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
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
2024年度
光合效率 遗传调控网络 分子育种 粮食产量
光合作用是作物产量形成的基础，90%以上的干物质来自光合作用，光合作用效率高低决定着作物产量的高低。高光效的生物学基础是国际上长期悬而未决的重大科学问题，涉及光能吸收/传递与转换、电子传递、碳同化三个复杂的生理生化过程。叶片解剖学结构形成与叶绿体发育也决定着作物光合作用效率。目前主要农作物的光能利用效率仅为1%左右，阐明作物高光效的生物学基础，大幅提升光能利用效率，是从根本上提升作物单产的重要途径，有望引起新一轮的育种革命。
推荐机构： 中国农学会
人工智能 低碳节能 神经网络 信息表征
人工智能技术的进步得益于人类大脑的研究进展和发现。通过学习人类视觉神经系统，发现了卷积神经网络解决机器视觉的问题；通过学习人类大脑的奖励机制，发现了强化学习的方法，大大提升了机器学习效率。但在能量的使用方面，机器对数据的处理和对能量的消耗是大脑的数千倍。由此引出了这个重要科学问题：如何实现低能耗人工智能？解决这一问题可能的两条路径，一是算力硬件领域的进步，仿照人类神经元的组成和工作原理，突破现有计算机的架构，实现低能耗人工智能计算。二是算法领域的进步，发现和学习人类神经元信息处理的方式，突破信息表征新范式，实现低数据处理量的人工智能计算方法，实现低能耗人工智能。
推荐机构： 中国移动科学技术协会
2023年度
化石 白垩纪 生态系统 生物多样性
现代陆地生态系统形成于白垩纪中期。它的出现也改变了能量流动和碳、磷等关键元素的循环过程，深刻影响了地球表层系统的演化进程。了解“白垩纪陆地革命”的起因、过程和动力机制是解答现代陆地生态系统起源问题的关键。
推荐机构： 中国古生物学会
轮轨耦合系统 更高速度 轮轨系统能量场 轮轨系统耗能机理 智能诊断
列车运营速度是衡量一个国家铁路发展水平和工业科技水平的重要指标之一，当前世界各国为了提高影响力和竞争力，多个国家已计划或规划进一步提高列车运营速度。而轮轨系统耦合机理是制约轮轨制式交通运营速度、安全舒适性进一步提升的关键科学问题。在更高速度条件下，轮轨瞬态滚动接触行为变的更为复杂，存在强摩擦力、多环境能量场交互、高应变率载荷等复杂效应。轮轨系统复杂的耦合接触行为将导致轮轨系统能量场发生不可预知的变化，并在轮轨系统能量场交互机制作用下，产生车辆-轨道系统能量重构现象，影响车辆和轨道系统的能量耗散响应，若能量耗散不合理，将导致车辆和轨道系统关键部件的伤损，严重影响列车运行的安全性。因此如何探明更高速度条件下的轮轨耦合机理及能量场分布特征是提高运营速度、提升安全性和舒适性，并降低车辆和轨道系统部件伤损的关键核心科学问题，是完善我国高速铁路全面系统正向设计理论和方法体系，研制我国新一代高速列车，提升我国铁路行业国际竞争地位，彰显国家工业科技水平和综合国力的核心基础。
推荐机构： 中国铁道学会
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
微纳器件 微纳尺度 非线性效应 尺度效应
非线性效应是前沿科学和工程技术中广泛存在的现象，在各学科都得到了深入的研究。然而，随着更小尺寸的人造体系不断涌现，人们对于非线性效应的已有认识，到微米纳米甚至更小的尺度是否仍然适用？非线性效应是否会出现新的体现形式，带来新的非线性现象？
推荐机构： 中国微米纳米技术学会
纤维 复合材料 表界面 科学
高性能纤维及复合材料以其高性能、轻量化等优点，国际上已经在航空航天等高端领域大量应用，并正加速向汽车、轮船、轨道交通等领域，以及自行车、球拍等应用领域扩散。高性能纤维及复合材料的表面界面，对材料的制备工艺、产品性能以及应用等具有重大影响。我国在高性能纤维及复合材料的表面界面的基本科学问题方面的研究滞后于应用研究，由于缺乏理论指导材料性能的提升与功能化进展缓慢，阻滞了进一步应用发展。在高端领域关键材料尚不能实现国产化替代，仍存在“卡脖子”技术。美国、日本、西欧等在尖端产品领域对我国实施产品禁运与技术封锁，严重影响了我国在这些领域的技术进步与产业发展。 我国在高性能纤维及复合材料的基础科学问题研究突破不足、积累不够，生产装备及工艺落后于发达国家，高性能纤维及复合材料的综合性能相对不高且成本较高，导致其严重依赖进口。
推荐机构： 中国科学学与科技政策研究会
空气动力学 非平衡 多尺度 气体与物面作用
100km~200km上层大气层是人们一直想利用而没有利用到的空域，这一空域大气密度极低，在传统的空气动力学理论下，不足以产生维持其在该空域飞行的升力，又存在不可忽视的阻力。这种现状的根本原因是相比于传统的空气动力学，上层大气空气动力学发展缓慢，不足以支撑这一空域飞行器发展的需求。相比传统意义下的空气动力学，上层空气动力学流动的非平衡效应更加显著，具有强烈的多尺度特征，低密度环境导致物面的影响传播得更远，多场耦合效应更加严重。一旦取得突破，将带来颠覆性影响，做到100km~200km上层大气层空域的有效利用，带动地球测绘等关系民生的重大科技进步，填补在此空域飞行的飞行器空白。
推荐机构： 中国空气动力学会
作物遗传 土壤环境 全球变化 农业资源
当今和未来很长时间内，人类活动强烈、快速且持续性地影响全球气候环境，包括大气中温室气体（如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）的浓度增加、平均气温的上升、极端天气事件的增加，以及由此带来的土壤环境和动植物物种分布等变化。 土壤和温光环境是植物生长发育及其演化适应的基础。气候变化对农业生产的影响包括（1）降雨和温度变化：气候变化可能导致降雨分布和数量的变化以及温度的升高，从而影响农作物的生长和产量；（2）土壤质量下降：气候变化可能导致土壤质量下降，影响农作物的生长和产量；（3）水资源不足：气候变化可能会导致水资源的不足，对农业生产造成威胁。因此，利用最新的生物和环境技术手段，解析农作物基因与环境互作的分子与遗传机制，一方面是预判未来作物适应环境变化的基础前沿科学问题，另一方面也可以用于相应的作物未来设计育种。
推荐机构： 中国植物营养与肥料学会
