·核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式，安全性、核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)、乏燃料安全處理處置是核裂變需解決的三個(gè)主要問(wèn)題。人類(lèi)對(duì)受控核聚變的研究包括磁約束核聚變和激光核聚變，激光核聚變離商業(yè)發(fā)電還有很長(zhǎng)的路要走。

·電化學(xué)儲(chǔ)能是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向，其中鋰離子電池技術(shù)較為成熟，已進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)階段。鈣鈦礦電池是電化學(xué)儲(chǔ)能的新方向，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失兩個(gè)短板，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

中國(guó)科學(xué)院院士白春禮。視覺(jué)中國(guó) 資料圖

12月17日，在《財(cái)經(jīng)》年會(huì)2023上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)名譽(yù)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院原院長(zhǎng)白春禮在《碳中和背景下的能源科技發(fā)展態(tài)勢(shì)》中分析了低碳和可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用。

核能是實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)不可或缺的低碳能源。他提到，核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式，安全性、核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)、乏燃料安全處理處置是核裂變需解決的三個(gè)主要問(wèn)題。人類(lèi)對(duì)受控核聚變的研究包括磁約束核聚變和激光核聚變，美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)世界上首次激光核聚變點(diǎn)火，是一個(gè)里程碑式的工作。激光核聚變離商業(yè)發(fā)電還有很長(zhǎng)的路要走。

儲(chǔ)能是可再生能源大規(guī)模融合利用的關(guān)鍵。白春禮表示，2021年是我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變的一年。電化學(xué)儲(chǔ)能是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向，其中鋰離子電池技術(shù)較為成熟，已進(jìn)入規(guī)模化量產(chǎn)階段。鈣鈦礦電池是電化學(xué)儲(chǔ)能的新方向，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失兩個(gè)短板，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

核裂變需解決三個(gè)問(wèn)題

核能具有能量密度高、供能穩(wěn)定、碳排放低的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于波動(dòng)性的太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電來(lái)說(shuō)是良好的穩(wěn)定劑。根據(jù)測(cè)算，2060年核電的總發(fā)電量達(dá)到2.7萬(wàn)億度，2021年我國(guó)核電發(fā)電裝機(jī)容量約5000萬(wàn)千瓦，還有很大的提升空間。

核能的利用包括核裂變和核聚變兩種方式。核裂變主要有三個(gè)問(wèn)題需要解決，一是安全性，二是核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，三是乏燃料安全處理處置。

白春禮表示，我國(guó)已經(jīng)探明的鈾資源約27萬(wàn)噸。按當(dāng)前核電水平，已探明鈾資源支持約40年，核燃料的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)亟需解決。當(dāng)前我國(guó)乏燃料已累積近2萬(wàn)噸，每年新產(chǎn)生約1千噸，主要采用濕式暫存法處理，濕式暫存費(fèi)約4萬(wàn)元/噸/年，乏燃料安全處理處置也亟需解決。

關(guān)于鈾資源短缺問(wèn)題，中科院設(shè)立“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，以釷為核燃料具有資源豐富、核廢料少、毒性低和固有防核擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)，還可減少稀土開(kāi)采中的釷資源流失和放射性環(huán)境污染，是核能發(fā)展重要方向之一。不過(guò)，白春禮表示，這目前還是研究項(xiàng)目，沒(méi)有達(dá)到應(yīng)用程度。對(duì)于核乏燃料的安全處理，目前也正在進(jìn)行重要的科研項(xiàng)目，瞄準(zhǔn)解決這一問(wèn)題。

磁約束核聚變與激光核聚變

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽(yáng)）的能量來(lái)源。核聚變能也是能源發(fā)展的前沿方向，被視為未來(lái)社會(huì)的“終極能源”。如果人類(lèi)可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)困擾。

到目前為止，人類(lèi)對(duì)受控核聚變的研究主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是磁約束核聚變，如“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”，它是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”。

白春禮表示，中國(guó)科學(xué)家積極參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）相關(guān)工作，2021年5月，中科院建造的東方超環(huán)（EAST）在核聚變研究上取得進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎(chǔ)。

今年2月，歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）等單位聯(lián)合宣布，實(shí)現(xiàn)了受控核聚變能量的新記錄，它們?cè)谀壳笆澜缟献畲蟮木圩兎磻?yīng)堆，即在歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）中，將氫的同位素氘和氚加熱到了1.5億攝氏度并穩(wěn)定保持了5秒鐘，同時(shí)核聚變反應(yīng)發(fā)生，原子核融合在一起，釋放出59兆焦耳能量。有測(cè)算稱(chēng)這相當(dāng)于11兆瓦電力，大約能為一個(gè)普通家庭提供一天的電力。

白春禮表示，JET是世界上唯一一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)“氘氚聚變”反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，保持著核聚變最大能量輸出紀(jì)錄。EAST更偏向于磁約束實(shí)驗(yàn)，并不實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，這是因?yàn)樵贓AST運(yùn)行過(guò)程中，等離子體內(nèi)只有D核素（氘），沒(méi)有T核素（氚）。EAST實(shí)驗(yàn)的意義主要在于研究如何長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地約束等離子體，以便為我國(guó)參與的ITER項(xiàng)目及中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）提供實(shí)驗(yàn)支持，維持聚變反應(yīng)、解決材料輻照問(wèn)題、能量轉(zhuǎn)換、T滯留問(wèn)題等都不是它的研究重點(diǎn)。我國(guó)自己籌建的中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）以實(shí)現(xiàn)聚變能源為目標(biāo)，將研究走向?qū)嵱没?，可以彌補(bǔ)EAST不能發(fā)電等缺點(diǎn)。

人類(lèi)對(duì)受控核聚變的研究，另一類(lèi)是激光核聚變。12月13日，美國(guó)能源部官員宣布，加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。

白春禮表示，這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火，是一個(gè)里程碑式的工作，引起了科學(xué)界和社會(huì)的廣泛關(guān)注。當(dāng)然，目前激光核聚變具有時(shí)間短、發(fā)電效率低等特點(diǎn)，科學(xué)上具有重要意義，可應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，離商業(yè)發(fā)電還有很長(zhǎng)的路要走。2020年，中科院也立項(xiàng)部署了與美國(guó)不同技術(shù)路徑的激光核聚變研究工作。

鈣鈦礦電池是電化學(xué)儲(chǔ)能新方向

由于以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源普遍存在間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模融合利用，儲(chǔ)能是關(guān)鍵。根據(jù)預(yù)測(cè)，2060年我國(guó)儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)到420GW（42000萬(wàn)千瓦）。

白春禮表示，2021年是我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變的一年。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年，我國(guó)已投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)46.1GW，約占全球市場(chǎng)總規(guī)模的22%，同比增長(zhǎng)30%，仍有較大發(fā)展空間。比如國(guó)家能源局2021年8月發(fā)布《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年，中國(guó)抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)量要達(dá)到62GW以上，到2030年達(dá)到120GW。截至2021年底，抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模僅為39.8GW。這意味著9年間有3倍的成長(zhǎng)空間，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為13%。

儲(chǔ)能技術(shù)路徑主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和其他儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能中的抽水蓄能技術(shù)成熟，是目前儲(chǔ)能市場(chǎng)上應(yīng)用廣、占比高的技術(shù)，但其對(duì)地理?xiàng)l件依賴度高；壓縮空氣儲(chǔ)能可以不依賴地理?xiàng)l件，中科院工程熱物理研究所開(kāi)發(fā)的100MW壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，今年9月30日在張家口并網(wǎng)運(yùn)行，效率達(dá)到70%，接近抽水儲(chǔ)能效率。

電化學(xué)儲(chǔ)能是通過(guò)電池完成的能量?jī)?chǔ)存、釋放和管理的過(guò)程，具有配置靈活、建設(shè)期短、響應(yīng)快速，可以有效提高可再生能源消納水平，是未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要方向，主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉系高溫電池和金屬-空氣電池等。

其中鋰離子電池技術(shù)較為成熟，已進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)階段，是目前發(fā)展快、占比較高的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。根據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)數(shù)據(jù)，2021年，我國(guó)新增儲(chǔ)能項(xiàng)目146個(gè)。其中，抽水蓄能項(xiàng)目5個(gè)，電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目131個(gè)。在電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目高達(dá)120個(gè)。鈣鈦礦電池是電化學(xué)儲(chǔ)能的新方向，具有吸光能力強(qiáng)、低成本和易制備、弱光效率高等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失兩個(gè)短板，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

白春禮表示，當(dāng)前我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展仍然面臨一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。一方面，我國(guó)在儲(chǔ)能領(lǐng)域基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新不足，具有“領(lǐng)跑”意義的先進(jìn)技術(shù)還不多，儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化的相關(guān)機(jī)理、技術(shù)及系統(tǒng)的研究還不夠成熟，尤其是在設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與理念方面缺少話語(yǔ)權(quán)。

另一方面，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)推廣，受電力系統(tǒng)市場(chǎng)機(jī)制不完善等方面限制，存在儲(chǔ)能市場(chǎng)主體地位不明晰、市場(chǎng)機(jī)制不完善導(dǎo)致儲(chǔ)能價(jià)值收益難以得到合理補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，現(xiàn)階段還未建立成熟的競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制，很難合理核定各類(lèi)電力輔助服務(wù)的價(jià)格，從而造成儲(chǔ)能的價(jià)值和收益難以對(duì)接。近年來(lái)這些方面都已經(jīng)有所進(jìn)步和改善，但問(wèn)題依然突出。