向包括以下3点。一是与人工智能（Artificial Intelligence，AI）、机器学习融合：通过深度学习和数据驱动的分析，超材料的设计周期将得以大幅缩短，性能预测准确性将提升；机器学习还将推动反向设计，使超材料结构能够根据特定需求自动生成，提升设计效率和创新性。二是跨尺度制造技术：随着增材制造、纳米压印和激光加工技术的进步，超材料结构可以在微观到宏观尺度间实现精准控制，这不仅提升了超材料的性能，还降低了制造成本和复杂性，将推动超材料在大规模生产和定制化应用中的普及。三是多功能集成器件与智能微系统：未来的超材料将不再局限于单一功能，而是集成多种电磁波调控能力，并与传感器、执行器、量子器件和智能控制系统融合，形成智能微系统，这些系统具有小型化、智能响应和高效能的特点，将为可穿戴设备、智能医疗、物联网和智慧城市等领域提供功能更强大的核心器件支撑。
赵晓光 崔子健 李冰白 王夏禹 谢荣博 张驰 
[1] WALSER R M. Electromagnetic metamaterials[C]//Lakhtakia A, Weiglhofer W S, Hodgkinson I J. International symposium on optical science and technology. San Diego, CA, USA, 2001: 1.
[2] VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1968, 10(4): 509-514.
[3] PENDRY J B, HOLDEN A J, STEWART W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J]. Physical Review Letters, 1996, 76(25): 4773-4776.
[4] PENDRY J B, HOLDEN A J, ROBBINS D J, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11): 2075-2084.
[5] SHELBY R A, SMITH D R, SCHULTZ S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science, 2001, 292(5514): 77-79.
[6] SCHURIG D, MOCK J J, JUSTICE B J, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies[J]. Science, 2006, 314(5801): 977-980.
[7] YU N, GENEVET P, KATS M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: Generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054): 333-337.
[8] SUN Z, LIANG C, CHEN C, et al. High-efficiency dynamic terahertz deflector utilizing a mechanically tunable metasurface[J]. Research, 2023, 6: 0274.
[9] KHORASANINEJAD M, CHEN W T, DEVLIN R C, et al. Metalenses at visible wavelengths: diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging[J]. Science, 2016, 352(6290): 1190-1194.
[10] ZHANG L, ZHANG L, XIE R, et al. Highly tunable cascaded metasurfaces for continuous two-dimensional beam steering[J]. Advanced Science, 2023, 10(24): 2300542.
[11] PARK J, JEONG B G, KIM S I, et al. All-solid-state spatial light modulator with independent phase and amplitude control for three-dimensional lidar applications[J]. Nature Nanotechnology, 2021, 16(1): 69-76.
[12] ZHANG Y, FOWLER C, LIANG J, et al. Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-Loss optical phase-change material[J]. Nature Nanotechnology, 2021, 16(6): 661-666.
[13] XIE R, ZHANG L, YOU Z, et al. Design of metasurfaces with decoupled amplitude and phase response for spatial light modulation[J]. Optics Letters, 2023, 48(1): 117-120.
[14] CUI Z, WANG Y, SUN G, et al. Coupling-based multiple bound states in the continuum and grating-assisted permittivity retrieval in the terahertz metasurface[J]. ACS Applied Materials and Interfaces, 2024, 16(6): 7631-7639.
[15] XIONG J, CAI X, CUI K, et al. Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces[J]. Optica, 2022, 9(5): 461-468.
[16] LI B, XIE R, SUN Z, et al. Nonlinear metamaterials enhanced surface coil array for parallel magnetic resonance imaging[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 7949.
[17] VOROBYEV V, SHCHELOKOVA A, EFIMTCEV A, et al. Improving B1+homogeneity in abdominal imaging at 3 T with light, flexible, and compact metasurface[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2022, 87(1): 496-508.
1959年，位于英国多塞特郡温弗里思的Dragon高温气冷堆开始建设，1962年竣工。1965年，该堆首次达临界状态，1976年关闭。这是一座实验性高温气冷堆，是欧洲高温反应堆计划中用于测试燃料和材料的项目，也是经济合作与发展组织/核能机构的国际项目。它使用氦气作为冷却剂，氦气的核截面小，具有较高的中子经济性，并且其化学惰性使得它在高温下运行也不会腐蚀反应堆材料。在断电情况下，氦气的自然对流还可提供紧急冷却。该反应堆以石墨作为中子慢化剂。燃料被制成微小的球形颗粒，然后用陶瓷涂层包裹。这些燃料颗粒与石墨混合并压制成各种形状和大小的块状。只有当这些块状燃料在中子反射器内以特定构型放置在一起时，才可能达到临界状态。此外，该设计允许在备用区域存放额外的燃料，以便随时加载。其采用的包覆颗粒燃料和高温气冷堆技术理念，被后续60年代和70年代的许多反应堆设计沿用。
1961年，德国的AVR开始建设，1966年首次达临界状态，1967年并网发电，1969年正式投入商业运行，1988年关闭。AVR作为一座极具意义的试验性高温气冷堆，采用球状燃料，冷却剂为氦气，属于球床反应堆。作为高温气冷堆原型堆，它为技术发展提供了关键的实验数据与技术验证。但它曾出现燃料球卡住的问题，引起了辐射外泄，这一问题导致德国政府下令关闭了相关研究计划。不过，该反应堆在安全方面也有一些积极的表现，例如在进行抽出所有控制杆、停止冷却循环的试验后，拿出的燃料球并没有受损，这对核能研究和发展产生了深远影响。
[1] 注：德语Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor的缩写，即“试验反应堆联合体”。
1962年，美国的Peach Bottom核电站1号机组开始建设，1966年首次达临界状态，1967年正式运行，1974年退役。这是早期对高温气冷堆技术的一次重要探索与实践。该核电站的2号和3号机组采用的是通用电气的沸水堆技术，于1974年投入商业运行，并在2018年进行了升级。
1968年，美国的圣弗伦堡核电站开始建设，1972年进行初始测试，1976年实现与电网连接，1979年正式投入商业运行，1989年关闭。此核电站属于高温气冷堆，以氦气为一次冷却剂，反应堆燃料由分散于棱柱形石墨基质内铀和钍微球构成，还具备钢加固的预应力混凝土安全壳穹顶结构。在运行期间该核电站曾遇到一些问题，比如氦气循环器出现水渗透和腐蚀问题、电气系统问题等，导致其实际运行时间较短。尽管该核电站在商业上没有取得巨大成功，但它作为美国较早的高温气冷堆核电站，为高温气冷堆技术发展贡献了宝贵经验。
1970年，德国的THTR-300开始建设，1983年建成，同年首次达临界状态，1985年并网发电，1987年达满功率运行，1989年停堆。它是一座采用钍循环的高温核反应堆，堆芯为球床式设计，燃料元件为球形燃料块。该反应堆尝试将钍作为核燃料循环的一部分，不过其退役成本颇高。作为原型高温反应堆，THTR-300是高温气冷堆技术发展过程中的重要实践，为后续相关技术的研究和改进提供了大量的运行数据和经验。
[2] THTR是德语Thorium-Hoch-Temperatur-Reaktor的缩写，即“钍高温反应堆”。
1981年，德国电站联盟和国际原子能公司首先提出球床模块化高温气冷堆的概念。德国西门子公司据此设计了一座80MW的HTR-modul型反应堆，并在1989年获得执照，但由于种种原因没有建成。HTR-modul型反应堆概念中的燃料基于球形燃料元件，采用三重各向同性（Tristructural-Isotropic，TRISO）包覆颗粒燃料，即在微小铀颗粒内核外面包覆碳和碳化硅等材料。该反应堆采用模块化的设计理念，这意味着可以根据不同的需求和应用场景，灵活地组合和搭建反应堆模块，便于反应堆的建设、运行和维护。
[3] 类似THTR，是德语Hoch-Temperatur-Reaktor的缩写，即“高温反应堆”。
1991年，日本的高温工程实验堆（High Temperature Engineering Test Reactor，HTTR）开始建造，1998年首次达临界状态，2004年首次实现反应堆出口冷却剂温度达950℃，2010年成功进行失冷事故测试，2011年因计划检查关闭，2020年恢复运行。该反应堆以氦气为冷却剂，采用石墨作堆芯材料，燃料为低浓二氧化铀，为高温气冷堆技术发展提供了重要的实验数据和技术验证。
1993年，南非的球床模块式反应堆（Pebble Bed Modular Reactor，PBMR）项目正式启动。起初，南非对PBMR技术寄予厚望，计划将其应用于国内的电力生产，并曾考虑出口该技术到其他非洲国家。然而，项目在推进过程中遇到了诸多挑战，包括技术难题、成本超支以及公众对核能安全性的担忧等问题。例如，原本预计的建设成本不断增加，后期成本相较初始预计一度增加了10倍，商业订单也被推迟到了很久之后。到2010年左右，项目发展逐渐停滞，2023年南非又开始考虑重启该项目。该项目中的反应堆使用球状燃料，冷却剂为氦气，堆芯设计呈环形，具有模块化特点。
1995年，中国的10兆瓦高温气冷堆（10MW High-Temperature Gas-Cooled Reactor，简称HTR-10）在清华大学核研院动工兴建，2000年底成功达到临界状态，2003年实现满功率运行。这是一种模块式高温气冷堆，以氦气为冷却剂，使用球形燃料元件，石墨作为堆芯材料。这一成果使中国在研发第四代先进核能系统方面取得重大突破，为后续技术发展奠定了坚实基础。高温气冷堆的氦气冷却剂出口温度高，采用蒸汽循环方式发电效率可达40%左右，采用氦气循环方式发电效率可达48%左右，具有较高的发电效率，可用于高效发电。它能提供高达950℃的高温工艺热，可应用于热电联供、稠油热采、石化工业及煤的气化液化等需要高温工艺热的工业领域，具有广泛的应用前景。
2001年，中国的球床模块式高温气冷堆（High-Temperature Reactor Pebble-bed Moduels，HTR-PM）技术研发开启，2012年示范电站正式开工建设，2016年两个反应堆的压力容器安装完成，2021年两个反应堆先后实现首次临界，同年12月20日成功并网发电，2023年12月6日进入商业运营。它以氦气为冷却剂，燃料是全陶瓷涂层颗粒球形燃料元件，每个燃料球直径60毫米，含有7克富集度为8.5%的铀-235，燃料球外层为石墨。这种结构使得燃料的安全性更高，能更好地承受高温和辐照环境。堆芯为球床式结构，由大量的球形燃料元件堆积而成。堆芯直径3米，高度11米，压力维持在7兆帕。这种设计使得堆芯内的热量分布更加均匀，同时也提高了反应堆的安全性和可靠性，具有固有安全特性，为全球核能技术发展树立了重要示范。HTR-PM能够为中国提供稳定的电力供应，有助于减少对化石能源的依赖，降低碳排放，对于实现中国的“双碳”目标具有重要意义。
2015年，美国X-energy公司研发了Xe100小型气冷堆技术。单个反应堆装机容量为8万千瓦（热功率为20万千瓦），也可由4座小堆组成总装机容量为32万千瓦的电厂。它使用TRISO燃料，小型化和模块化的设计使其能够灵活部署，满足多种能源需求。2015年，X-energy公司获得美国能源部的先进反应堆概念奖，开始进一步开发其Xe-100先进反应堆设计和TRISO-X颗粒燃料。2022年，该公司完成了为期6年、获得美国能源部4000万美元资助的项目，完成了Xe-100的基础设计，并制造出了首批TRISO燃料颗粒。美国能源部2020年10月宣布在先进反应堆示范计划下为X-energy公司提供8000万美元资助，帮助推进Xe-100的商业化，按照原计划在2030年左右投入运行。2024年4月4日，英国能源安全和净零排放部决定在“未来核能赋能基金”计划下为X-energy公司推进Xe-100商业化应用提供334万英镑（423万美元）资助，用于开展Xe-100小堆通用设计评审和为一个拟议项目建设供应链。
核能是一种清洁低碳的高品质能源，不仅可用于发电，还可用作工业生产中的高温热源。但是，在人类利用核能过程中发生的3次重大核事故提醒人们，确保安全始终是核能发展的第一要素。在此背景下，模块式高温气冷堆（modular High Temperature Gas-cooled Reactor，mHTGR）因其优异的高温能力和独特的固有安全特性，被国际专家评选为6种最有希望的第四代核电技术的关键之一[1]，值得探讨。
高温气冷堆是一种通过热中子引发核裂变的反应堆，以氦气为冷却剂、石墨为慢化剂，采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件。图2-1所示为中国设计的高温气冷堆厂房立面示意[2]。该图右上的反应堆和左下的蒸汽发生器安装在两个独立的压力容器内。两个压力容器以交错并排的方式布置，并通过水平同轴热气管道壳体连接。驱动氦气循环的风机安装在蒸汽发生器压力容器的上部。堆芯上部入口冷氦气温度为250℃，下部出口热氦气温度为750℃。氦气将反应堆中核裂变产生的热量传递到蒸汽发生器，使其二次侧产生高压过热蒸汽，该种高压过热蒸汽可用于驱动蒸汽轮机发电。
图2-1 高温气冷堆厂房立面示意（图源：Nuclear Engineering and Design[2]）
反应堆堆芯周围的陶瓷堆内构件由内石墨反射层和外碳砖层组成。控制棒通道位于靠近堆芯的侧石墨反射层中，而返回的冷氦气则流经侧石墨反射层外部孔道。整个陶瓷堆内构件安装在金属堆芯筒内，金属堆芯筒本身由反应堆压力容器支撑。金属堆芯筒和压力容器通过侧石墨反射层的冷氦气孔道以避免受到堆芯高温的影响。在内石墨反射层形成的圆柱形空腔中，直径为60mm的球形燃料元件随机堆积形成“球床”堆芯，进而在堆芯中发生核裂变反应并放出能量。
高温气冷堆的技术特点如下。
如图2-2所示，在直径仅有1mm的包覆颗粒燃料中，燃料核芯首先包裹着一层多孔的低密度热解碳，其作用是吸收核裂变产生的气体。其次是三重包覆层，包括内层高密度各向同性热解碳包覆层、碳化硅包覆层，以及外层高密度各向同性热解碳包覆层。这些包覆层形成了阻止裂变产物释放的第一道屏障。这些弥散在石墨基体中的包覆颗粒可被制成球形燃料元件，每个球形燃料元件包含约10 000个颗粒。陶瓷型燃料元件相比于金属包壳燃料元件能耐受更高的温度。实验证明，经反应堆辐照后的包覆颗粒燃料即使在1600℃左右的温度下经过几十到几百小时加热，其裂变产物释放率也依旧非常低；直到温度在1800～2000℃时，其裂变产物释放率才会出现增加的趋势。
图2-2 全陶瓷包覆颗粒燃料元件示意（图源：《现代物理知识》[3]）
氦气是单相惰性气体，不存在相变有关的传热极限。氦气的中子吸收截面小，氦的流失不会引起反应性变化。氦气是单原子气体，也不会发生辐照分解。此外，由于氦气的惰性及易净化的特点，因此当杂质保持足够低的水平时，冷却剂不会对燃料和其他堆内构件造成化学侵蚀。
石墨是燃料元件的基体，石墨块是反应堆的结构材料。石墨的中子吸收截面小，因此其在高温下具有优良的机械性能和稳定性。石墨的弹性模量很低，热膨胀系数也很小，因此具有良好的抗热震性能。
石墨堆内构件具有很大的热容量，功率密度约为常见压水堆的1/30，这使得反应堆的热惯性很大。在发生事故时，堆芯加热过程缓慢、持续时间长。堆芯燃料达到最高温度通常需要几十个小时，那时堆芯衰变热功率已大幅降低，这为采取必要的校正措施提供了充足的时间。反应堆正常运行时，堆芯燃料平均温度不足800℃，与1600℃的设计限值相比还具有很大的裕量。
保证核安全的要求包括3个方面：（1）提供可靠的安全停堆手段，保证反应堆能在需要时实现安全停堆，即停止核裂变；（2）提供可靠的排除衰变热的手段，保证核裂变终止后还能安全地排除衰变热；（3）提供减少放射性物质释放的可能性的手段，保证事故情况下环境中释放的放射性物质低于可接受限值。
对此，高温气冷堆的固有安全特性如下。
除正常设置的反应性控制系统外，在全寿期内以及所关注的整个温度范围内，高温气冷堆都具有负的反应性温度系数，即当温度升高时反应性下降，从而使核裂变速率下降，而且在正常运行时的燃料温度与限值比有很大裕量。因此，在事故情况下，即使反应性控制系统失效，借助反应性温度负反馈效应也可以实现停堆，并能保证燃料元件温度不会超过限值。
将衰变热安全可靠地排出是我们安全利用核能时所面临的一个重大挑战。高温气冷堆“模块式”概念的核心思想是利用氦气、石墨、包覆颗粒燃料元件等材料的优异耐高温性能，通过恰当的反应堆物理、热工、结构等设计，形成功率比较小的反应堆模块，从而确保事故条件下在不需要应急堆芯冷却系统的情况下，能够自然散热，从而排除堆芯熔化的可能性。如果正常传热系统失效或不可用，高温气冷堆衰变热排出机制借助堆芯和反应堆压力容器表面存在的温度梯度，可完全通过热辐射、热传导等自然机制，将衰变热排出至反应堆压力容器外的舱室冷却系统的水冷壁上，再通过水冷壁中水的自然循环把热量传到最终热阱。此外，即使舱室冷却系统失效，衰变热也可以通过舱室混凝土消散到环境中，燃料元件温度不会超过设计限值。
高温气冷堆采用多重实体屏障阻止放射性裂变产物释放，包括包覆颗粒、燃料元件石墨基体、一回路压力边界及反应堆构筑物的包容体结构。其中，最重要的屏障是全陶瓷包覆颗粒。由于在事故条件下，包覆颗粒所能达到的最高温度不会超过其限值，因此可以保证放射性裂变产物始终阻留在颗粒内，不会发生放射性裂变产物大量释放的事故。
高温气冷堆出口温度可以达到700～1000℃。与压水堆300℃左右的出口温度相比，高温气冷堆的出口温度高，可以实现高效发电和热电联产。因此，可以采用与常规火电相近的先进蒸汽热力循环实现高效发电，并能通过汽轮机抽汽实现电-蒸汽联产，满足不同参数的工业蒸汽市场需求。当出口温度达到800℃以上时，高温气冷堆可以替代化石能源，用于高温生产工艺或制氢。当出口温度达到850℃时，还可采用气体透平循环以更加灵活地发电。化工、非常规采油、炼油、基于生物质或煤制乙醇等需要大量高温工艺热，因此利用高温气冷堆制氢（包括衍生品，如合成燃料、氨）来为“难减碳”的工业和交通领域提供氢气具有重大意义。除甲烷蒸汽重整外，国际上还有两类集中研发的制氢工艺：一类是利用电能及部分热能进行高温电解水制氢，另一类是利用高温下碘-硫循环水分解等热化学工艺制氢。
自20世纪80年代德国和美国分别提出了球床式[4]和棱柱式两种设计模块式高温气冷堆的概念以来，高温气冷堆技术得到了不断发展。
我国在国家“863计划”的支持下，开展了关键技术研究和HTR-10设计、关键设备研制、建造、运行和试验，初步掌握了高温气冷堆的关键技术。2006年，高温气冷堆核电站被纳入国家科技重大专项，目标是通过攻克高温气冷堆工业放大与工程实验验证技术、高性能燃料元件批量制备技术，建成高温气冷堆商业示范电站。石岛湾高温气冷堆核电站于2012年底开工，2023年底实现商运，是世界上第一座模块式高温气冷堆核电站（见图2-3）。我国在该电站上验证了不需应急堆芯冷却系统时反应堆也不会熔化的固有安全特性，在技术上不需要采取厂外应急措施，实现第四代核能系统的核安全目标。在此基础上，我国按多模块带一机的方式设计开发了60万千瓦级高温气冷堆核电机组HTR-PM600[5]以及电-蒸汽联产机组HTR-PM600S。江苏徐圩核能供热发电厂项目是全球首个将HTR-PM600S与压水堆耦合，以工业供热为主、兼顾电力供应的核动力厂。在制氢方面，其完成了热化学循环分解水制氢和高温蒸汽电解制氢的实验室研究，建成并运行了产氢能力为100NL/h的原理验证设施，且目前正在开展中试研究。在氦气透平发电方面，其开展了总体设计技术、关键控制技术及关键设备样机研究。
图2-3 模块式高温气冷堆核电站示范工程全景（图源：新华网[6]）
近年来，美国能源部正在积极推动高温气冷堆研发和示范电站建设。2005年美国节能政策法案（Energy Policy Act in 2005，EPAct 2005）提出正式设立“下一代核电厂站”（Next Generation Nuclear Plant，NGNP）项目[7]，目的是促进高温气冷堆技术在发电、制氢和工艺热应用等方面的商业化。尽管该项目未能如期建成，但其围绕陶瓷型TRISO颗粒燃料、石墨以及Inconel 617耐高温金属材料开展了大量研究。2020年，美国又启动了“先进反应堆示范计划”（Advanced Reactor Demonstration Program，ARDP）[8]，明确将向X-energy公司提供占总投资50%的资金，支持其在2030年前建成Xe-100示范电站。为此，X-energy公司与陶氏公司成立了合资企业，并计划在陶氏公司的基地建设首批4个Xe-100模块，用于电力和565℃的高温热生产。
此外，俄罗斯Rosatom公司开展了棱柱式高温气冷堆耦合蒸汽甲烷重整制氢装置的制氢项目研究[9]。日本也正在开展技术准备，计划在2030年前利用HTTR开展甲烷蒸汽重整制氢实验；同步开发高温气冷堆示范工程，与碘-硫循环等无碳氢气生产工艺相结合制氢[10]。英国政府经过多轮比选，已确定优先选择高温气冷堆作为先进模块化反应堆，以满足非电能源需求[11]。欧盟通过建立联盟[12]来整合欧盟内外各方资源，致力于高温气冷堆电、工艺热和氢多产发展。
高温气冷堆是第四代先进核能系统技术之一，同时也属于小型模块化反应堆。其因为具有优异的高温能力和固有安全特性，可为“难减碳”的工业和交通等领域提供高温蒸汽、高温工艺热和氢气，助力实现碳中和。目前我国已建成并投运世界上第一座模块式高温气冷堆核电站，为后续应用和升级奠定了坚实基础。
董玉杰
[1] Gen-4[EB/OL]. [2024-04-28].
[2] ZHANG Z Y, WU Z X, WANG D Z, et al. Current status and technical description of Chinese 2×250 MWth HTR-PM demonstration plant[J]. Nuclear Engineering and Design, 2009, 239(7): 1212-1219.
[3] 张作义, 原鲲. 我国高温气冷堆技术及产业化发展[J]. 现代物理知识, 2018, 30(4): 4-10.
[4] REUTLER H, LOHNERT G H. Advantages of going modular in HTRs[J]. Nuclear Engineering and Design, 1984, 78: 129-136.
[5] ZHANG Z Y, DONG Y J, SHI Q, et al. 600-MWe high-temperature gas-cooled reactor nuclear power plant HTR-PM600[J]. Nuclear Science and Techniques, 2022, 33: 101-108.
[6] 戴小河. 全球首座第四代核电站商运投产[N]. 新华网, 2023-12-06.
[7] United States Congress. Public Law 109-58[EB/OL]. [2024-04-28].
[8] U.S. Department of Energy. Advanced reactor demonstration program[EB/OL]. [2024-04-28].
[9] FATEEV S A, PETRUNIN V V, KODOCHIGOV G N, et al. Development of atomic-hydrogen energy technologies in the rosatom state corporation[J]. Atomic Energy, 2023, 133: 251-258.
[10] MHI. News[EB/OL]. [2024-04-28].
[11] Nuclear Innovation and Research Office. Advanced modular reactors technical assessment[R]. NIRO: UK, 2021.
[12] Gemini Initiative[EB/OL]. [2024-04-28].
