全球工程前沿-能源与矿业工程报告（27页）

Top 12 工程研究前沿发展态势

能源与矿业工程领域 Top 12 工程研究前沿涉及能源和电气科学技术与工程、核科学技术与工程、地质资源科学技术与工程、矿业科学技术与工程4 个学科方向（见表 1.1.1）。其中，新兴前沿包括可再生合成燃料、石油资源就地转化与高效利用研究、数字化反应堆及核电站智能化模拟研究；传统深入研究包括先进乏燃料后处理工艺研究、压裂裂缝诊断评估方法、地幔柱相关关键金属矿床研究、低浓度瓦斯安全直接燃烧利用理论与技术；颠覆性前沿是深地固体矿产资源流态化开采及其过程调控机制；融合交叉学科前沿包括智能钻井基础理论与方法、基于纳米相变材料的太阳能光伏 / 光热耦合系统、智能电网信息物理系统安全性研究、基于脉冲功率技术的 Z 箍缩驱动惯性约束聚变机理研究。2014—2019 年各前沿相关的核心论文逐年发表情况见表 1.1.2。

（1）可再生合成燃料

随着能源安全与 CO2 排放问题日益突出，可再生能源成为世界能源发展的必然趋势，也是各国应对能源短缺和气候变化、保持可持续发展的重要手段。近年来，风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源尽管获得快速发展，然而直接并网存在季节性、间歇性等不利因素，弃电问题依然突出，因此可再生能源的消纳与储能成为后续重点发展方向。可再生合成燃料是以风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源为主要能量供给，转化还原CO2来合成稳定、可储存、高能量密度的碳氢燃料或醇醚燃料。这类燃料可用于内燃机、航空发动机、燃气轮机和发电机组，排出的 CO2 再被捕集还原，理论上可实现“燃料合成 – 燃烧 – 碳排放 – 燃料合成”的高效能源循环，即零碳排放。可再生合成燃料的技术路线有电催化还原 CO2 制燃料、光催化还原 CO2 制燃料、光电催化还原 CO2 制燃料、化学还原等，进一步提高转化效率与产出率、丰富产物选择性是未来研究重点。

（2）先进乏燃料后处理工艺研究

全球面临能源生产与环境协调发展的重大挑战，节能减排形势严峻，核能作为清洁高效、可大规模应用的能源得到国际社会的高度重视。核能开发需要以核燃料为支撑，核能持续发展更需要通过后处理将核燃料循环利用起来，推动未燃尽燃料得到充分利用、新生成核燃料得以有效利用，其他有价核素得以广泛应用。核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程称为核燃料循环后段，包括乏燃料中间贮存、核燃料后处理、回收燃料制备和再循环、放射性废物处理与最终处置。其中，核燃料后处理作为最为关键的环节，主要任务是采用化学处理方法分离乏燃料中的裂变产物，回收和纯化有价值的可裂变物质（如铀和钚），再将之制成燃料元件供核电站（热堆或快堆）使用；可提高核燃料的利用率，显著节约铀资源，也可提取超铀元素和裂变产物，拓宽同位素在医疗诊治、空间任务等方面的应用。乏燃料经过后处理，减少了放射性废物的毒性和体积，提高了最终地质处置的安全性，对于核能利用的可持续发展意义重大。核燃料后处理技术作为典型的军民两用技术，受到国际防核扩散机制的严格限制，反映了国家综合实力。

（3）石油资源就地转化与高效利用研究

综合热物理、热化学和材料学等多个学科的知识，突破高黏原油原位改质、油页岩原位转化等技术，在地下将低品位石油资源转化为高品位能源，大幅提升采收率或能源转化率，有效应对未来石油资源的结构性变化。稠油原位改质技术逐步由蒸汽吞吐向蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油（SAGD）、火驱转变，近年来发展的多介质蒸汽驱技术，旨在开发高活性和强普适性的催化剂体系，降低稠油改质降黏的反应温度，提高各类稠油的改质降黏效果。页岩油地下原位转化指利用水平井电加热轻质化方法，持续对富有机质页岩层段加热，使多类有机质发生轻质化转化的物理化学过程。这一技术突破将释放页岩油资源的开发利用潜力，促进原油长期稳产甚至增产，推动石油资源就地转化与高效利用，实现商业化后对石油工业发展具有重大价值。

（4）智能钻井基础理论与方法

钻井是油气资源发现、探明和开采的关键环节，但现有钻井技术在经济、安全、高效、环保等方面无法满足复杂油气资源的开发需求，亟待发展新一代变革性钻井技术。目前将智能技术应用于油气勘探开发领域成为石油行业发展趋势，各国石油企业均积极布局油气勘探开发智能化战略。智能钻井指融合了大数据、人工智能（AI）、信息工程、井下控制工程等理论与技术的一项变革性技术，通过地面自动化钻机、井下智能执行机构、智能监控与决策的应用来实现钻井的超前探测、闭环调控、精准制导和智能决策，有望降低钻井成本并提高钻井效率和储层钻遇率，提升复杂油气藏单井产量和采收率。相关基础理论与方法方面主要涉及钻井环境智能表征、钻井工况智能感知、钻井方案智能决策、钻井参数智能调控。钻井环境智能表征可以精细刻画钻井环境工况、储层物性，是实现钻井智能监控、诊断、决策与调控的基础。钻井工况智能感知基于智能监测和数据传输技术，对地质 – 工程参数进行实时分析与采集，为钻井工程智能化提供动态数据支持。钻井方案智能决策是基于地质 – 工程数据的融合与处理，揭示钻速、成本、风险等目标函数与地质 – 工程参数之间的协同响应机制，支持实现工程参数和施工方案的优化与决策。钻井参数智能调控基于钻井参数之间的一体化协同机制，结合智能化控制理论，智能调控井眼轨迹、井筒压力、流体性能等钻井参数。

（5）基于纳米相变材料的太阳能光伏 / 光热耦合系统

根据光伏电池的温度特性，兼顾太阳能光伏发电和热能转换，在提高电池发电量的同时满足一定的热能生产需求，是已有太阳能转换利用效率最高的方法之一。在光伏 / 光热系统应用纳米相变材料，储能密度高、储放热速度快、可有效控制电池工作温度，成为太阳能高效规模化应用的重要方向。相关研究重点有：太阳能光伏电池电热联产微观机理及能量转换过程优化、新型太阳能光伏 / 光热组件及温度特性、纳米相变材料太阳能光伏 / 光热封装、纳米相变材料微观传热及储放热特性评价、基于纳米相变材料的光伏 / 光热耦合系统热电联产特性。纳米相变材料与光伏光热系统结合，是实现太阳能有序热电转换调节、提高能源效率的重要方向。发展集发电和供热于一体的高效太阳能光伏 / 光热组件及系统来满足建筑电热冷负荷需求，既是高效太阳能转换应用的趋势，又是未来低碳城市、绿色建筑、零能耗建筑重要的能源来源，将实现建筑能源有效调节和稳定供能。

（6）智能电网信息物理系统安全性研究

智能电网信息物理系统包括电力网络、信息网络、电网信息物理网络，依托广泛分布的智能传感器与通信网络来实现电网实时感知、动态控制与信息服务，进而优化电网运行状态。相关系统的安全问题分为虚拟信息网络安全、实体物理网络安全、两者耦合性风险。例如，攻击传感设备、注入虚假信息可达到攻击电网的不良目的，因此网络安全风险对电网正常运行构成潜在威胁。目前针对电网信息物理系统的安全性研究中，主要开展信息物理系统遭受的攻击类型、系统安全风险及脆弱性评估，建立网络安全测试平台来进行信息物理系统的安全性评估。信息物理系统中的安全风险具有动态传播的特征，在安全性评估的基础上，应深入研究传播与演化机理，提出先进的网络安全技术，强化信息网络的防御能力，控制安全风险传递，抵御网络攻击。未来可建设网络安全态势感知平台，识别风险事件并构建威胁传播网络，结合海量数据分析、态势预测技术，评估信息物理系统的安全态势，为实际生产环境下的智能电网信息物理系统安全防护提供可靠保障。

（7）数字化反应堆及核电站智能化模拟研究

依托高性能计算机系统，对反应堆运行工况进行科学建模，研制高置信度的数值模拟软件系统，建立虚拟反应堆，为工程设计和性能优化、运行经济性 / 安全性 / 可靠性研究提供专家参考数据库。采用高保真数值方法和高精度模型，实现堆芯设计多物理场直接模拟，获得更精确的计算结果，从专业模型和专业间接口中释放设计裕量，提高设计方案的先进性和经济性，提升反应堆运行灵活性；优化试验项目与规模，缩短研发周期，降低试验成本；优化反应堆运行流程，提升核电在能源供应体系中的竞争力。构建集技术研发、工程设计、综合验证为一体的数字化设计体系，融入物联网、大数据、虚拟现实等智能技术，实现工程设计自动化、计算分析智能化、成果展示可视化，支持多专业、多项目、全流程协同的标准化数字化建造体系。围绕核电厂运行、维修、大修、退役、培训等业务场景，开展核电站运营中生产管理、配置管理、智能监测诊断与智能机器人等重点应用的研究；采用三维仿真和虚拟现实技术建设数字孪生电厂，映射核电厂全景空间与真实环境；建设覆盖核电站全生命周期的数据库，探索综合智慧核能，支持厂址内核能发电、核能供热、核能海水淡化、核能制氢等方面的智能化调度和智慧化管理。

（8）基于脉冲功率技术的 Z 箍缩驱动惯性约束聚变机理研究

可控核聚变能源被视为未来理想的清洁能源，作为主要技术途径的惯性约束聚变，将某种形式的能量直接或间接地加载到聚变靶上，压缩并加热聚变燃料，在内爆运动惯性约束下实现热核点火和燃烧。涉及的关键技术有：高功率、高重复频率、高稳定性的驱动源，内爆室和靶丸结构设计，点火方案优化设计，高效能量转换，氚循环和提取等。基于脉冲功率技术的快 Z 箍缩技术可实现驱动器电储能到 Z 箍缩负载动能或 X 射线辐射能的高效率能量转换，驱动器造价相对低廉、能量较为充足、可实现驱重频运行，将为驱动惯性约束聚变和惯性聚变能提供可用的能量源。作为复杂的多尺度多物理过程，聚变点火尚无法在现有的 Z 箍缩驱动惯性约束实验平台开展直接实验验证。数值模拟是研究 Z箍缩驱动惯性约束核聚变物理问题的重要手段，未来将进一步发展和完善数值模拟工具，据此开展整体过程物理研究和关键问题研究。

（9）压裂裂缝诊断评估方法

裂缝是油气的主要储集和流通空间，水力压裂在低渗油气藏增产措施中占有很高比重，一直是提高油气采收率的主要方法。数十年来，在压裂裂缝的诊断评估方面尽管采用了压裂压力拟合、示踪剂、生产测井仪、微地震裂缝监测、微形变裂缝监测等方法，但仍难以掌握压裂裂缝的复杂形态，如长度、宽度、高度、导流能力分布等。准确掌握裂缝长度及其方位是低渗透率油田整体开发的重要工作，开展压裂裂缝的诊断评估方法研究，明确现今储层状况下的裂缝真实形态与参数是极为必要的。根据实际测试与理论评估的结果差别，调整水力压裂的设计准则，提高压裂模型计算的裂缝参数准确性，减少压裂投入，提高压裂改造效果；也有利于深化认识裂缝、校正裂缝预测模型，优化压裂设计及井网部署，实现油田和单井开发经济效益提升的目标。

（10）地幔柱相关关键金属矿床研究

地幔柱沟通地核、地幔、地壳各个圈层之间的物质与能量交换，为众多类型的关键金属成矿提供了长期、稳定的物质基础。一方面，由地幔柱形成的不同岩浆系列显示出特有的成矿专属性，如镁铁 – 超镁铁质层状岩体与钒钛磁铁矿（伴生钴、钪等），铜镍硫化物矿床（铂族元素），铬铁矿床，科马提岩与铜镍硫化物矿床，碱性岩 – 碳酸岩系列与铌 – 钽 – 锆 – 稀土矿床；另一方面，地幔柱产生的高热流驱动流体在地壳内大规模幕式运移和传输，使得地壳内金属元素活化、迁移和再富集，形成与地幔柱间接相关的矿床，如产在峨眉山大火成岩省与玄武岩伴生的锰钴矿、卡林型金矿、自然碲矿等。地幔柱形成关键金属矿床的关键控制因素有：地幔柱的结构、岩浆源区特征、结晶分异、地壳混染和液态不混溶过程、深部岩浆补充与混合和岩浆侵位过程等。迄今为止，地幔柱关键金属成矿系统理论框架尚未建立，对关键控矿因素的认识仍待深化。我国发育两个二叠纪大火成岩省，相伴生的关键金属矿床种类多样且较为罕见，这为揭示地幔柱与关键金属成矿作用的关系、建立相关成矿系统理论提供了难得机遇。在以往单个矿床研究的基础上，着重开展地幔柱关键金属成矿序列研究，有助于建立完整的地幔柱相关关键金属矿床成矿系统理论。

（11）低浓度瓦斯安全直接燃烧利用理论与技术

瓦斯（主要成分为 CH4）作为仅次于 CO2 的第二大温室气体，排放量约占全球温室气体排放总量的 20%。大气中 CH4 的浓度远低于 CO2，但 CH4的温室潜能指数是等量 CO2 的 25 倍。按照世界增温潜势计算，2018 年煤炭、石油能源行业的 CH4排放相当于 1.0×1010 t CO2，能源行业 CH4 减排对于保护环境具有重要意义。当前，低浓度（6%~30%）煤矿瓦斯的利用率仅约 28%，超低浓度（小于 6%）瓦斯（含通风瓦斯）的利用率仅为 2%，发展低浓度尤其是超低浓度瓦斯利用技术被视为关键措施。在超低浓度瓦斯及通风瓦斯燃烧（氧化）利用方面，各国开展了不同路线的蓄热氧化技术研究，如美国热逆流氧化技术，加拿大催化逆流氧化技术，澳大利亚催化燃气轮机技术，德国热再生氧化技术、整体蜂窝式催化氧化技术。然而，煤矿超低浓度瓦斯占比大（超过煤矿瓦斯排放总量的 70%）、浓度低、浓度波动大且跨爆炸界限范围、杂质种类（粉尘、水气、气体）多且含量高，实现爆炸性瓦斯气体的安全输送、杂质组分的高效脱除、超低浓度瓦斯高效直接燃烧（氧化）是相关工业应用亟待破解的关键课题。

（12）深地固体矿产资源流态化开采及其过程调控机制

针对深地固体资源开采“三高”特殊环境，将溶浸液经注液孔注入地下矿层，使溶浸液与目标矿物发生浸矿反应，可溶性金属离子进入溶液，经抽液孔提升至地表，经萃取 – 电积获得金属产品。这种方法革新现有模式，开采效率高，为深地固体资源的安全高效开采提供新路径。相关研究方向有：深地固体资源原位孔裂结构与有价矿物嵌布关联及深地开采环境透明化表征，深地高温高压条件下溶液多级渗流规律，多场耦合作用下金属矿物浸出反应机制，原位矿物溶蚀沉淀与孔裂结构演变的响应模型，深地固体矿产资源可浸性评价与过程预测模型，深地条件下溶液渗流调控及浸矿反应过程调控技术体系。未来研究重点内容包括深地流态化浸出过程多尺度孔裂结构无损探测，深地孔裂结构、溶液渗流与浸出反应关联耦合，深地流态化浸出井网布设与渗流智能控制等，聚焦发展以尽快实现深地固态资源流态化开采理论与装备水平的突破。