能源与矿业工程领域研判的 Top 12 工程研究前沿涵盖了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。其中，“高安全性高能量密度电池体系关键材料”“新能源发电灵活性提升与电网支撑理论”“有机体系电化学氮还原合成氨”属于能源和电气科学技术与工程领域；“乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究”“核废物玻璃体材料性能研究”“等离子体与反应堆材料相互作用机理”属于核科学技术与工程领域；“水力压裂三维裂缝扩展模型”“地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究”“陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究”属于地质资源科学技术与工程领域；“深部开采冲击地压诱发机理与预警方法”“二氧化碳驱油提采 – 捕集封存机制研究”“岩性智能识别方法”属于矿业科学技术与工程领域。
能源与矿业工程领域 Top 12 工程研究前沿
（1）高安全性高能量密度电池体系关键材料
电池技术的发展改变了人们的生活，电池是电子产品、电动汽车和智能电网的核心部分。现有的锂离子电池的能量密度已接近其理论值，很难满足电动汽车市场的发展需求，并且在大规模的应用中， 其安全性问题也成为阻碍行业发展的难题。电池主要由正极、负极和电解质组成，其整体的能量密度依赖正负极，而安全性则取决于电解质。电极的能量密度由电压和容量决定。高能量密度正极主要发展方向是高电压正极材料和高容量的硫正极材料， 负极则主要向锂金属和硅负极方向发展，电解质主要向固态电解质发展，其中，固态电解质不仅能够从本质上解决电池的安全性问题，而且可以适配高能量密度的正负极。固态电解质分为聚合物固态电解质、无机固态电解质和复合固态电解质。复合固态电解质结合了聚合物电解质良好的加工性能和无机电解质高离子电导率的优点，是未来发展的重要方向。
（2）乏燃料后处理及高放物质分离工艺研究
核燃料后处理的主要任务是利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 235U 和 239Pu 等，然后再将它们制成燃料元件返回核电站（热堆或快堆）使用，提高核燃料的利用率，节约铀资源，另外，通过提取超铀元素和裂变产物，发展同位素在医疗、航天等方面的应用。核燃料后处理流程基于是否在水介质中进行分为水法和干法两大类。水法流程指在水溶液中采用沉淀、溶剂萃取、离子交换等方法对乏燃料进行化学分离纯化；干法流程则指在无水状态下采用氟化物挥发法、高温冶金处理、高温化学处理、液态金属过程、熔盐电解法等方法对乏燃料进行化学分离纯化。干法后处理是当前乏燃料后处理的重要研究方向之一，其在处理高燃耗乏燃料，特别是快堆乏燃料方面更具优势，但工程技术难度较大。当前，国际上广泛开展分离 / 嬗变和先进核燃料循环的研究，其中，从核废物中分离回收次锕系核素和长寿命裂变产物是该研究的关键。乏燃料后处理和高放废液分离一体化流程与现有乏燃料处理处置方式相比，流程简单、二次废物少、经济性高，更能满足先进核燃料循环的分离要求。
（3）水力压裂三维裂缝扩展模型
水力压裂是通过往地层中泵入高排量流体， 在储层中产生人工裂缝来沟通天然裂缝的储层改造技术。在水力压裂数值模型中，传统的二维模型以及准三维模型由于在裂缝高度方向上为裂缝几何形貌引入了理想化的假设，无法描述实际水力裂缝的扩展过程。三维水力压裂模型指在模型中放松了对裂缝的几何约束条件，因而能够更接近实际的裂缝设计方案。目前，三维水力压裂模型可分为平面三维模型与非平面三维模型。平面三维模型假设水力裂缝只能在原始裂缝平面内扩展，而非平面三维模型放宽了这一条件，得以模拟水力裂缝的非平面偏转。在三维水力压裂模型中，裂缝的扩展模式更加复杂，往往是耦合了三种基本模式的混合扩展模式，需采用新的裂纹扩展准则，导致裂缝形貌相比二维模型更加复杂，需要新的算法来准确捕捉裂缝前沿及计算裂纹尖端的应力场。除此之外，二维模型中面临的问题如地应力、滤失效应、储层非均质性、压裂方式等对水力裂缝扩展的影响，支撑剂的运移等仍需在三维模型中进一步探索。
（4）深部开采冲击地压诱发机理与预警方法
冲击地压是指岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种严重的动力灾害。随着矿井开采深度的增加，煤矿冲击地压灾害形势严峻，冲击地压灾害发生机理、监测预警与防控技术研究对煤矿安全开采愈发重要。该前沿的主要研究内容包括：深部煤矿冲击地压动力响应及灾变机理、深部煤矿冲击地压灾害智能监测预警理论与技术、深部煤矿冲击地压防控机理与方法。针对冲击地压的发生机理， 揭示围岩应变能释放突变机制是研究冲击地压发生机理新的突破途径；在冲击地压预警技术方面，融合数据挖掘、大数据处理分析等人工智能算法，实现冲击地压灾害的智能监测预警与多场多维感知是今后的发展方向。
（5）新能源发电灵活性提升与电网支撑理论
大力发展以风能、太阳能为代表的新能源发电，是中国推动能源电力行业清洁低碳转型，实现“30·60”碳中和气候应对目标的必由之路。不同于出力平稳、可控的传统发电设备，新能源发电具有强波动性和弱可控特性，将从根本上改变电力系统的物理形态与运行方式。随着集中式与分布式新能源的快速发展，电力系统源荷双侧不确定性持续增加。同时，随着传统火电机组的逐步退役，电力系统灵活调节资源愈发紧缺，电力供需平衡与电网安全经济运行面临前所未有的挑战。亟须探索新能源发电灵活性提升与电网支撑理论的关键技术，以源网荷储有机协同破解新能源高比例接入下的多时间尺度电力电量平衡难题，助力高比例新能源的广域高效消纳。新能源发电灵活性提升与电网支撑理论的主要研究方向包括：电力系统灵活性平衡机理、调控技术与市场机制；火电机组灵活性改造和转型为调节电源的技术经济评估；规模化风光发电系统惯量控制与主动频率支撑技术；规模化风光发电系统的电网暂态电压支撑技术；规模化风光发电系统的稳定控制技术；多周期、多类型储能设施协同配置与优化运行方法；海量异质需求侧资源的分层聚合、协调控制与分布式交易。
（6）有机体系电化学氮还原合成氨
氨是全球年产量排名第二的化工原料。在全球能源倡导可持续发展的背景下，通过电化学氮还原反应合成氨已引起广泛关注，被视为一种替代哈伯反应的有效方法。电化学氮还原反应合成氨根据反应介质的不同，可分为水体系和有机体系，后者通常具有较高的法拉第效率。各种氮还原反应体系中， 有机电解质中的锂介导氮还原反应以其优异的氨产率和法拉第效率脱颖而出。有机体系的锂介导氮还原反应分三步进行：首先是锂离子的电沉积产生金属锂，其可以与氮气发生自发的化学反应生成锂氮复合物，最后通过质子化反应形成氨。因此，有机锂介导体系的氮还原活性与锂沉积物的特性直接相关，相关研究主要集中在电解质（质子供体、锂盐和添加剂）优化，包括质子供体、锂盐和添加剂的优化。理想的电解质组分可以诱导形成具有高反应活性和高稳定性的锂沉积物。当前报道的最高电流密度和法拉第效率已分别接近 1 A·cm–2 和 100%， 优于美国能源部设定的目标（电流密度 0.3 A·cm–2， 法拉第效率 90%，能量效率 60%）。此外，有机体系电化学氮还原合成氨需要进一步提升能量效率和改善耐久性。
（7）核废物玻璃体材料性能研究
高放废液的安全处理与处置是世界各国需共同应对的挑战，也是制约核工业可持续发展的关键因素之一。玻璃固化是目前国际上唯一工业化应用的高放废液处理方法。玻璃具有近程有序、远程无序的结构特点，可使元素周期表中大部分核素进入其结构中，它对核素具有较强的包容性，因此，国内外学者普遍研究运用玻璃固化处置高放废液，涉及的玻璃体系包括铝硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐等。磷酸盐玻璃固化体的熔制温度比较低，易制备，但对设备腐蚀严重，到目前为止，仅有俄罗斯采用磷酸盐玻璃固化核废物；硅酸盐玻璃含较多 SiO2，虽然抗浸出性能好，但是其固化工艺较复杂，并且其对含铯量高的高放废液固化效果较差；硼硅酸盐玻璃因稳定性好、制备工艺简单、机械强度大、废物包容量大等优点，被广泛应用于处理高放废液，也是固化高放废液的首选基材。目前，我国首座玻璃固化工厂已进入运行阶段，现已开展玻璃固化体析晶行为和抗浸出性能的研究，这对玻璃固化体的安全生产、暂存和处置具有十分重要的意义。
（8）等离子体与反应堆材料相互作用机理
可控核聚变能源是未来理想的清洁能源，目前最有可能实现的可控热核聚变方法是磁约束聚变， 其中，托卡马克装置及未来反应堆的材料问题是实现磁约束聚变能的关键问题，该问题的解决在很大程度上取决于对等离子体与壁材料相互作用过程（plasma-wall interactions, PWI） 和机理的深入理解。PWI 现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体（又称刮削层，scrapped-off layer，SOL）和直接接触 SOL 的面向等离子体材料区域内，因此 PWI 问题直接决定了聚变装置的安全运行、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。理清 PWI 的各种物理过程和机理并施以有效的控制，是实现未来核聚变能的重要环节。国际托卡马克物理活动组织（ITPA）刮削层 / 偏滤器（SOL/ Div）专题工作组成员负责甄别 PWI 问题并协调国际组织进行联合攻关，研究结果将对未来核聚变示范电站（DEMO）和商业堆的设计、制造和运行产生重要影响。目前，等离子体与反应堆材料相互作用机理主要研究方向是等离子体材料的选择、边界等离子体的基本物理过程、等离子体辐照下表面损伤和结构效应、杂质与灰尘、壁处理等。尽管国内外对 PWI 问题已经做了不少研究工作，但仍存在诸多问题需要解决，如边界等离子体的原子分子过程数据尚不完善，粒子输运和再沉积的行为不完全清楚等。针对国家聚变科学工程和国际热核聚变实验堆计划（ITER）对 PWI 相关数据的紧迫需求 , 国内外还需尽快全面深入开展 PWI 相关的基础研究工作。
（9）地球深部碳氢循环过程与油气资源分布规律研究
地球深部的碳 – 氢长周期循环与地表短周期碳 – 氢循环密切相关，板块俯冲带作为地球物质循环的“加工厂”，是认识深部地球的窗口，但其内在复杂性也制约了对地球深部物质“生、运、聚” 过程的理解。“海洋圈 – 岩石圈 – 大气圈”之间物质与能量的交换在俯冲工厂得到加强，挥发性组分如 H2O、CO2 等通过俯冲带的地壳沉积物等被带入到地幔，深部作用的产物再通过岛弧火山和裂谷盆地的岩浆系统、深海和热液系统循环进入并离开地壳。通过阐明板块俯冲过程、深部地质作用及无机成因油气资源之间的纽带与关联性，可以揭示跨岩石圈的动力学和物质能量交换机制，以及无机成因油气独立成藏可能性。未来该研究领域的工作将重点围绕我国东部俯冲带影响下的各类沉积盆地，通过分析其与深部地质作用之间的直接或间接关系， 揭示俯冲工厂框架下的海洋圈、岩石圈、大气圈相互作用机理与动力学机制，阐明岩石圈与软流圈间物质能量交换的能源资源效应。同时，厘清海洋圈、岩石圈、大气圈之间的有机无机相互作用下的碳氢循环过程，阐明板块俯冲背景下的无机成因油气、地热等资源富集机制，建立无机成因油气资源的评价标准和富集区优选方法。
（10）陆相钾锂盐智能找矿与资源综合定量研究
陆相钾锂盐是指形成于陆相沉积环境的钾锂盐。目前，我国钾盐资源 – 产业是以柴达木盆地为主的现代陆相盐湖型。近期，柴达木西部新发现古近纪—新近纪深层卤水型陆相钾锂盐，对其开展智能找矿与资源综合定量研究是未来该类型资源 – 产业发展的趋势。利用大数据、人工智能、区块链等新技术开展深部卤水钾锂资源高效、智能协同关键技术研究， 并通过应用新技术实现深部卤水钾锂资源的数据深度挖掘、多维智能评价，对支撑深层卤水钾锂资源智能找矿与资源综合定量研究、保障国家战略资源安全具有重要意义。下一步工作：一是利用钾锂勘查与油气勘探地震和测井数据相结合刻画储卤层展布；二是开展勘查井调查及放水试验，求取含水层段水文地质参数， 确定富水性、卤水成分、含水层的渗透系数（K）、给水度（m）、释水系数（S）、大气降水入渗系数（a）、灌溉入渗系数（b）、潜水的蒸发极限深度（D） 等资源评价关键参数；三是利用测井岩心标定或核磁测井识别原始含水饱和度和可动水饱和度；四是综合井数据、地震数据、各类成果数据，创建构造模型、含锂储层相模型，采用相控与趋势控制相结合约束建模方法，建立储层属性模型，利用智能手段实现批量运算对钾锂资源定量化评价。
（11）二氧化碳驱油提采–捕集封存机制研究
二氧化碳驱油提采与捕集封存技术指将捕集到的二氧化碳注入低渗透油藏，在驱油增产的同时实现二氧化碳埋藏与封存。该技术在助力碳减排的同时实现油气井增产，实现“双赢”，对国家“双碳” 目标的实现具有重要意义。二氧化碳驱油技术始于20 世纪 50 年代初的美国，目前二氧化碳注入能力可达 6 800 万吨 / 年，已成为美国低渗透、特低渗透区块的主要提采手段。我国低渗透油藏储量丰富， 约占总资源量的一半，但大部分陆相低渗透油藏储层条件复杂且原油性质特殊，现有的二氧化碳驱油工艺技术复杂、捕集输运成本高、埋存难度大，限制了二氧化碳驱油封存规模。目前我国二氧化碳驱油封存技术年封存量约为 120 万吨 / 年，亟须探索适合我国陆相低渗透油藏储层的二氧化碳驱油提采与捕集封存机制。二氧化碳驱油提采 – 捕集封存机制主要研究方向有二氧化碳高效捕集技术、二氧化碳安全输运技术、二氧化碳驱油提采技术、二氧化碳高效封存机制等。揭示二氧化碳驱油提采与捕集封存机制，加快推进我国陆相低渗透油藏二氧化碳驱油、埋存技术，有望为我国能源结构的优化和双碳目标的实现贡献重要力量。
（12）岩性智能识别方法
岩石岩性分类识别是地下工程的首要任务，是岩体工程地质定量分析的依据，是地质安全评价中的重要内容。岩性识别的研究方法主要包括超声波、回弹指数、密度等物理试验方法；对地层岩石主元素进行统计、分析、对比的数理统计方法；岩性智能识别方法。岩性智能识别方法的发展趋势表现为智能识别方法对样本数据的依赖性较强，当样本数据不足时，模型的泛化能力容易受到影响；另外， 仅借助岩石单一特征（如图像光学特征）进行岩石岩性分类的误差较大，因此还需要对岩石其他物理特征或性质进行分析，提高分类准确率。将岩石图像识别模型和岩石音频强度回归模型耦合，实现了岩石岩性的快速识别，有效提高模型的泛化能力和准确度，结合对比专家法识别结果，辅助工程人员对岩性做出正确的分类。
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