报告 | 《全球工程前沿2018》：电力与能源技术领域

1.2 Top3 工程研究前沿重点解读

1.2.1 先进核能技术：聚变 - 裂变混合堆技术

（1）概念阐述和关键技术

聚变– 裂变混合堆（简称混合堆）是一种结合 聚变和裂变的优点、克服二者缺点的核能技术。混 合堆与纯聚变堆的主要区别是包层内含有裂变燃 料，裂变燃料比 Be 或者 Pb 有更好的中子增殖能力 和能量放大能力，有利于降低聚变工程的难度。从 氚循环来看，有利于实现氚自持、减少初始投氚量； 从能量平衡看，可以降低聚变功率，减少高能中子 对材料的辐照损伤。与裂变堆相比，混合堆是聚变 中子源驱动的深度次临界系统，安全性能突出，在 能量输出的同时可以很好解决裂变燃料增殖和超铀 元素嬗变问题。混合堆的主要研究方向包括：驱动器技术（含托卡马克、激光惯性约束聚变、Z 箍缩 惯性约束聚变等技术方向），次临界堆技术（含产 氚、增殖、嬗变、能源供应等技术方向），高增益 聚变靶设计技术（对惯性约束聚变而言）等。混合 堆的发展趋势是立足于近期可实现的聚变参数并借 鉴成熟的裂变堆技术，促进聚变能的提前应用，探 索解决裂变能源可持续发展的途径。

（2）发展现状与未来发展趋势

混合堆的研究涉及聚变、裂变两大核能领域， 立足于近期可实现的聚变技术和成熟的裂变技术， 推动聚变能提前应用和裂变能的可持续发展。 聚变领域又分磁约束聚变和惯性约束聚变。磁 约束聚变方面，托卡马克研究处于领先地位。我 国正式参加了国际热核聚变实验堆（ITER）项目 的建设和研究；同时作为ITER 装置与聚变示范堆 （DEMO）之间的桥梁，我国正在自主设计、研发 中国聚变工程实验堆（CFETR）。在惯性约束聚变 （ICF）方面，Z 箍缩作为能源更具潜力，有可能 发展成具有竞争力的聚变–裂变混合能源（Z-FFR）。 Z-FFR 由 Z 箍缩驱动器、能源靶、次临界能源包层 构成。以下重点对Z-FFR 需要解决的关键技术进 行说明。 Z箍缩惯性约束聚变涵盖了磁流体力学、辐射输 运、原子物理、等离子体微观不稳定性、强脉冲磁场 下的输运机制等多物理过程和复杂物理效应。我国 已重点开展了Z箍缩等离子体内爆动力学及其辐射 源物理研究，并获得了丰富的研究成果，Z-FFR 总体 概念设计研究取得显著进展。但是，对电流前沿与 Z 箍缩负载参数和内爆动力学的关系、Z箍缩等离子体 辐射源定标律和Z箍缩动态黑腔辐射场（温度）定 标律，以及Z箍缩惯性约束聚变过程中几个重要物 理过程的能量转换效率等关键问题，研究甚少。 超强脉冲磁场是 Z 箍缩过程最显著的特征，在 此条件下的等离子体形成、磁瑞利– 泰勒MRT 不 稳定性发展对内爆过程及内爆品质产生决定性影响。由于在强非线性过程中，负载区的电磁能、Z 箍缩等离子体内能以及辐射能之间的能量交换非常 复杂。Spitzer 电阻率不能准确描述Z 箍缩等离子 体电阻率特性，其反常机制还不清楚。如何描述和 解释辐射源的产生过程及物理机制极为重要。大电 流装置可以为开展 Z 箍缩等离子体物理实验研究提 供更宽的参数范围。 典型的Z箍缩过程具有柱形内爆特征，而聚变 靶为球形内爆，设计合适的黑腔构型，使得负载等 离子体Z箍缩过程与靶内爆在时间和空间上获得有 效分离，这是 Z箍缩驱动惯性约束聚变的核心问题。 在目前我国已有的装置上没有条件开展此项实验研 究。相对于激光聚变，Z箍缩辐射源时间尺度较长， 空间尺度较大，难以对波形进行精密调节，需要进 行新的聚变靶设计以便有效压缩燃料，获得较高能 量增益。 建造新一代大电流的脉冲功率实验平台，有利 于开展Z 箍缩辐射源、黑腔以及靶内爆等Z 箍缩 驱动惯性约束聚变部分关键物理问题的实验研究 和验证。建议国家层面支持2018—2025 年建设峰 值电流为50~70 MA 的 Z 箍缩驱动器，尽快实现 聚变点火。一旦点火目标实现，下一步便可开始建 设 Z-FFR。Z-FFR 配备大型超高功率重复频率驱动 器，首选快脉冲直线变压驱动器（LTD），电容器标称储能≤ 100 MJ，峰值电流为 60~70 MA，上升 前沿为150~300 ns，运行频率为0.1 Hz；采用“局 部整体点火”理念，设计高增益聚变靶丸，能量增 益 Q ≥ 100；设计天然铀裂变包层，实现氚自持、 能量放大 10~20 倍、裂变燃料增殖。

（3）重点研究国家/ 地区和机构以及之间的对比及合作情况分析

根据表 1.2.1 可知，该研究方向的核心论文产 出数量最多的国家是美国、德国、英国、法国、日 本、意大利和中国。其中，美国占据第一位，核心 论文比例超过 50%，德国、英国、法国、日本、意 大利和中国的核心论文比例均超过 10%。 由表 1.2.2 可知，该研究方向的核心论文产 出数量最多的机构分别是Lawrence Livermore Natl Lab、Univ Rochester、Los Alamos Natl Lab、 MIT、Gen Atom Co、Ist Nazl Fis Nucl、Sandia Natl Labs、Univ Oxford、Chinese Acad Sci，核心论文产 出数均超过 20 篇。 根据图 1.2.1 可知，较为注重该领域国家或地 区间合作的有美国、日本、德国、英国、法国、中 国。中国的论文发表数量较多，主要是与美国、日 本、德国、法国、英国和俄罗斯进行合作发表。 根据图 1.2.2 可 知，Lawrence Livermore Natl Lab、MIT、Gen. Atom Co.、Los Alamos Natl Lab、Univ. Rochester 有合作。 表 1.2.3 中，施引核心论文产生最多的国家是 美国，施引核心论文比例达到29.75%，中国达到 16.81%，德国的施引核心论文比例超过 10%。 表 1.2.4 中，施引核心论文产出最多的机构 是 Chinese Acad Sci，施引核心论文比例达到将近 20%。Lawrence Livermore Natl Lab 的施引核心论文 比例超过 16%。 通过以上数据分析可知，美国和中国在聚变– 裂变混合堆的核心论文产出及施引数量处在世界前 列，中国内地机构的施引核心论文数量较多。

1.2.2 可再生能源发电利用及储能、节能环保技术

（1）概念阐述和关键技术 基于可再生能源的能源系统是解决世界范围内 的能源利用问题和环境污染问题的有效途径，是能 源利用走可持续发展道路的必然选择和有效措施。 以可再生能源的高效、清洁利用为核心，可再生能 源发电技术和储能技术等领域快速发展，在世界范 围内获得越来越多的关注。

可再生能源发电系统

从目前可再生能源的资源状况和技术发展水平看，利用水能、风能、太阳能发电最为现实，前景广阔。可再生能源发电系统可分为单一能源发电系 统和混合能源发电系统。其中单一能源发电系统与 其他系统相对独立，较易受到可再生能源自身局限 性的影响。混合能源发电系统主要有两类：一类是 利用风、光、水能等可再生能源进行互补结合，克 服单一种类的可再生能源在使用时不连续、不稳定 的缺陷。另一类是将可再生能源与现有的化石能源 （天然气、沼气、生物质能、地热能等）进行结合 的混合发电系统。 保证可再生能源的发电系统连续、稳定的输出 电力，并确保供电质量是可再生能源发电的关键技术。目前的主要技术前沿包括：能源系统构成设 计和动态模型建立、混合系统热力循环特性，区 域内可再生能源就地利用最大化、天然气使用最 小化和全范围多能源供需平衡、能量管理和调度 控制系统等。 可再生能源的发展方向是通过分布式可再生能源和能源智能微网等方式，构建风、光、水、火、 储多能互补系统，开发面向用户电、热、冷、气等 多种用能需求的终端一体化集成系统。混合可再生能源发电系统已经开始在美国、欧洲等世界各国电力系统中投入应用。

先进储能技术

储能技术是通过在电力需求低时储电、在电力需求高时放电的方式帮助电网更好地融合风电、水 能、太阳能等可再生能源发电的一种技术。广义的 电力储能技术可定义为实现电力与热能、化学能、 机械能等能量之间的单向或双向存储设备。 按照储存介质的不同，储能技术可以分为机械 类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学 类储能等。机械类储能主要包括抽水蓄能、压缩空 气储能和飞轮储能等；电气类储能主要包括超级电 容器储能和超导储能等；电化学类储能主要包括各 类电池，例如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和 液流电池等；热储能将热能储存在隔热容器的媒质 （如相变材料）中，需要时可以被转化为电能，也 可直接利用热能而不再转化为电能；化学类储能主 要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体， 例如通过电解水合成氢气和天然气进行二次利用。 目前抽水蓄能是全球装机规模最大的储能技 术，占全球总储能容量的 98%。而压缩空气储能、 铅酸电池、锂电池等近年来发展势头迅猛，在全球 范围内已成为最具竞争力的储能技术。 其关键技术包括：大容量储能的规划及与可再 生能源发电的协同调度技术、基于储能的能量流优 化和能量调度技术、储能与能量转换装置的集成设 计和协调配置等。 （2）发展现状与未来发展趋势

• 可再生能源发电技术

根据21 世纪可再生能源政策网络（REN21） 发布《全球可再生能源现状报告 2018》，2017 年可 再生能源发电占到全球发电量净增加值的70%，这 是现代历史上可再生能源发电量增长最大的一年。 目前全球对新增可再生能源发电的投资已超过 对新增化石燃料和核能发电投资总和的两倍以上。 由于成本竞争力的提高，2017 年可再生能源投资 占电力行业总投资的比例超过三分之二，同时可再生能源在电力行业的份额仍将会继续上升。 根据国家能源局统计，2017 年我国可再生能 源发电量为1.7 万亿千瓦时，同比增长1500 亿千 瓦时；可再生能源发电量占全部发电量的26.4%， 同比上升0.7 个百分点。其中，水电为11 945 亿千 瓦时，同比增长1.7%；风电为3057 亿千瓦时，同 比增长26.3%；光伏发电为1182 亿千瓦时，同比 增长78.6%；生物质发电为794 亿千瓦时，同比增 长 22.7%。全年弃水电量为515 亿千瓦时，在来水 好于去年的情况下，水能利用率达到96% 左右； 弃风电量为 419 亿千瓦时，弃风率为 12%，同比下 降 5.2 个百分点；弃光电量为73 亿千瓦时，弃光 率为6%，同比下降4.3 个百分点。我国可再生能源发电比重稳步上升。

目前可再生能源最新技术领域有可再生能源先 进发电技术、可再生能源并网技术和可再生能源多 能互补技术三个方向。 在可再生能源先进发电技术方面，由于光伏发 电输出功率的随机性，保证光伏并网发电的最大功 率点的跟踪是其研究重点，由于最大功率点跟踪对 跟踪的准确性、快速性和稳定性要求比较高，实现有功输出的有效调节是目前光伏发电的关键技术。 变速恒频发电技术可最大限度的捕捉、利用风能， 并且转速运行范围相对宽松，调节系统更加灵活， 是目前主流的风力发电新技术。 在可再生能源发电并网技术方面，可再生资源 受环境温度、天气因素的影响，具有比较大的波动 性和间歇性，很容易导致电网电压出现闪变或波动， 因此并网消纳是将可再生能源接入现有能源体系的 关键技术，这些技术包括：①先进逆变器技术。逆 变器具有可拓展通信功能、可以对无功和有功进行 控制、可以降低有功变化率、实现谐波补偿等，保证电能输出质量更稳定、抗干扰能力更强，并具有 可以达到智能电网要求的网源互动技术。②可再生能源并网需要更加的精确、快速的电网电压信号锁定技术，能够在大功率并网时不对称运行情况下和 电压采样波动情况下完成精确锁相。③系统抗干扰 技术。集中式风光电站要在变换器控制的基础上实 现低电压穿越，孤岛指令和检测利用输变电系统能 量进行管理实现；分布式风光电站要通过控制达到 孤岛检测的目的，并利用基于配电网的能量管理系 统来发出低电压穿越信号指令。 在可再生能源多能互补技术方面，可再生能源 多能互补系统相对于传统发电技术而言，其复杂程 度和不确定性都大大增加。①在系统规划方面， 主要针对可再生能源进行确定性和不确定性分析。 确定性分析主要是结合风、光等可再生资源情况 与负荷需求等历史记录数据进行分析；不确定性 分析是基于概率统计理论对可再生能源与负荷的 变化特性进行建模，同时考虑自然环境、用户冷 热电负荷等因素。②在系统综合建模方面，需要 针对多能互补的各个子系统的动态特性时间尺度 相差悬殊进行研究，例如电力网络功率瞬间平衡， 其动态需由微分– 代数方程描述；而冷热的转换 过程最为缓慢，通常以分、时来表述动态过程。 ③在优化设计方面，基于牛顿– 拉夫逊法的微网 潮流算法、电网全寿命周期成本分析、多目标优 化策略的混沌量子遗传算法等。以实现能源最佳 利用和系统长期经济可靠运行为目标，进行科学 合理的系统集成和能量管理。