问题类型
全部 前沿科学问题 工程技术难题 产业与技术问题
学科领域
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征集年度
全部 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2018
海上综合能源岛 构网型海上风电 氢基能源 绿电消纳
随着海上风电开发向深远海迈进，风与波资源均越趋富集，能有效提高综合用海效率、整体发电能力、整体经济性、整体输出稳定性的风波同场就成为一种降本增效增稳的可行选择，如何发挥风波同场协同效应、保障其电力稳定送出、储存和消纳成为重要研究方向。首先，波浪能与海上风能间存在显著伴生关系，目前风波同场开发技术尚不成熟，迫切需要解决风波同场开发关键技术，将极大推动海洋可再生能能源产业的发展。其次，当前海上风电送出方案中的低频输电和中频输电技术的发展尚处于起步阶段，工程应用经验不足，而工程实践和理论研究均表明海上风电场通过多端直流并网可降低工程成本并提高系统效率，海上风电群经多端直流送出具有重要研究意义。再次，利用海上风波电产生的绿色电力制氢不仅为海上风波电消纳提供新思路，也是未来新能源替代传统能源的重要手段之一，而制氢、制甲醇等氢基能源对电能质量的稳定性要求较高，频繁的电力波动会对电解效率、氢气纯度和化工设备的运行寿命造成影响，迫切需要开展适应波动性电源的制氢、制甲醇技术研究，解决海上风波电规模化存储难题。第四，大规模海上风波电电力消纳问题也是海上风波电建设面临的核心挑战之一。通过海水淡化、海底数据中心等方式可以促进绿色能源的就近消纳，而如何开展适应风能变化的海水淡化装置的自适应运行策略及控制方法研究以及解决海上风波电直供数据中心的供电安全是亟待解决的问题。
推荐机构： 中国水力发电工程学会
2024年度
电-氢-碳耦合 煤电转型 新能源消纳 绿色化工
碳排放过量导致的气候变化问题，本质上是化石能源过度开采导致的碳循环失衡，释放到大气中的二氧化碳大于地球系统固化的二氧化碳。解决这一问题有“一减一加”两个途径，一是以清洁能源代替化石能源，减少能源系统碳排放；二是捕集二氧化碳后采用人工合成方式制取甲醇等有机物加以利用，增加人工碳固化。 构建零碳排放的能源系统是实现“一减一加”的基础。在零碳排放能源系统中，可再生能源作为能量的来源，碳元素和氢元素作为能量载体循环利用，随着价态变化实现能量的吸收和释放，将随机波动的风光新能源转化为安全可控的能源产品。通过构建零碳排放能源系统，能够以“先立后破”为原则实现中国能源供应从以煤炭为主过渡到可再生能源为主的，以最高安全、最小代价使得碳循环重回平衡。具体来看以新能源发电为能量来源，以水、空气和煤电排放的二氧化碳等为原料的绿氢、绿氨、绿甲醇等工艺可以实现电-氢-碳耦合发展，为协同解决煤电绿色低碳转型、新能源大规模开发消纳等问题提供了系统性的解决方案。 目前，电-氢-碳协同仍处于理论研究阶段，发展模式尚不明确，需要针对新能源发电、煤电与绿氢、绿氨、绿甲醇等的耦合方式开展研究。同时，更高效率的电制氢技术、可调节、可中断与新能源灵活互动的柔性化工技术、氢氨发电技术等一系列技术问题也亟待解决。
推荐机构： 中国电机工程学会
新能源基地 荒漠化地区 特高压输电 安全送出
我国是世界上荒漠化面积最大、受风沙危害最重的国家之一，全国荒漠化土地约占国土面积的1/4。国家提出以沙漠、戈壁、荒漠为重点建设数亿千瓦大型风光基地，推动构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系，加快能源绿色低碳转型。 由于荒漠新能源基地所在地区大多处于电网末端，电网支撑弱，经济欠发达，本地负荷小，新能源基地缺少大电网支撑，安全运行面临挑战，无法就地消纳。 为此，要将荒漠化地区改造成为绿色能源基地，亟需解决如何在缺乏电网支撑的情况下实现数亿千瓦荒漠新能源发电基地安全稳定送出的关键问题。
2023年度
长周期储能技术 新型电力系统 电力电量平衡 大容量高效率
由于新能源发电出力波动大、可靠出力低，随着新能源装机占比不断扩大，以及煤电的逐步退出，新型电力系统面临严峻的电力电量平衡及保供挑战。大规模、长周期储能技术可以实现大规模能量的长时间存储、转移和转换，对于提升新型电力系统长周期灵活性及充裕性具有重要作用，同时也关系着未来系统的演化路径和电网形态，但目前国内外新能源发展场景、路径有很大差异，长周期储能技术的定义、需求也不同，当前的储能类型多样，但满足我国新型电力系统建设的长周期储能技术尚无明确答案，，适用于新型电力系统的大容量、高效率、具有成本经济性的长周期储能方式还一直在探索与研究之中，大规模工程应用和实践尚未开展。
聚变堆 氘氚聚变 燃烧等离子体 高约束运行
为获得足够大的聚变功率，并保证自持燃烧所需的足够高的氚增殖率，未来聚变堆运行需要将其芯部等离子体密度、温度和约束性能提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态燃烧。在此苛刻条件下，堆芯高性能燃烧等离子体运行将面临如下挑战。 1、电流驱动问题： 如何在大电流、高密度条件下获得足够的离轴驱动电流来维持等离子体高约束运行，避开大尺度磁流体不稳定性,实现完全非感应得稳态运行已成为未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题。大电流高密度下的电流驱动问题可分解为两个子问题：外部电流驱动和自举电流。对于外部非感应驱动电流：一方面，外部射频波将难以深入沉积到等离子体内部从而无法获得理想的加热和电流驱动效果。中性束加热则要求更高的束能量（或高达几十万电子伏），且由于中性束注入沉积剖面较宽，单独依靠现有的中性束注入技术难以获得离轴峰化的电流驱动剖面；另一方面，随着堆芯等离子体提升，离轴驱动出目标磁剪切剖面所需非感应驱动电流更大，同时随着密度提升，外部电流驱动电流份额又会显著下降。对于驱动聚变堆目标磁剪切和自持的另一个关键参数—自举电流：大等离子体电流使得其份额显著下降，而提升密度则有助于其份额提升。注意到，提升等离子体约束性能可显著提升自举电流。如何在堆芯大电流、高密度等离子体运行条件下发展效率更高、具有技术颠覆性的外部非感应电流驱动手段获得更为理想的外部电流份额和沉积剖面，如何提升等离子体约束性能进而大幅提升自举电流份额，是聚变堆燃烧等离子体下实现电流驱动所亟待解决的两大问题。 2、加料与排灰问题： 在燃烧等离子体高密度条件下，传统加料方式难以深入等离子体内部，从而使得芯部等离子体燃烧效率显著降低。弹丸加料虽可进行深度加料，但其会导致密度剧烈波动，严重影响等离子体稳定运行。高密度等离子体燃料粒子深度加料和稳定控制已成为未来聚变堆高参数稳定运行关键核心问题之一。 另外，堆芯燃烧等离子体高参数运行期间，会产生大量氦灰，这些氦灰堆积在芯部会严重影响等离子体性能，甚至导致大破裂。在高约束条件下，尤其是内部输运垒存在时，如何在兼容高约束运行的同时排除燃烧等离子体芯部的氦灰也是未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 3、等离子体与壁相互作用问题 聚变堆高参数运行期间，流入刮削层的来自芯部的高热负荷（尤其是边缘局域模爆发时），会对偏滤器面向等离子体材料造成严重破坏，堆芯高参数运行期间的偏滤器高热负载问题已成为聚变堆安全稳定运行最具挑战性的问题之一。此外聚变堆运行期间会释放大量中子、可能逃逸部分高能粒子，这些将对第一壁材料和结构的稳定性造成巨大挑战。 堆芯高参数等离子体强烈作用于第一壁，会在等离子体边缘产生大量杂质，这些杂质（尤其是高Z杂质）可通过输运进入芯部等离子体，稀释主等离子体浓度，并产生大量辐射，使得主等离子体聚变效率和约束性能显著下降，如何降低壁杂质回流对芯部主等离子体的影响已成为维持聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 4、燃烧等离子体物理理解 堆芯等离子体高能量粒子（特别是α粒子）的输运和损失直接关系到核聚变反应的发生率和可持续性。实现可观的氘氚聚变反应，需要等离子体离子温度达到1亿度以上，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，国际聚变界对这种极端条件下燃烧等离子体物理的理解依旧非常不足。截至目前，国际上的聚变实验装置开展过氘氚聚变实验的仅有美国的TFTR和欧洲的JET，且实验数据库样本较少，尚未系统开展燃烧等离子体下本底粒子行为和高能离子行为的研究。探索燃烧等离子体下本底粒子输运以及同位素效应等，理解α粒子输运与损失机理，发展可靠的高能量粒子损失控制手段，是未来聚变堆所必须面临和解决的关键性科学和技术问题。 5、大尺度磁流体不稳定性控制问题 边缘局域模控制：堆芯等离子体高约束运行期间，可能产生大尺度边缘局域模，其会对偏滤器造成严重损坏，同时导致芯部约束性能瞬间下降，严重影响芯部等离子体稳定运行，而小尺度边缘局域模则有利于芯部杂质排出。如何控制大尺度边缘局域模产生，维持兼容芯部高参数运行的小尺度边缘模，已成为聚变堆稳定运行的关键核心问题之一。 高拉长比等离子体垂直不稳定性控制：堆芯等离子体高参数运行需要依托高拉长比，而高拉长比则伴随着强烈的垂直不稳定性，其会引发垂直位移事件VDEs导致大破裂，从而对聚变堆内部件造成极其严重的损坏。如何有效控制高拉长比等离子体垂直不稳定性是保证未来聚变堆安全稳定运行的最为重要问题之一。 高比压撕裂模和电阻壁模控制：聚变堆高比压运行条件下，等离子体压强会驱动（新经典）撕裂模、电阻壁模等宏观磁流体不稳定性，最终导致等离子体放电大破裂。为保证聚变堆经济效益，在高比压、高参数运行条件下，使用哪些控制手段，如何抑制撕裂模、电阻壁模等宏观不稳定性是未来聚变堆稳定运行必须解决的关键问题。 6、破裂安全防护问题 聚变堆大电流高参数等离子体一次意外所致的大破裂将伴随巨大的热负载、电磁负载和逃逸电子，其可对装置造成致命损坏，如何对预测大破裂发生，在大破裂不可避免时对破裂负荷进行有效缓解，保障装置运行安全，是聚变堆大电流高参数运行所必须考虑的重大问题。 为获得足够高的聚变功率，并保证自持燃烧所需的氚增殖率，未来聚变堆需要将其芯部等离子体温度、密度和能量约束时间提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态自持的燃烧。在此苛刻条件下，堆芯等离子体稳定运行将面临严峻挑战，如电流驱动、深度加料与排灰、强烈等离子体与壁相互作用下的等离子体控制、燃烧等离子体物理理解、大尺度磁流体不稳定性控制以及破裂安全防护等。 为获得足够大的聚变功率，并保证自持燃烧所需的足够高的氚增殖率，未来聚变堆运行需要将其芯部等离子体密度、温度和约束性能提升足够高，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，以实现稳态燃烧。在此苛刻条件下，堆芯高性能燃烧等离子体运行将面临如下挑战。 1、电流驱动问题： 如何在大电流、高密度条件下获得足够的离轴驱动电流来维持等离子体高约束运行，避开大尺度磁流体不稳定性,实现完全非感应得稳态运行已成为未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题。大电流高密度下的电流驱动问题可分解为两个子问题：外部电流驱动和自举电流。对于外部非感应驱动电流：一方面，外部射频波将难以深入沉积到等离子体内部从而无法获得理想的加热和电流驱动效果。中性束加热则要求更高的束能量（或高达几十万电子伏），且由于中性束注入沉积剖面较宽，单独依靠现有的中性束注入技术难以获得离轴峰化的电流驱动剖面；另一方面，随着堆芯等离子体提升，离轴驱动出目标磁剪切剖面所需非感应驱动电流更大，同时随着密度提升，外部电流驱动电流份额又会显著下降。对于驱动聚变堆目标磁剪切和自持的另一个关键参数—自举电流：大等离子体电流使得其份额显著下降，而提升密度则有助于其份额提升。注意到，提升等离子体约束性能可显著提升自举电流。如何在堆芯大电流、高密度等离子体运行条件下发展效率更高、具有技术颠覆性的外部非感应电流驱动手段获得更为理想的外部电流份额和沉积剖面，如何提升等离子体约束性能进而大幅提升自举电流份额，是聚变堆燃烧等离子体下实现电流驱动所亟待解决的两大问题。 2、加料与排灰问题： 在燃烧等离子体高密度条件下，传统加料方式难以深入等离子体内部，从而使得芯部等离子体燃烧效率显著降低。弹丸加料虽可进行深度加料，但其会导致密度剧烈波动，严重影响等离子体稳定运行。高密度等离子体燃料粒子深度加料和稳定控制已成为未来聚变堆高参数稳定运行关键核心问题之一。 另外，堆芯燃烧等离子体高参数运行期间，会产生大量氦灰，这些氦灰堆积在芯部会严重影响等离子体性能，甚至导致大破裂。在高约束条件下，尤其是内部输运垒存在时，如何在兼容高约束运行的同时排除燃烧等离子体芯部的氦灰也是未来聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 3、等离子体与壁相互作用问题 聚变堆高参数运行期间，流入刮削层的来自芯部的高热负荷（尤其是边缘局域模爆发时），会对偏滤器面向等离子体材料造成严重破坏，堆芯高参数运行期间的偏滤器高热负载问题已成为聚变堆安全稳定运行最具挑战性的问题之一。此外聚变堆运行期间会释放大量中子、可能逃逸部分高能粒子，这些将对第一壁材料和结构的稳定性造成巨大挑战。 堆芯高参数等离子体强烈作用于第一壁，会在等离子体边缘产生大量杂质，这些杂质（尤其是高Z杂质）可通过输运进入芯部等离子体，稀释主等离子体浓度，并产生大量辐射，使得主等离子体聚变效率和约束性能显著下降，如何降低壁杂质回流对芯部主等离子体的影响已成为维持聚变堆稳态燃烧的关键核心问题之一。 4、燃烧等离子体物理理解 堆芯等离子体高能量粒子（特别是α粒子）的输运和损失直接关系到核聚变反应的发生率和可持续性。实现可观的氘氚聚变反应，需要等离子体离子温度达到1亿度以上，聚变核心综合参数“三乘积”达到1021量级，国际聚变界对这种极端条件下燃烧等离子体物理的理解依旧非常不足。截至目前，国际上的聚变实验装置开展过氘氚聚变实验的仅有美国的TFTR和欧洲的JET，且实验数据库样本较少，尚未系统开展燃烧等离子体下本底粒子行为和高能离子行为的研究。探索燃烧等离子体下本底粒子输运以及同位素效应等，理解α粒子输运与损失机理，发展可靠的高能量粒子损失控制手段，是未来聚变堆所必须面临和解决的关键性科学和技术问题。 5、大尺度磁流体不稳定性控制问题 边缘局域模控制：堆芯等离子体高约束运行期间，可能产生大尺度边缘局域模，其会对偏滤器造成严重损坏，同时导致芯部约束性能瞬间下降，严重影响芯部等离子体稳定运行，而小尺度边缘局域模则有利于芯部杂质排出。如何控制大尺度边缘局域模产生，维持兼容芯部高参数运行的小尺度边缘模，已成为聚变堆稳定运行的关键核心问题之一。 高拉长比等离子体垂直不稳定性控制：堆芯等离子体高参数运行需要依托高拉长比，而高拉长比则伴随着强烈的垂直不稳定性，其会引发垂直位移事件VDEs导致大破裂，从而对聚变堆内部件造成极其严重的损坏。如何有效控制高拉长比等离子体垂直不稳定性是保证未来聚变堆安全稳定运行的最为重要问题之一。 高比压撕裂模和电阻壁模控制：聚变堆高比压运行条件下，等离子体压强会驱动（新经典）撕裂模、电阻壁模等宏观磁流体不稳定性，最终导致等离子体放电大破裂。为保证聚变堆经济效益，在高比压、高参数运行条件下，使用哪些控制手段，如何抑制撕裂模、电阻壁模等宏观不稳定性是未来聚变堆稳定运行必须解决的关键问题。 6、破裂安全防护问题 聚变堆大电流高参数等离子体一次意外所致的大破裂将伴随巨大的热负载、电磁负载和逃逸电子，其可对装置造成致命损坏，如何对预测大破裂发生，在大破裂不可避免时对破裂负荷进行有效缓解，保障装置运行安全，是聚变堆大电流高参数运行所必须考虑的重大问题。
推荐机构： 中国能源研究会
冲击地压煤层 智能防冲 主动解危 卸压开采
煤炭是我国能源安全的“压舱石”，冲击地压已成为制约我国煤矿安全生产和产能释放的头号杀手，而且随着开采深度的不断增加，其影响越发凸显，将严重影响我国能源战略安全和国民经济持续健康发展。因此，如何突破冲击地压煤层开采技术瓶颈，实现安全、智能、高效开采是迫切需要解决的关键工程技术难题。
推荐机构： 中国煤炭学会
天然气提氦 气体分离 膜分离技术 离子液体膜
氦气是国家重要战略稀有气体资源，在国防军工、高端医疗、电子制造和大科学装置等领域都发挥着不可替代的作用。我国对氦气的需求量极大全球第二，但超过95%的氦气都依赖进口，是严重的“卡脖子”气体。氦气通常是与天然气伴生的，我国已发现的氦气藏普遍品位低，其中浓度低于500 ppm的气藏约占一半，低品位含氦天然气因提取困难而未得到充分利用，造成了严重的资源浪费，因此开发面向贫氦天然气的低成本提取技术是保障我国氦资源安全的关键难题。气体分离膜技术因分离过程不涉及相变，具有绿色、高效、节能的显著优点，为低成本天然气提氦提供了新机遇。开发气体分离膜与低温吸附或者低温精馏的耦合提氦技术被认为是实现低成本天然气提氦的有效途径，即通过膜分离富集的粗氦再经低温吸附或低温精馏得到高纯氦。膜富集得到氦气的纯度决定了低温吸附或低温精馏的设备投资和运行成本，因此膜分离技术也是实现低成本天然气提氦的关键。膜分离技术的核心是膜材料，开发具有自主知识产权的高性能天然气提氦膜材料与膜组件，并考察膜分离性能与低温技术耦合及经济性的关联对于我国低成本天然气提取和保障氦资源安全具有重要意义。
推荐机构： 中国化工学会
2022年度
高线速度下转子铁心及绕组的结构设计 转子绕组主保护设计 转子物理量监测 抽水蓄能发电电动机。
可变速抽水蓄能机组，可以实现变速恒频运行，实现机电系统的柔性连接，使水泵水轮机在变化的水头下达到最优运行，通过一定的矢量控制技术，可以实现电力系统的有功功率和无功功率独立调节，并具有快速的系统相应，同时还可以扩大发电和抽水两种工况下的功率调节范围。可更好解决新能源发电并网带来的频率不稳定问题，解决定速机组无法调节输入功率的问题，还可通过自动频率控制来提高电网供电质量，实现有功功率的快速调节，同时提高电网频率的调节精度，从而提高电力系统稳定性。 目前，可变速抽水蓄能机组采用双馈电机的结构，对于大容量可变速抽水蓄能机组的设计，由于转子表面的高线速度，在转子铁心的结构、端部绕组的动态可靠设计、以及转子多相绕组的动态防护，转子多相绕组的主保护设计等方面都存在严峻的考验。国内目前可变速抽水蓄能发电电动机的产品尚处于空白，国外日本单机容量已经做到了420 MVA（定子机端475MVA）。
海水 铀 吸附 抗生物附着
海水提铀研究是前沿性科学问题，如何将海水中难动用的、巨大量级的铀资源变为经济可采是一个挑战。随着高分子材料学科迅猛发展、工程技术等领域的不断进步，实现海水提铀未来可期。但目前未达到工程化水平，海水提铀研究需解决海水中铀赋存状态/材料功能基与铀作用机理、低成本高效材料制备、低能耗提铀实施方式、技术与经济评价标准体系建立等关键科学问题。
推荐机构： 中国核学会
新能源 电力系统 电网构建型 同步支撑
随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，以风电、光伏为代表的新能源将得到规模化发展，高比例新能源和高比例电力电子设备电力系统正逐步形成。然而现有电力系统仍以同步机为主导，新能源以跟随同步机的方式运行，不具备自组网能力，对电网同步支撑能力较弱，无法满足高比例新能源下电网的稳定运行要求。在未来，如何构建以新能源为主导的电力系统，保证电力系统的安全稳定运行是大规模发展新能源、实现“碳达峰，碳中和”进程中的关键问题。
2021年度
