·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主要問題。人類對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)電還有很長的路要走。

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

中國科學院院士白春禮。視覺中國 資料圖

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

核能是實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標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主要問題。人類對受控核聚變的研究包括磁約束核聚變和激光核聚變，美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實現(xiàn)世界上首次激光核聚變點火，是一個里程碑式的工作。激光核聚變離商業(yè)發(fā)電還有很長的路要走。

儲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年是我國儲能行業(yè)從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變的一年。電化學儲能是未來儲能技術(shù)發(fā)展的重要方向，其中鋰離子電池技術(shù)較為成熟，已進入規(guī)模化量產(chǎn)階段。鈣鈦礦電池是電化學儲能的新方向，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時的效率損失兩個短板，成為當前研究熱點之一。

核裂變需解決三個問題

核能具有能量密度高、供能穩(wěn)定、碳排放低的優(yōu)勢，對于波動性的太陽能和風能發(fā)電來說是良好的穩(wěn)定劑。根據(jù)測算，2060年核電的總發(fā)電量達到2.7萬億度，2021年我國核電發(fā)電裝機容量約5000萬千瓦，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。核裂變主要有三個問題需要解決，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，我國已經(jīng)探明的鈾資源約27萬噸。按當前核電水平，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。當前我國乏燃料已累積近2萬噸，每年新產(chǎn)生約1千噸，主要采用濕式暫存法處理，濕式暫存費約4萬元/噸/年，乏燃料安全處理處置也亟需解決。

關(guān)于鈾資源短缺問題，中科院設(shè)立“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）”先導專項，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散等優(yōu)點，還可減少稀土開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，白春禮表示，這目前還是研究項目，沒有達到應(yīng)用程度。對于核乏燃料的安全處理，目前也正在進行重要的科研項目，瞄準解決這一問題。

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）的能量來源。核聚變能也是能源發(fā)展的前沿方向，被視為未來社會的“終極能源”。如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機困擾。

到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類，一類是磁約束核聚變，如“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”，它是全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導托克馬克，俗稱“人造太陽”。

白春禮表示，中國科學家積極參與國際熱核聚變實驗堆（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展，成功實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，進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、國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）等單位聯(lián)合宣布，實現(xiàn)了受控核聚變能量的新記錄，它們在目前世界上最大的聚變反應(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。有測算稱這相當于11兆瓦電力，大約能為一個普通家庭提供一天的電力。

白春禮表示，JET是世界上唯一一個能夠?qū)崿F(xiàn)“氘氚聚變”反應(yīng)的實驗裝置，保持著核聚變最大能量輸出紀錄。EAST更偏向于磁約束實驗，并不實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，這是因為在EAST運行過程中，等離子體內(nèi)只有D核素（氘），沒有T核素（氚）。EAST實驗的意義主要在于研究如何長時間穩(wěn)定地約束等離子體，以便為我國參與的ITER項目及中國聚變工程實驗堆（CFETR）提供實驗支持，維持聚變反應(yīng)、解決材料輻照問題、能量轉(zhuǎn)換、T滯留問題等都不是它的研究重點。我國自己籌建的中國聚變工程實驗堆（CFETR）以實現(xiàn)聚變能源為目標，將研究走向?qū)嵱没梢詮浹aEAST不能發(fā)電等缺點。

人類對受控核聚變的研究，另一類是激光核聚變。12月13日，美國能源部官員宣布，加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(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。實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到153%。3.15兆焦耳的能量相當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火，是一個里程碑式的工作，引起了科學界和社會的廣泛關(guān)注。當然，目前激光核聚變具有時間短、發(fā)電效率低等特點，科學上具有重要意義，可應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，離商業(yè)發(fā)電還有很長的路要走。2020年，中科院也立項部署了與美國不同技術(shù)路徑的激光核聚變研究工作。

鈣鈦礦電池是電化學儲能新方向

由于以風電、光伏為代表的可再生能源普遍存在間歇性、波動性、隨機性特點，要實現(xiàn)其大規(guī)模融合利用，儲能是關(guān)鍵。根據(jù)預(yù)測，2060年我國儲能規(guī)模達到420GW（42000萬千瓦）。

白春禮表示，2021年是我國儲能行業(yè)從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變的一年。根據(jù)統(tǒng)計，2021年，我國已投運電力儲能項目累計裝機46.1GW，約占全球市場總規(guī)模的22%，同比增長30%，仍有較大發(fā)展空間。比如國家能源局2021年8月發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年，中國抽水蓄能累計裝機量要達到62GW以上，到2030年達到120GW。截至2021年底，抽水蓄能裝機規(guī)模僅為39.8GW。這意味著9年間有3倍的成長空間，復合年均增長率為13%。

儲能技術(shù)路徑主要分為機械儲能、電磁儲能、電化學儲能和其他儲能。機械儲能中的抽水蓄能技術(shù)成熟，是目前儲能市場上應(yīng)用廣、占比高的技術(shù)，但其對地理條件依賴度高；壓縮空氣儲能可以不依賴地理條件，中科院工程熱物理研究所開發(fā)的100MW壓縮空氣儲能技術(shù)，今年9月30日在張家口并網(wǎng)運行，效率達到70%，接近抽水儲能效率。

電化學儲能是通過電池完成的能量儲存、釋放和管理的過程，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，是未來儲能技術(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，已進入規(guī)?；慨a(chǎn)階段，是目前發(fā)展快、占比較高的電化學儲能技術(shù)。根據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會數(shù)據(jù)，2021年，我國新增儲能項目146個。其中，抽水蓄能項目5個，電化學儲能項目131個。在電化學儲能項目中，鋰離子電池儲能項目高達120個。鈣鈦礦電池是電化學儲能的新方向，具有吸光能力強、低成本和易制備、弱光效率高等優(yōu)勢和特點，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時的效率損失兩個短板，成為當前研究的熱點之一。

白春禮表示，當前我國儲能技術(shù)發(fā)展仍然面臨一些問題和挑戰(zhàn)。一方面，我國在儲能領(lǐng)域基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新不足，具有“領(lǐng)跑”意義的先進技術(shù)還不多，儲能轉(zhuǎn)化的相關(guān)機理、技術(shù)及系統(tǒng)的研究還不夠成熟，尤其是在設(shè)計軟件、設(shè)計標準與理念方面缺少話語權(quán)。

另一方面，大規(guī)模儲能技術(shù)推廣，受電力系統(tǒng)市場機制不完善等方面限制，存在儲能市場主體地位不明晰、市場機制不完善導致儲能價值收益難以得到合理補償?shù)葐栴}，現(xiàn)階段還未建立成熟的競爭性電力市場運行機制，很難合理核定各類電力輔助服務(wù)的價格，從而造成儲能的價值和收益難以對接。近年來這些方面都已經(jīng)有所進步和改善，但問題依然突出。