全球工程前沿2024能源與礦業(yè)工程領域研判的Top12工程研究前沿見表5.1,涵蓋了能源和電氣科學技術與工程、核科學技術與工程、地質資源科學技術與工程、礦業(yè)科學技術與工程4個學科。其中，“二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術”“高離子傳導固態(tài)電解質研究”“電力系統(tǒng)運維大模型研究”屬于能源和電氣科學技術與工程領域；“緊湊型核聚變及氚資源轉換原理”“玻璃固化等核廢物處置原理模擬和試驗”“新型熱管式反應堆在空間堆應用試驗研究”屬于核科學技術與工程領域；“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術”“造山型金礦床物質來源及成礦過程研究”“長7段頁巖油原位轉化機理”屬于地質資源科學技術與工程領域；“油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法”“深層油氣儲層智能精細表征方法”“煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網絡優(yōu)化”屬于礦業(yè)科學技術與工程領域。2018—2023年各研究前沿相關的核心論文逐年發(fā)表情況見表5.2。(1)二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術二氧化碳(CO?)捕集與原位轉化一體化技術是指CO?被捕集后不經過傳統(tǒng)的變溫變壓脫附過程，而是在吸附狀態(tài)下原位催化轉化為高附加值產物的技術。該技術的核心是在同一材料體系中完成CO?的捕集和轉化利用，從而省去了CO?分離、提純、存儲和運輸?shù)冗^程，理論上可大幅降低成本和能耗，并簡化系122345高離子傳導固態(tài)電解質研究6電力系統(tǒng)運維大模型研究7894177122000003036750465高離子傳導固態(tài)電解質研究6電力系統(tǒng)運維大模型研究7458520813293575219501010120統(tǒng)流程。二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術可采用固體吸附法或溶液吸收法捕集CO?并耦合催化轉化，目前主流的技術方案是采用由堿/堿土金屬氧化物吸附劑和貴金屬或過渡金屬催化劑組成的吸附催化雙功能材料，吸附態(tài)的CO?通過甲烷化、逆水煤氣、甲烷干重整等反應過程進行原位轉化。該領域的主要研究方向和發(fā)展趨勢包括：①高性能、低成本、長壽命的CO?吸附催化雙功能材料以及CO?吸附和原位催化轉化的耦合反應機理；②流程和工藝參數(shù)優(yōu)化以及可再生能源耦合技術；③真實場景的規(guī)模化示范應用(2)緊湊型核聚變及氚資源轉換原理在磁約束聚變領域，緊湊型核聚變是一種旨在實現(xiàn)小型化、低成本的核聚變反應裝置技術。過去，國際上先后建成了多個大型托卡馬克裝置用于探索聚變研究，但這些裝置需要投入巨大的經濟成本。即使是多方合作的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃也需要各方共同承擔經濟成本。近年來，隨著高溫超導強場磁體技術的突破，聚變堆的經濟成本大幅降低，使緊湊型聚變堆技術迎來了快速發(fā)展。相比傳統(tǒng)核裂變，為了獲取足夠的氚以滿足未來聚變堆的需求，可以通過在反應堆中設計鋰包層，利用聚變產生的中子轟擊(3)基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術是利用深度學習模型從高分辨率遙感影像中自動識別和提取地質解譯信息(如礦化帶、巖石類型、地質構造等關鍵信息)、礦化信息(蝕變、羥基)以及礦物資源相關特征，結合多源數(shù)據(jù)融合與特征優(yōu)化，實現(xiàn)對潛在礦化區(qū)域的精準定位與分類，從而提升礦產勘探的效率和準確性，為礦產資源勘探提供科學依據(jù)。該領域的主要研究方向包括特征提取與識別、多源數(shù)據(jù)融合、時空變化分析和智能化地質解譯。特征提取與識別通過深度學習模型，從遙感影像中自動提取礦物和地質特征；多源數(shù)據(jù)融合多尺度多模態(tài)遙感數(shù)據(jù)，增強成礦信息的識別能力；時空變化分全球工程前沿2024析利用時序遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測地質體的動態(tài)變化，識別潛在的成礦活動；智能化解譯通過耦合多源信息，自動生成地質解譯報告，以輔助專家開展礦產潛力評估。未來，基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術將迎來一系列重要的發(fā)展趨勢。通過多源數(shù)據(jù)融合和時空分析獲取更全面的成礦信息，同時增強模型的解釋性與可信度，確保解譯結果的透明度與可靠性，基于遙感大數(shù)據(jù)與人工智能的深度結合，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效分析與挖掘。該技術將在礦產資源勘探、礦產資源成礦預測與潛力評價中發(fā)揮越來越重要的作用。(4)油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法是指在油氣田開發(fā)和生產過程中，利用不同能源形式的以及儲能技術的特點和優(yōu)勢，采取綜合性的規(guī)劃、共享基礎設施、儲存轉換技術、智能管理系統(tǒng)以及政策激勵措施，在智慧油田建設過程中實現(xiàn)多能互補和能源的高效利用。該領域的主要研究方向包括：①多能互補微網與油氣生產融合發(fā)展研究；②多能互補微網生產協(xié)同優(yōu)化與控制理論研究；③油氣田多能微網的源-網-荷-儲配置及生產調度優(yōu)化方法研究。油氣與可再生能源(風能、太陽能等)及儲熱等由獨立系統(tǒng)內作用機制與優(yōu)化方法，逐漸形成油氣與風-光-熱-儲的協(xié)同作用機制與優(yōu)化方法。隨著信息技術的進步，油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法將向著高效模擬、優(yōu)快決策和智能調控的方向發(fā)展。(5)高離子傳導固態(tài)電解質研究相較于有機電解液，固態(tài)電解質具有更寬的電化學窗口以及更高的安全性，因此被視為未來動力電池和儲能電池的重要發(fā)展方向。現(xiàn)階段，全固態(tài)電池的主要應用瓶頸之一在于充放電速度較慢。固態(tài)電解質中離子間相互作用力強，且電解質-電極界面阻抗高，導致鋰離子遷移能壘是液體的10倍以上，從而成為限制電池充放電速度的決定步驟。高離子傳導固態(tài)電解質通常由無機離子化合物組成，其中硫基固態(tài)電解質基于其穩(wěn)定的離子傳輸通道以及良好的界面力學適配性，室溫下鋰離子電導率超過10mS/cm,可與商用電解液媲美。通過電解質成分設計與界面穩(wěn)定性研究可降低限速步驟的反應能壘，從而進一步提升固態(tài)電解質鋰離子傳導能力。電解質成分設計的發(fā)展方向是優(yōu)化化學成分和調控晶體結構，致力于增加離子傳涂層包覆、緩解界面應力等方向發(fā)展。值得注意的是，固態(tài)電解質體相與表界面的離子輸運、界面電化學等物理化學過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征。全面考量多場耦合效應，構建真實工況下固態(tài)電解質的實驗環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，是未來高離子傳導固態(tài)電解(6)電力系統(tǒng)運維大模型研究電力系統(tǒng)是規(guī)模最大、最復雜的人造系統(tǒng)之一。在新型電力系統(tǒng)建設的背景下，海量分布式電源和靈活負荷接入電力系統(tǒng)，其運維問題呈現(xiàn)出高維、非線性、動態(tài)變化的特點。傳統(tǒng)的基于靜態(tài)建模與集中優(yōu)以大模型為代表的人工智能技術在解決上述問題上具有廣闊的前景。廣義的大模型是指具有龐大參數(shù)規(guī)模的深度神經網絡，具有強大的復雜規(guī)律挖掘能力，可從電力系統(tǒng)時序量測數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、網架拓撲數(shù)據(jù)等多源異構數(shù)據(jù)中提取規(guī)律，支撐新型電力系統(tǒng)的運維工作。狹義的大模型是指以ChatGPT為代表的電力系統(tǒng)運維大模型的研究存在以下幾個關鍵點：①有限樣本環(huán)境下的大模型調優(yōu)問題。相比于互聯(lián)如何基于有限的樣本完成大模型的高效調優(yōu)亟待研究。②大模型的可解釋性與魯棒性問題。大模型內核為基于超大規(guī)模神經網絡的數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律挖掘，難以對其產生決策的過程進行解釋，且難以保證少數(shù)特殊情形下模型的可靠性，這與電力系統(tǒng)極高的安全性要求存在矛盾。③數(shù)據(jù)安全隱私問題。大模型存在泄露電(7)玻璃固化等核廢物處置原理模擬和試驗高放廢液處理技術是核燃料循環(huán)后處理后端的關鍵技術，也是我國核能可持續(xù)發(fā)展中的挑戰(zhàn)之一。玻其中，冷坩堝技術作為第四代玻璃固化工藝，被認為是當前最有應用前景的玻璃固化技術。高放廢液組成復雜，包含20種以上組分，當其與基礎玻璃經歷近千攝氏度的溫度變化時，會發(fā)生復雜的物理化學反應與物相轉變，實現(xiàn)從高放廢液玻璃配合料向玻璃態(tài)的轉化。仿真配合料向玻璃態(tài)轉化過程是安全、高效運行玻璃固化熔爐的理論依據(jù)。隨著燃耗增加，乏燃料中裂變產物和銅系元素含量會增加，導致動力堆高放廢液的放射性水平高、衰變熱高、含鹽量高，也會使裂變產生的Zr、Mo等玻璃固化中難溶物以及貴金屬的含量大幅升高，從而導致大量貴金屬在熔爐底部聚集，造成出料堵塞。冷坩堝因其獨特的感應加熱方式(8)新型熱管式反應堆在空間堆應用試驗研究與傳統(tǒng)的化學電源和太陽能電源相比，核反應堆電源由于具有能量密度高、工作壽期長、無需光照和氧化劑等優(yōu)點，是實現(xiàn)深空探測的首選方案之一。自20世紀50年代起，美國、俄羅斯設計了多種核反應堆電源方案，如俄羅斯的ROMASHK、BUK、TOPAZ和TOPAZ-2,美國的核輔助動力系統(tǒng)SNAP-10A和而基于熱管小堆的航空核動力裝置剛好可以解決這個問題。隨著航空核動力系統(tǒng)的發(fā)展，其未來將應用于戰(zhàn)略巡航導彈推進系統(tǒng)、核動力貨運飛機和核動力推進等方面。熱管堆已成為目前空間核反應堆領域的研究重點。不同于傳統(tǒng)的反應堆設計，熱管反應堆設計具有極強的靈活性和創(chuàng)新性，采用不同的堿金屬熱管和熱電轉換方式對于系統(tǒng)功率、整個系統(tǒng)質量等各方面都有著直接的影響，其中熱電轉換器對整個系統(tǒng)的壽命起著決定性作用，可以嘗試將熱管與多種不同熱電轉換方式結合；熱管式反應堆采用模塊化設計，針對不同模塊分別進行改進，從而降低整體系統(tǒng)質量，提高系統(tǒng)安全性。因此，熱管反應堆在未來擁有極大(9)造山型金礦床物質來源及成礦過程研究經典的造山型金礦是指在匯聚板塊邊緣的增生或者碰撞造山帶中，在擠壓或者走滑變形的條件下形成的石英脈型金礦。一般情況下，造山型金礦的形成與巖漿作用是不同時的，也沒有明顯的成因聯(lián)系。造山陸源沉積物在沉積—成巖過程中，金賦存于含砷的黃鐵礦中，在之后的變形過程中被釋放出來，并被綠片巖相一角閃巖相的進變質過程中的綠泥石脫水所提取，形成含金流體。俯沖洋殼失水形成的流體活動能夠從巖石圈根下部的鎂鐵質巖中萃取大量的金元素，形成含金流體。在洋殼的俯沖變質過程中，含金沉積物全球工程前沿2024這些流體中的金以S、Cl絡合物或者膠體的形式遷移，在特定的位置通過絡合物分解、金屬液滴汲取、膠體凝聚等機制沉淀，形成了造山型金礦。因此，目前科研人員重點關注造山型金礦中金的來源、金的活化及運移機制，以及金的高效富集沉淀機制。這些問題有望通過原位微區(qū)分析、金屬穩(wěn)定同位素分析以及實(10)長7段頁巖油原位轉化機理頁巖油地下原位轉化是利用熱傳導、對流、輻射等加熱方式，將埋深300~3000m頁巖中的重質油、瀝青和各類有機物大規(guī)模轉化為輕質油和天然氣的物理化學過程，可稱為“地下煉廠”,在清潔開采、總陸相有機質超量富集的成因、母質結構與原位轉化動力學是頁巖油原位轉化的核心科學問題，長7段頁巖油原位轉化機理研究的主要方向包括：①富有機質頁巖的形成機理研究；②原位轉化技術與傳熱機制研究；③頁巖油原位轉化的流動機制研究；④頁巖油原位開發(fā)技術。鄂爾多斯盆地長7段富有機質頁巖連續(xù)厚度大、有機質豐度高、成熟度適中，頁巖油原位轉化的現(xiàn)實性最好，未來基礎研究發(fā)展趨勢包括有機質超量富集的環(huán)境響應與外物質介入作用，有機質超富段母質結構、能量場與產出物構成，有機質多相轉化熱傳導動力學，烴物質多相態(tài)多場耦合流體場與原位轉化烴排驅效率，中低熟頁巖油富集機理與資源分布等方面。在原位轉化技術與裝備方面，穩(wěn)定加熱器制造技術、小井距高精度鉆井技術、原位轉化油氣開發(fā)工程技術、降本增效技術、精準可控儲層改造技術等是未來發(fā)(11)深層油氣儲層智能精細表征方法深層油氣儲層智能精細表征方法是指通過整合多源地球物理數(shù)據(jù)、地質模型和人工智能算法，對地下深層油氣儲層的結構、物性及流體分布等進行高精度的定量化描述和分析，旨在更準確地描述深層儲層的該領域的主要研究方向包括：①利用人工智能和機器學習等形成地震數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、巖心分析結果等多元數(shù)據(jù)融合方法，以構建更為精細的儲層模型；②基于高分辨率的三維地震數(shù)據(jù)和地質資料，建立深層儲層的數(shù)字化模型來模擬油氣的生成、運移和聚集過程；③強化機器學習和深度學習算法的應用，使得儲層參數(shù)預測和流體分布識別更加精確。綜合應用各類技術手段，實隨著計算能力的提升和大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，智能精細表征方法越來越依賴于實時數(shù)據(jù)處理和動態(tài)模型更新。未來的研究趨勢體現(xiàn)在：①鉆探過程實時數(shù)據(jù)獲取和處理，儲層的動態(tài)精細表征；②不同尺度的儲層特性集成分析；③未來的表征方法將更加自動化，智能算法能夠在最小的人為干預下完成儲層的精細(12)煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)傳感器網絡優(yōu)化煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)是集成多種傳感器技術、數(shù)據(jù)處理技術和通信技術的綜合性系統(tǒng)，其核心在于通過傳感器實時監(jiān)測礦井內部的環(huán)境參數(shù)(如氣體濃度、溫度、濕度、壓力等),并通過網絡將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)。傳感器網絡優(yōu)化是提升傳感器布局、數(shù)據(jù)傳輸效率和信息處理能力，實現(xiàn)實時、高效、安全的監(jiān)控目標，確保礦工的生命安全和設備的正常運轉的基礎。其主要研究方向包括傳感器布局優(yōu)化方未來，煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器網絡布設將朝著智能化、自動化和集成化的方向發(fā)展，具體趨勢包括：在智能傳感器的應用方面，不斷開發(fā)智能化程度高的傳感器(如多功能傳感器、智能化監(jiān)測設備),以增強數(shù)據(jù)采集的多樣性和精確性；在物聯(lián)網技術的融合方面，隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，更多的傳感器通過網絡連接，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享和智能分析，形成一個高效的安全監(jiān)控網絡；在監(jiān)控大數(shù)據(jù)處理方面，開發(fā)煤礦安全云計算平臺和大數(shù)據(jù)分析技術，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲、處理與分析，為煤礦安全管理提供決策支持；構建自適應監(jiān)控系統(tǒng)，研究如何使監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境變化自動調整傳感器的工作狀態(tài)和監(jiān)測策5.1.2Top4工程研究前沿重點解讀鍵技術手段和托底技術保障，但傳統(tǒng)的CCU過程中CO?的脫附/解吸、提純、運輸存儲以及后續(xù)的轉化利用都需要消耗大量能量且系統(tǒng)復雜，極大地制約了CCU技術的推廣應用。二氧化碳捕集與原位轉化一體化(integratedCO?captureandin-situutilization,ICCU)技術在同一材料體系中完成CO?的捕集和轉化利用，CO?被吸附后不經過解吸/脫附、提純、存儲和運輸?shù)冗^程，而是在吸附狀態(tài)下被催化轉化為燃料或化學品，可減少系統(tǒng)復雜程度并且大幅提高能量利用效率，是一種集成化、低能耗的新型CCU技術。ICCU技術可采用固體吸附法或化學吸收法捕集CO?并耦合催化轉化。2015年，哥倫比亞大學的Melis教授團隊最早提出吸附催化雙功能材料的概念，在氧化鋁載體上負載氧化鈣吸附劑和釕催化劑，形成了雙功能材料，逐步發(fā)展為基于堿/堿土金屬氧化物吸附劑和貴金屬或過渡金屬催化劑組成的吸附催化雙功能材料的主流ICCU技術方案。目前ICCU技術的研究中，CO?原位催化轉化路徑主要通過甲烷化、逆水煤氣、甲烷干重整等反應過程進行。ICCU技術的主要研究方向包括：①高性能、低成本、長壽命的CO?吸附催化雙功能材料以及CO?吸附和原位催化轉化的耦合反應機理；②流程和工藝參數(shù)優(yōu)化以及可再生能源耦合技術；③真實場景的規(guī)模化示范應用和技術經濟性分析。“二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術”工程研究前沿中，核心論文發(fā)表量與篇均被引頻次排在前列的國家是中國和美國(表5.3),中國與英國的合作較多(圖5.1)。在核心論文的主要產出機構中，發(fā)文量排在前列的是華東理工大學和中國科學院，篇均被引頻次排在前列的是中國地質大學和四川大學 (表5.4)。其中，電子科技大學與中國地質大學和四川大學的合作較多(圖5.2)。施引核心論文的主要產出國家和機構分別見表5.5和表5.6。面向規(guī)模化的工業(yè)示范應用，未來5~10年，二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術將進一步提高雙功能材料的性能并實現(xiàn)低成本的大批量制備，通過反應器設計、流程優(yōu)化、可再生能源耦合等手段降低運行能耗。同時通過材料的創(chuàng)新，擴展應用場景，例如直接空氣CO?捕集結合原位轉化一體化，探索新的轉化路徑(例如光催化、電催化、等離子體催化、均相催化等)。目前二氧化碳捕集與原位轉化一體化技術已完成實驗室小試驗證，預計到2029年可實現(xiàn)CO?捕集量千噸級中試示范驗證，到2034年實現(xiàn)工業(yè)示范(圖5.3)。全球工程前沿20241國家中國2美國73英國6445362728291印度1美國中國印度142中國科學院33電子科技大學34貝爾法斯特女王大學353637中國地質大學28四川大學29中國科學技術大學22中國地質大學中國科學技術大學電子科技大學國家1中國2美國34英國5印度67韓國8德國9日本1中國科學院2中國地質大學3中國科學技術大學456天津大學7電子科技大學89全球工程前沿2024實驗室CO,實驗室千噸級中試示范驗證核聚變技術的發(fā)展始于20世紀中葉。早期的研究主要集中在大規(guī)模的核聚變裝置，其中一些在實驗上取得了成功。例如，美國普林斯頓等離子體物理實驗室于1982年建成了一個可進行氘氚實驗的大型托卡馬克裝置TFTR(TokamakFusionTestReactor)。該裝置大半徑為3.1m,小半徑為0.96m,磁場強度達到6T,等離子體電流為3MA,總加熱功率為50MW。歐洲建造了首個進行50%:50%氘氚實驗的裝置JET(JointEuropeanTorus)。與JET的目標類似，日本也建造了一個大型的托卡馬克裝置JT-60 (Torus-60),與TFTR、JET被列為世界三大托卡馬克。為了推動聚變能的發(fā)展，歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國7個國家和地區(qū)合作開展了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。ITER計劃是當今世界規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學工程。這些大型裝置旨在探索磁約束聚變能開發(fā)利用的可行性。但由于其規(guī)模龐大、成本高昂，商業(yè)化應用面臨挑戰(zhàn)。進入21世紀后，隨著高溫超導強場磁體技術的突破，研究者們開始關注緊湊型核聚變裝置的開發(fā)。緊湊型核聚變技術依托高溫超導磁體可以實現(xiàn)聚變裝置的小型化，大大降低了聚變開發(fā)的經濟成本。其中具有代表性的有：美國麻省理工學院獨立出來的核聚變創(chuàng)業(yè)公司CommonwealthFusionSystems正在開發(fā)的高溫超導緊湊型托卡馬克裝置SPARC,其超導線圈可以產生高達20T的磁場。SPARC計劃于2025年建造完成并進行氘氚實驗；以及英國卡拉姆聚變能源中心負責的STEP裝置等。緊湊型核聚變的研究在很大程度上依賴于國際合作，這種合作不僅包括研究機構之間的雙邊或多邊合作，還需要材料科學、等離子體物理、工程學等多個學科的協(xié)作。“緊湊型核聚變及氚資源轉換原理”工程研究前沿中，核心論文數(shù)最多的國家是英國、德國和加拿大(表5.7和圖5.4)。核心論文的主要產出機構為卡勒姆科學中心、歐洲聚變聯(lián)盟、卡爾斯魯厄理工學院、Kinectrics公司和開放大學(表5.8)。其中，卡勒姆科學中心、歐洲聚變聯(lián)盟和卡爾斯魯厄理工學院合作較多，Kinectrics公司與開放大學合作較多(圖5.5)。施引核心論文數(shù)排名靠前的國家是德國和美國(表5.9),施引核心論文數(shù)排名靠前的機構是卡爾斯魯厄理工學院和馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(表5.10)。1)高溫超導磁體的應用與優(yōu)化：高溫超導磁體是緊湊型核聚變裝置中的核心部件。未來的研究將集中于開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的超導磁體，提升等離子體約束能力，減少裝置體積并提高能量密度。麻省理工2)新型材料的開發(fā)：核聚變裝置內的材料需承受極高溫度和強輻射。未來研究將聚焦于耐高溫、抗 第五章能源與礦業(yè)工程前沿輻射的新型材料的開發(fā)，以提高反應堆的壽命和安全性。3)氚燃料循環(huán)系統(tǒng)：氚資源的生產、回收和管理是緊湊型核聚變裝置能否持續(xù)運行的關鍵。研究方向包括高效的氚生成技術、氚回收和再利用系統(tǒng)等。4)反應堆設計的小型化與模塊化。表5.7“緊湊型核聚變及氘資國家1英國22德國1311卡勒姆科學中心12歐洲聚變聯(lián)盟1314Kinectrics公司151全球工程前沿2024未來的發(fā)展趨勢主要為：從實驗驗證到原型機開發(fā)和商業(yè)化探索。緊湊型核聚變在能源安全與可持續(xù)性方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗猓司圩兗夹g的發(fā)展還將帶動其他高技術領域的發(fā)展。未來，緊湊型核聚變技術的研究將重點探索高溫超導磁體、新型材料、氚燃料循環(huán)系統(tǒng)等領域(圖5.6)。其發(fā)展?jié)摿薮螅瑧脠鼍皬V泛，不僅有望解決能源危機，還能推動科技進步和經濟發(fā)展。然而，商業(yè)化應用仍需要時間以及國際合作的共同努力。1國家德國2美國3意大利4英國5中國667日本68法國49321263歐洲核聚變聯(lián)盟5455中國科學院46卡勒姆科學中心47中國工程物理研究院48意大利國家新技術、能源與可持續(xù)經濟發(fā)展機構49中山大學33更高效、更穩(wěn)定的超導磁體高溫超導磁體廣泛應用于地質礦產勘探領域。其核心是利用深度學習算法從高分辨率遙感影像中自動識別和提取地質解譯斷裂構造、礦化信息以及礦物資源等相關特征，結合多源數(shù)據(jù)融合與特征優(yōu)化，實現(xiàn)對潛在礦化區(qū)域的精準定位與分類，從而提升礦產勘探的效率和準確性，輔助地質勘探和資源評價。基于遙感影像的成礦信息提取技術經歷了從傳統(tǒng)影像解譯到自動化、多源數(shù)據(jù)融合，再到智能化深度學習算法的演變。最初的遙感成礦信息提取依賴于專家經驗和人工解譯，隨著高空間、高光譜遙感數(shù)據(jù)的廣泛應用，成礦信息的獲取逐步轉向基于像素和特征的自動化分析，通過新的RGB組合、波段比和選擇性主成分分析等方法突出并提取與礦物相關的遙感蝕變，實現(xiàn)礦物間接識別。近年來，隨著搭載高空間和高光譜分辨率光學傳感器遙感衛(wèi)星的持續(xù)發(fā)射以及無人機遙感技術的普及，弱監(jiān)督目標檢測、語義分割、變化檢測等方法被廣泛應用于成礦信息的高精度識別與提取。在此背景下，“人工智能+遙感大數(shù)據(jù)”模式成為成礦信息提取領域的主流方向。主要研究內容包括高分辨率影像的“空間-光譜-時相”聯(lián)合特征提取、基于深度學習的自動化礦化信息提取算法等。這些高精度、智能化的成礦信息提取技術在礦產資源勘探、國家戰(zhàn)略資源保障等中國在實現(xiàn)新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動中，強調推進星-空-地-深一體化遙感找礦勘查體系示范與應利用地面或巖芯光譜儀開展地表或巖芯的精細蝕變礦物填圖，分析成礦環(huán)境，圈定熱液中心，為后續(xù)找礦論文占比達95.24%,其他國家占比均低于10.00%;核心論文數(shù)排名第二的是意大利，論文占比為9.52%(表前三(表5.12)。中國也是該工程研究前沿中施引核心論文產出最多的國家，論文占比為73.04%,第二名是美國，僅占5.98%(表5.13)。施引核心論文的主要產出機構中，前三名為武漢大學、中國科學院和西機構間的合作研究集中在武漢大學、南京信息工程大學、意大未來5~10年內，基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術將迎來一系列重要發(fā)展趨勢：①深度學習模型的優(yōu)化與創(chuàng)新，將出現(xiàn)更多針對遙感數(shù)據(jù)特點優(yōu)化的深度學習模型，如輕量化模型和自監(jiān)督學“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取1中國2意大利23美國24151全球工程前沿2024192中國科學院33324225中國礦業(yè)大學26227281191意大利航天局11“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術”工程研究前沿中施引核心論文的主要產出國家國家1中國2美國3印度4英國5德國6意大利7韓國89法國12中國科學院3西安電子科技大學4中國地質大學56中山大學7西北工業(yè)大學89自然資源部習模型，提高成礦信息提取的精度與效率；②多源數(shù)據(jù)融合與聯(lián)合分析，“時-空-譜”聯(lián)合分析模式，實現(xiàn)更全面的成礦信息提取；③無人機與地面遙感協(xié)同應用，通過高精度數(shù)據(jù)采集與成礦特征分析，增強找礦精度；④星載遙感、航空遙感、地面勘測和深部探測融合形成一體化找礦體系(星-空-地-深一體化遙感找礦體系),提高不同尺度成礦信息的提取能力和應用水平；⑤遙感大數(shù)據(jù)與人工智能的深度結合，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效分析與挖掘。隨著這些發(fā)展趨勢的不斷推動，基于深度學習的高分辨遙感成礦信息提圖5.7“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術”工程研究前沿主要國家間的合作網絡中國礦業(yè)大學中國礦業(yè)大學圖5.8“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術”工程研究前沿主要機構間的合作網絡數(shù)據(jù)驅動+知識驅動星-空-地-深一體化遙感找礦體系“時-空-譜”聯(lián)合分析遙感地質解譯目標檢測、語義識別"AI"+遙感大數(shù)據(jù)圖5.9“基于深度學習的高分辨率遙感成礦信息提取技術”工程研究前沿的發(fā)展路線全球工程前沿20245.1.2.4油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法在多能融合領域，美國、日本等國家積極發(fā)布相關政策予以支持，如瑞典早在1989年即建成太陽能和生物質聯(lián)合供熱項目。近年來，風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用因涉及新能源與儲能的協(xié)同優(yōu)化而成為研究熱點。研究主要針對由光伏、風力電站配以儲電電池組成的系統(tǒng)，或者配以電加熱和儲熱裝置組成的系統(tǒng)，優(yōu)化設備裝機容量及分析系統(tǒng)發(fā)電經濟性能。伴隨著能源供應短缺、世界經濟前景不明朗等不確定因素增加，在油氣田場景下推進風-光-熱-儲多能融合發(fā)展將為油氣行業(yè)高質量發(fā)展提供有效手段。充分利用風電開發(fā)為油氣平臺提供綠色電力，形成風電與油氣田區(qū)域電力系統(tǒng)互補供電模式，提升新能源應急備用、容量支撐等方面的多元功能，促進地熱在電源側和油氣勘探開發(fā)用戶側的多場景應用，有序推動儲能與新能源的協(xié)同發(fā)展。在原油開采后期，噸油生產用能約為140~160kW·h,其中電費支出占開發(fā)成本的30%以上，而風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法可以以低于國家電網的交易電價就地消納光伏和油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法的研究方向是提高風能、太陽能資源預報準確度和風電、“油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法”工程研究前沿中，核心論文數(shù)排名前三的國家是中國、美國和德國(表5.15和圖5.10);核心論文數(shù)排名靠前的機構為中國科學院、清華大學和新加坡國立大學(表5.16);機構間的合作主要集中在中國科學院、清華大學、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、劍橋大學、勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、科羅拉多礦業(yè)學院之間(圖5.11)。施引核心論文數(shù)排在前三位的國家是中國、美國和澳大利亞(表5.17)。施引核心論文數(shù)排名靠前的機構是中國科學院、清華大學、天津大學、鄭州大學和中國科學技術大學(表5.18)。多能協(xié)同能夠促進新能源與傳統(tǒng)能源行業(yè)的融合發(fā)展，是構建清潔低碳、安全高效新型能源體系的重要手段。以清潔替代為主導方式，在產能利用井場土地、廢棄油氣井(場)等布置各類綠電裝置，實現(xiàn)油氣田綠電替代率的最大化；在生產方式、工藝流程、管理制度上進行變革，包括由穩(wěn)定生產調整為間抽、間注、間歇氣舉等非穩(wěn)定工況運行，通過運行調度決策方法實現(xiàn)低成本、大規(guī)模、高效率地消納綠電；拓展不同類型儲能的互補調節(jié)能力，達到電/熱/氫儲能的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)油田井場的儲能綜合優(yōu)化。油氣與可再生能源(風能、太陽能等)及儲熱等由獨立系統(tǒng)內作用機制與優(yōu)化方法，逐漸形成油氣與風-光-熱-儲的協(xié)同作用機制與優(yōu)化方法，隨著信息技術的發(fā)展，油氣與風-光-熱-儲融合開發(fā)方法向著高效模擬、優(yōu)快決策、智能調控的方向發(fā)展。預計到2029年形成油氣與新能源應用可行性方案，將傳統(tǒng)油氣與新能源結合，構建多元化、寬尺度的儲能技術的應用模式，到2034年完成風-光-熱-儲多能協(xié)同的油氣生產協(xié)同優(yōu)化與控制方法，形成新能源+油氣田智能開采、廢棄井地熱能源提取、綜合能源優(yōu)化利用等“低碳、智能”體系，保障油氣田增產穩(wěn)產、節(jié)能減排、綠色低碳(圖5.12)。表5.15“油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法”工程研究前沿中核心論國家1中國2美國3德國4英國56印度78沙特阿拉伯9意大利1中國科學院29394蘇黎世聯(lián)邦理工學院75天津大學7667686965全球工程前沿2024天津大學天津大學表5.17“油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法”工程研究前沿中施引核心論文的主要產1國家中國2美國34英國5印度6德國7韓國8日本9沙特阿拉伯表5.18“油氣與風-光-熱-儲多能融合開發(fā)利用方法”工程研究前沿中施引核心論文的主要產出機構1中國科學院23天津大學45中國科學技術大學67昆士蘭大學89油氣與風-光-熱-儲融合開發(fā)應用模式搭建能源與礦業(yè)工程領域研判的Top12工程開發(fā)前沿見表5.19。它們涵蓋了能源和電氣科學技術與工程、核科學技術與工程、地質資源科學技術與工程、礦業(yè)科學技術與工程4個學科。其中，“高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術”“熱化學儲能與固態(tài)儲氫裝置及系統(tǒng)研發(fā)”“大功率寬范圍雙向充電技術與裝備”屬于能源和電氣科學技術與工程領域；“基于同位素電源的核電池開發(fā)”“核輻射無人機尋源系統(tǒng)”“核反應堆分散控制系統(tǒng)的驗證方法、驗證裝置及驗證系統(tǒng)”屬于核科學技術與工程領域；“復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)”“花崗巖型鈾礦深部有利成礦空間識別及定位技術”“頁巖氣井產能實時在線預測系統(tǒng)”屬于地質資源科學技術與工程領域；“萬米深地復雜地層鉆井技術與設備研發(fā)”“煤層氣與煤炭資源共采技術”“二氧化碳礦化充填封存一體化技術”屬于礦業(yè)科學技術與工程領域。各開發(fā)前沿涉及的核心專利在2018—2023年的公開情況見表5.20。(1)高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術固態(tài)電池采用固態(tài)電解質替代傳統(tǒng)電池中的電解液和隔膜，具有更大的能量密度、更長的使用壽命和機的開發(fā)。具體而言，能量密度為400Wh/kg、2000圈穩(wěn)定循環(huán)的固態(tài)電池可將電動汽車續(xù)航里程提升至(2)基于同位素電源的核電池開發(fā)1高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術23復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)4萬米深地復雜地層鉆井技術與設備研發(fā)56789頁巖氣井產能實時在線預測系統(tǒng)1高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術23復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)45567891變能轉換為電能的核能源裝置。同位素電源具有壽命長、能量密度高、可靠性高、環(huán)境適應性強、自持免維護等優(yōu)點，是極端特殊環(huán)境下電力長期供應的理想選擇，已被應用于空間探測、深海與極地勘探、極偏遠地區(qū)的電力保障。同位素電源的技術方向主要集中在溫差電源、輻伏電源、熱光伏電源、輻光伏電源和動態(tài)斯特林電源的研究上。其中，溫差電源的可靠度和技術成熟度最高，已實現(xiàn)廣泛應用；輻伏電源被認為最有望實現(xiàn)微型化與微機電系統(tǒng)(MEMS)的集成，但仍需提升功率和功率密度；動態(tài)斯特林電源具有較高的系統(tǒng)效率，但需要解決運動部件的可靠性和壽命問題。未來，針對空間、深海和無線網絡的多領域型譜化應用需求，同位素電源的發(fā)展將聚焦于四個方面：采用模塊化熱源結構，提升溫差電源的安全性和多任務適配性；開發(fā)高效熱電材料和器件，提升溫差電源的轉換效率和經濟性；突破半導體芯片設計與堆棧集成技術，提升輻伏電源功率等級、轉換效率和功率密度；優(yōu)化自由活塞設計與工藝，解決動態(tài)斯特林電源的(3)復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)是針對復雜地質條件設計的一種先進鉆探技術，旨在提高鉆探過程中的地層識別精度和作業(yè)效率。該系統(tǒng)融合了地質學、控制工程學、機械力學、數(shù)據(jù)分析及智能算法等多種理論與技術，通過實時監(jiān)測與分析鉆井過程中的各種參數(shù)，實現(xiàn)對地質結構、地層巖性、含油氣性等特征的智能主要技術方向包括隨鉆測量、隨鉆測井、隨鉆聲波測井、隨鉆地震等隨鉆測量技術，以及利用先進的智能算法對收集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過這些技術，系統(tǒng)能夠未來發(fā)展趨勢上，將不斷引入人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等新技術，提高數(shù)據(jù)處理速度和精度，增強系統(tǒng)的智能化水平。技術創(chuàng)新將聚焦于提升系統(tǒng)對復雜地質環(huán)境的適應性，解決現(xiàn)有技術中識別準確性不高、數(shù)據(jù)傳輸和處理速度較慢等問題。此外，隨著智能鉆井技術的整體發(fā)展，智能鉆機、智能鉆頭、智能(4)萬米深地復雜地層鉆井技術與設備研發(fā)萬米深地復雜地層鉆井技術與設備研發(fā)是指針對地球內部深度達到1萬米以上的復雜地質環(huán)境，研發(fā)和應用一系列先進的鉆井技術與裝備，以克服高溫高壓、復雜地層等萬米超深層油氣科學探索是踐行國家“四深”探測計劃的重要任務，塔里木油田的“深地塔科1井”是我國第一口垂深超過1萬米的井，其鉆探克服了超高壓、超高溫和超重載荷等眾多問題，形成了萬米特深井安全高效鉆完井等核心技術。主要技術方向包括：超深井鉆機裝備；極限深度井身結構優(yōu)化與拓展；高效破巖與鉆井提速技術；耐高溫鉆完井工作液；鉆井液降摩阻技術；高溫高壓固井技術；復雜狀況防控與處置技術等。其發(fā)展趨勢包括：強化地質工程一體化，提高對復雜地質環(huán)境的探測精度；提高深地鉆井設備的智能化與模塊化水平，實時診斷、預測和調控；研發(fā)耐高溫、高壓(5)熱化學儲能與固態(tài)儲氫裝置及系統(tǒng)研發(fā)熱化學儲能是一種利用可逆氣固化學反應進行熱量存儲與釋放的儲能技術。合金與氫氣的可逆化學反應也是一種固態(tài)儲氫技術，鎂基金屬/鈦基金屬等合金與氫氣反應形成金屬氫化物實現(xiàn)氫氣存儲并釋放熱量，再對氫化物進行加熱后進行分解反應釋放氫氣，因此可視為一種集熱化學儲熱與固態(tài)儲氫與一體的技術。現(xiàn)有研究多將熱化學儲熱與固態(tài)儲氫分開研究，各自利用，但是儲放氫過程受到儲放熱及傳熱過程的制約，相互影響，且化學反應熱的大小對固態(tài)儲氫的儲能效率有著極大的影響。未來如果協(xié)同考慮儲放氫與儲放熱過程，實現(xiàn)氫熱聯(lián)供，將是一種提高能源利用效率的有效方法。裝置及系統(tǒng)的設計優(yōu)化是該技術面臨的重要挑戰(zhàn)，需要綜合考慮高傳熱性能、高系統(tǒng)利用效率、反應循環(huán)穩(wěn)定性等因素進行系統(tǒng)集成，并(6)大功率寬范圍雙向充電技術與裝備大功率寬范圍雙向充電技術是電動汽車與電網之間進行雙向直流(DC)/交流(AC)變換的技術，其實現(xiàn)依賴于大功率雙向充電樁。大功率雙向充電樁電網接入側交流輸入、輸出電壓一般為單相220V或三全球工程前沿2024相380V,電動汽車接入側直流輸入、輸出電壓范圍涵蓋200~1000V,雙向交互功率最高可達240kW。大功率寬范圍雙向充電技術提升了能源的利用效率，增強了電動汽車的靈活性和經濟性，為車網互動提供該領域的主要技術方向包括：雙向AC/DC和DC/DC變換技術；雙向充電功率和電壓范圍提升技術；耐壓、絕緣以及散熱技術；雙向充電集成管理技術；雙向充電計量技術；電動汽車、雙向充電樁與電網間該領域未來發(fā)展趨勢包括：技術層面，研究高效大功率雙向交、直流變換技術；裝備層面，結合液冷搭建大功率雙向充電能量管理平臺，實現(xiàn)電動汽車、充電樁與電網間信息互(7)核輻射無人機尋源系統(tǒng)伴隨著無人機商用化日趨成熟，利用無人機搭載輻射監(jiān)測儀進行輻射監(jiān)測或放射源搜尋，可以實現(xiàn)高效搜尋輻射事故放射源并降低尋源人員受輻照風險，能夠應用于核事故污染情況監(jiān)測、輻射場地調查和放射源搜尋等領域。基于小型無人旋翼機的良好機動性，結合核探測、信號處理、GPS定位、無線通信等技上位機軟件實時獲取測量數(shù)據(jù)并處理后，顯示當前測量環(huán)境的輻射熱點圖。系統(tǒng)核心設備和技術包括輻射探測設備，可以同時實現(xiàn)環(huán)境劑量率和能譜測量。例如采用尋源迭代算法對放射源進行精確定位；采用克里金插值算法進行劑量率繪圖，勾勒出放射性環(huán)境下的熱點區(qū)域，對于放射源的搜尋工作以及放射性泄漏(8)核反應堆分散控制系統(tǒng)的驗證方法、驗證裝置及驗證系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)是由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)。作為核電站的中樞神經系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)分為安全級分布式控制系統(tǒng)和非安全級分布式控制系統(tǒng)兩大類。其主要功能是對核電站運行過程中的各個參數(shù)進行實時監(jiān)控，包括對核反應堆的保護和控制等，這對于確保核電站安全可靠和穩(wěn)定運行具有非常重要的作用。按照核法規(guī)HAF要求，安全級分布式控制系統(tǒng)的驗證與確認是確保軟件安全性與可靠性的必要環(huán)節(jié)。驗證仿真平臺的設計特點體現(xiàn)在采用先進、成熟且開放性良好的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件，建立準確的仿真模型，以準確模擬被控系統(tǒng)的動態(tài)運行特性，并為控制系統(tǒng)提供必要的實時運行反饋，形成控制閉環(huán)；這些仿真模型包括相關的物理堆工模型、電氣模型、熱工水力模型和控制仿真模型，通過集成儀表控制主控室人機界面設計、邏輯圖及模擬圖部分控制系統(tǒng)功能自主(9)花崗巖型鈾礦深部有利成礦空間識別及定位技術源類型，但找礦深度有限，已探明花崗巖型鈾礦勘查深度大部分局限于500m,近年來達到1000~1200m,國外同類型鈾礦勘查深度大于2000m。花崗巖型鈾礦深部有利成礦空間識別及定位技術的主要研究方向包括深部有利成礦空間平面及垂向定位地質示蹤技術、深部地質結構及鈾成礦條件地球物理探測技術、多該技術體系在多個花崗巖型鈾礦找礦勘查中取得了顯著成效，在諸廣南部鈾礦田油洞地區(qū)，成功在950m深度發(fā)現(xiàn)厚大工業(yè)礦體，并在1550m深度發(fā)現(xiàn)了我國目前最深工業(yè)鈾礦，刷新了我國工業(yè)鈾礦發(fā)現(xiàn)的深度紀錄。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等找礦預測技術的發(fā)展與應用，花崗巖型鈾礦深部有利成礦空間及定位技術的未來主要發(fā)展趨勢包括：大深度隱伏礦體元素-同位素地質識別技術、深部弱異常信息增強提取技術、高精度地球物理探測技術、基于大數(shù)據(jù)的深部鈾資源智能化找礦預測技術、大深度花崗巖型鈾礦四維建模(10)頁巖氣井產能實時在線預測系統(tǒng)頁巖氣井產能實時在線預測系統(tǒng)是一種集成了數(shù)據(jù)采集、處理、分析與預測功能的綜合性系統(tǒng)。該系主要技術方向包括：①建立頁巖氣井目標產量數(shù)據(jù)集，利用神經網絡訓練獲得動態(tài)產能預測模型，確定頁巖氣井在所述目標時刻的產量；②綜合考慮裂縫建模、動態(tài)模擬、歷史擬合到產能預測的產能評價方法，采用馬爾可夫鏈-蒙特卡羅智能化歷史擬合算法，結合嵌入式離散裂縫技術耦合數(shù)值模擬器形成了一體化頁巖氣井產能評價模型，預測頁巖氣井產能；③綜合考慮地質因素與工程因素，整合頁巖氣開采全周融合機器學習、深度學習等先進技術與統(tǒng)計學理論模型，提高頁巖氣井產能預測的精度和效率，并實(11)煤層氣與煤炭資源共采技術煤層氣(coal-bedmethane,CBM)與煤炭資源共采技術是近年來在煤炭開采領域逐漸興起的前沿技術，旨在實現(xiàn)煤層氣與煤炭的高效、經濟和環(huán)保的聯(lián)合開采，以提高資源利用率，減少環(huán)境影響，并為能源結構轉型作出貢獻。主要研究方向包括：開采技術集成、煤層氣資源評估、水文地質影響分析、智能監(jiān)測與未來，煤層氣與煤炭資源共采技術將朝著智能化、綠色化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。在智能化方面，隨著傳感器技術和數(shù)據(jù)處理能力的提升，智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)將更加普及，有助于實現(xiàn)開采過程的實時監(jiān)控和優(yōu)化調節(jié)。在綠色化方面，技術的發(fā)展將更加注重環(huán)境保護，力求在開采煤層氣的同時，減少對生態(tài)環(huán)境的影響，避免水土流失和地下水污染。在系統(tǒng)化方面，將推動多學科的交叉融合，結合地質、工程、環(huán)境(12)二氧化碳礦化充填封存一體化技術二氧化碳礦化充填封存一體化技術是將二氧化碳封存技術與充填開采技術進行有機結合，實現(xiàn)二氧化碳的大規(guī)模化充填封存利用的技術。該技術通過礦化反應將二氧化碳固定在充填體中，不僅能夠有效減少二氧化碳氣體排放，提高充填體強度，降低充填成本，還可以減少因固體廢棄物排放不當對空間的占用和環(huán)境的破壞，減輕礦山開采造成的巖層移動、地表沉陷等問題。二氧化碳礦化充填封存一體化技術主要包括固碳充填材料的制備、充填料漿的輸送以及充填體強度的形成三大環(huán)節(jié)。該過程主要包括礦化反應、料漿輸運、二氧化碳在充填材料內擴散等子過程。二氧化碳礦化充填封存一體化技術的主要發(fā)展方向包括：①固液氣三相管道輸送研究；②二氧化碳礦化機理研究；③礦化充填體力學特性研究；④二氧化碳礦化強化技術；⑤二氧化碳充填材料制備技術；⑥物理-化學協(xié)同封存二氧化碳機理研究；⑦二氧化碳充填采礦方法研究等。二氧化碳礦化充填封存一體化技術的主要核心目標是增加二氧化碳封存量以及降低充填全球工程前沿2024固態(tài)電池采用固態(tài)電解質替代電解液和隔膜，為鋰金屬負極的使用提供了可能，從而大大提高了鋰離也是導致電池容量衰減與安全問題的重要原因。此外，固態(tài)電解質合成工藝復雜、產率低、生產成本高，本征材料改性與制造工藝優(yōu)化可進一步提升固態(tài)電池能量密度、增長循環(huán)壽命、降低合成成本。本征摻雜Si、C等元素，以及減小材料顆粒粒徑，有利于緩解界面副反應，提升鋰離子擴散速率，提高固態(tài)電池能量密度。優(yōu)化固態(tài)電解質中離子傳輸?shù)亩ㄏ蚝瓦B續(xù)界面通道，構建多層異質電解質結構，摻雜Zn、F等元素以提升電解質電化學穩(wěn)定性，有助于減少鋰枝晶生長，減緩電解質衰退，延長電池循環(huán)壽命。通過設計富氟化鋰、氮化鋰的原位界面鈍化層，可降低電池內阻、緩解電解質衰退與減緩枝晶生長，提升電池循環(huán)性能與安全性能。然而，由于固態(tài)電池內部與界面電化學等過程具有鮮明的化學場、電場、力場耦合特征，單一設計難以兼顧多參數(shù)的全面優(yōu)化。綜合考量多場耦合效應，構建真實工況下固態(tài)電解質的實驗環(huán)境與理論模型，可有效揭示其實際應用下的失效、失控機制，為設計固態(tài)電池能量密度、優(yōu)化循環(huán)壽命制造工藝優(yōu)化主要包括成膜工藝改進、大規(guī)模量產技術與超快精準合成技術三個方面。成膜工藝分為濕法工藝和干法工藝，其中濕法工藝成膜操作簡單、工藝成熟、易于規(guī)模化生產，是目前最有希望實現(xiàn)固體電解質膜量產的工藝之一，但其工藝還需進一步研發(fā)。電解質大規(guī)模生產技術目前尚在探索中，高原料成本與均勻化合成是亟須突破的難關，業(yè)內預計將在2025年實現(xiàn)小批量生產，大規(guī)模商業(yè)化則需等到2030年左右。超快精準合成技術可以在短短幾秒內實現(xiàn)多組分高熵固態(tài)電解質的超快合成，不僅能高效篩選探索具有特定目標組分的電解質材料，而且可實現(xiàn)多元素準確、均勻地合成單一純相材料，是未來固態(tài)“高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術”工程研究前沿中，中國以149件專利公開量位居世界第一，公開量比例為45.43%,其次為日本、美國和韓國(表5.21)。其中，美國與韓國的合作最多，中國主要與美LG化學有限公司、東風日產汽車公司、本田汽車公司、北京衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司、三星電子有限公司、寶馬汽車公司(表5.22)。其中，現(xiàn)代汽車公司與起亞汽車公司的韓國本土合作最為密切，其他公司的合作相對較少(圖5.14)。“高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術”工程開發(fā)前沿的發(fā)展路線如圖5.15所示，其在交通電氣化、儲能系統(tǒng)等領域具有廣闊的應用前景。未來5~10年，該領域的重點發(fā)展方向是本征材料性能提升與大規(guī)模制造工藝。基于正負極材料改性、電解質結構設計和原位界面鈍化層進一步提升固態(tài)電池能量密度與循環(huán)壽命，實現(xiàn)電池小型化與便攜化。同時，電解質大規(guī)模量產技術、成膜工藝改進與超快精準合成技術將推國家“高比能長壽命低成本固態(tài)電池技術”工程開發(fā)前沿中核心專利的主要產出國家1中國2日本3美國4韓國5德國6比利時57英國48法國3092西班牙2荷蘭中國比利時1豐田汽車公司2現(xiàn)代汽車公司3起亞汽車公司4松下集團5LG化學有限公司966東風日產汽車公司807本田汽車公司78北京衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司729三星電子有限公司寶馬汽車公司761全球工程前沿2024北京衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司正負極材料改性相比于化學和太陽能電池，同位素電源具有能量密度高、環(huán)境適應性強、自持免維護等優(yōu)點，是太空探測、深海與極地勘探、無線網絡最具潛力的電力供應技術。自1961年實現(xiàn)首臺應用后，同位素電源就被美國、俄羅斯、英國等發(fā)達國家視為顛覆性技術并大力發(fā)展。針對空間、陸上和水下等不同應用環(huán)境，在20世紀開發(fā)出了系列化、型譜化的溫差型同位素電源產品，例如：美國用于空間探測的“SNAP”“HWM-RTG”“GPHS-RTG”“MMRTG”钚-238溫差電源，俄羅斯用于遠海與極地氣象監(jiān)測和導航的“Penguin”“Beta-M”“Senostav”鍶-90溫差電源，以及英國用于航海燈標的“RIPPLE”鍶-90溫差電源，功率覆蓋瓦級至百瓦級，效率由2%提升至6.7%。進入21世紀，為了滿足深空和深海探索的提升空間應用安全性；開發(fā)方鈷礦、半哈、鍺硅等高溫、高ZT值熱電材料，提升電源系統(tǒng)效率；開發(fā)高效保溫結構和高發(fā)射率涂層，提升系統(tǒng)熱效率；開展動態(tài)斯特林轉換電源研發(fā)和測試等。同時，針對未來無線感知網絡和MESM系統(tǒng)集成電源，美俄也分別提出了微型氚和鎳-63輻伏電源的研發(fā)計劃。目前，中國、美國、日本、俄羅斯和韓國是國際上同位素電源研發(fā)的主要力量(表5.23)。其中，中國近十年發(fā)展迅速，并在2018年實現(xiàn)空間應用，專利公開量位列第一。美國起步最早，發(fā)展最完善，技術水平和成熟度最高，專利公開量位列第二。俄羅斯受經濟形勢影響發(fā)展緩慢，專利公開量已跌至第四。中國同位素電源的研發(fā)主要以中國原子能科學研究院為主(表5.24)。目前亦未見機構間合作報道。未來10年，針對不同場景需求，同位素電源的發(fā)展仍會以提升電源的功率等級、轉換效率、功率密度和安全性為技術突破的重點，并逐步以模塊化和標準化來提升同位素電源的多任務適配性，拓展其應用范圍。圖5.16所示為“基于同位素電源的核電池開發(fā)”工程開發(fā)前沿的發(fā)展路線。國家1中國2美國3日本4925韓國656英國37意大利378法國209印度20201中國原子能科學研究院2西安交通大學3吉林大學4745山東省齊魯干細胞工程有限公司66銀豐生物工程集團有限公司647東華理工大學608安徽古一生物科技有限公司595MitraRxDx公司57全球工程前沿2024復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)的開發(fā)是石油、礦產和煤炭等地下資源勘探中的關鍵技術，尤其是在資源分布復雜、地層多變的環(huán)境中，該系統(tǒng)可以提高勘探效率和精度、減少鉆井風險，優(yōu)化開發(fā)隨鉆測量(MWD)和隨鉆測井(LWD)技術的初步發(fā)展可以追溯到20世紀30年代，最初的隨鉆測井是電測井方法，系統(tǒng)主要依賴于電磁波、聲波等傳統(tǒng)測量手段，數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，實時性較差。隨著遙感測量儀器的發(fā)展，人們逐漸開發(fā)了聲波測井、放射性測井等多項隨鉆測井技術。電子技術和數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，也使隨鉆測量和測井技術得到了顯著提升。進入21世紀后，結合無線電通信和高精度傳感器的隨鉆測量系統(tǒng)逐漸成熟，能夠提供更實時、更精確的地質數(shù)據(jù)。近年來，大數(shù)據(jù)和機器學習等的興起進一步推動了隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)的發(fā)展。在復雜地質條件下，機器學習算法已被用來自動識別地質“復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)”工程研究前沿中，核心專利產出第一的國家是中國，專利公開量占比達96.45%,其他國家均低于2%;排名第二的是美國，公開量占比僅為1.03%(表5.25)。在核心專利的主要產出機構(表5.26)方面，排名前十的機構均來自中國，其中中國中鐵股份有限公司、山東大學和中國國家鐵路集團有限公司排名前三。該領域的國家間合作集中在美國、法國和加拿大之間(圖5.17),機構間的合作研究集中在中國相關機構，包括中國中鐵股份有限公司、中國國家鐵路集團有限公司、大連理工大學等(圖5.18)。感技術革新，一方面采用有線鉆桿等新型數(shù)據(jù)傳輸技術，保障在深井/超深井條件這將使鉆井操作更加簡便和高效，所有關鍵數(shù)據(jù)和決策支持功1中國2美國美國3日本94韓國韓國953617伊朗18法國法國19111中國中鐵股份有限公司2山東大學3中國國家鐵路集團有限公司4中國礦業(yè)大學(北京)5深圳市道通科技股份有限公司76山東科技大學77789中國地質大學(武漢)中國石油化工股份有限公司76中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司6日本美國中國圖5.17“復雜地質條件下隨鉆智能探測與識別系統(tǒng)”工程開發(fā)前沿主要國家間的合作網絡山東科技大學中國地質大學(武漢)中國礦業(yè)大學(北京)中國國家鐵路集團有限公司中國中鐵股份有限公