2023年度能源与矿业工程前沿

1 工程研究前沿

1.1 Top 12 工程研究前沿发展态势

能源与矿业工程领域组研判的 Top 12 工程研究前沿见表 1.1.1，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，“海水直接制氢技术研究”“基于可再生能源的电力多元转换技术”“高比能锂金属电池”属于能源和电气科学技术与工程领域；“紧凑型聚变堆高温超导磁体”“核能制氢工艺路线及关键材料性能研究”“高放废物深地质处置核心技术”属于核科学技术与工程领域；“能源资源遥感成像变化检测方法”“基于人工智能的钻井速率预测模型”“水力压裂的储层改造特征和效果”属于地质资源科学技术与工程领域；“地热系统岩石热 – 水–力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”“海洋深水复杂地层油气开发提质增效理论”“安全高效深地采矿岩石力学建模”属于矿业科学技术与工程领域。

2017—2022 年各研究前沿相关的核心论文逐年发表情况见表 1.1.2。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

（1）海水直接制氢技术研究文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

海水直接制氢技术是指不经过淡化等预处理过程而直接将海水分解为氢气和氧气的技术。但由于海水成分极其复杂（含高达 92 种化学元素），面临着析氯副反应、膜堵塞、腐蚀性等诸多难题与挑战。自1975 年 Williams 首先提出海水直接制氢技术构想的半个世纪以来，国际上仍以海水直接电解制氢的四大路文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

表 1.1.1 能源与矿业工程领域 Top 12 工程研究前沿文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

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注：前沿来源包括三类，即数据挖掘、专家提名、数据挖掘 & 专家提名，序号 3、4、12 为数据挖掘前沿，其余为专家提名前沿。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

表 1.1.2 能源与矿业工程领域 Top 12 工程研究前沿逐年核心论文发表数文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

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径为主。一是基于催化剂工程的海水直接制氢，主要通过提高电化学活性、引入选择性位点、构造保护涂层等方法，来避免析氯副反应与析氧反应的竞争。二是基于非对称电解质的海水直接电解制氢，通过在阳极侧添加单一、纯净的电解质，在阴极侧添加海水来达到直接制氢的目的。三是基于膜材料隔离的海水直接电解制氢，通过亲水反渗透膜原位筛分来排除海水中的杂质离子。四是基于物理力学的相变迁移海水直接制氢，通过在海水与电解液间构建气– 液相界面，并利用两者的饱和蒸气压差作为传质驱动力，诱导海水中的水以气态形式跨膜迁移至电解质，彻底隔绝海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的海水直接制氢。海水直接制氢技术的发展，将助力推动“海上风电等可再生能源利用– 海水氢能生产” 的全球新兴战略产业。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

（2）紧凑型聚变堆高温超导磁体文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/22267.html

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。托卡马克装置被认为是实现可控核聚变最有前景的磁约束装置，超导磁体是托卡马克装置的关键部件之一。传统托卡马克装置采用的是低温超导磁体，为了获得高聚变能量增益和聚变功率密度，装置往往建造得很大，增加了装置的造价。随着超导材料技术的发展，第二代高温超导材料相较于低温超导材料有着更高的温度裕度、电流密度和临界磁场。这些特性促进了更加紧凑、更强磁场的高温超导磁体的诞生。高温超导磁体技术的突破形成了新的紧凑型聚变堆技术路线，不仅成本大大降低，更使研发周期大幅缩短。MIT Technology Review 将紧凑型聚变堆评为 2022 年度十大突破性技术之一。国际上具有代表性的装置有美国麻省理工学院（MIT）的 SPARC 装置和英国卡拉姆聚变能源中心的 STEP 装置，目前均处于概念设计阶段。

（3）能源资源遥感成像变化检测方法

遥感成像变化检测是利用不同时期覆盖同一地表区域的多源遥感影像和相关地理空间数据，结合相应地物特性和遥感成像机理，采用图像、图形处理理论及数理模型方法，确定和分析该地域地物的变化，包括地物位置、范围的变化和地物性质、状态的变化。

变化检测初期采用中低分辨率遥感影像，随着遥感影像空间分辨率的提升，相同地物的空间纹理表现形式差异变大，地物特征更加复杂多样，传统的变化检测方法已很难满足需求，高光谱影像变化检测和高分辨率影像变化检测成为变化检测的重要领域。遥感大数据、互联网、人工智能（AI）、云计算等现代信息技术正在蓬勃发展，驱动遥感监测技术模式快速转型升级。统筹利用现有数据与计算资源，开展地表常态化、智能化监测，及时、高效地获取地物变化信息，已成为当前遥感领域的研究热点之一。未来研究趋势包括应用场景变化检测、大规模变化检测专用样本集的构建与应用、多源数据的信息挖掘等。

（4）地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究

地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究是指通过结合多个空间和时间尺度，探究地热系统中岩石的热、水、力相互作用及其耦合机制的研究，旨在揭示地热能开发和地下水流对地质断裂带和岩石性质的影响机制，提高地热资源的开发效率和环境管理水平。

主要研究方向包括：① 岩石孔隙结构、矿物组成、热传导等微观特性，以及岩石与流体的相互作用的微尺度研究；② 中尺度层面，模拟分析小尺度岩石的热– 水 – 力行为，揭示地热系统中流体渗流、热传输和力学响应之间的关系；③ 在宏观尺度上，研究探索整个地热系统中岩石的热– 水 – 力耦合作用下岩石断裂行为，考虑地质构造和地下水流对地热资源的影响。通过跨尺度模拟研究将这些不同尺度的信息整合起来，为地热能源开发提供更全面的指导。

随着计算能力的提升和多学科交叉的深入，地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程的多尺度断裂模拟方法和技术将进一步发展。体现在：① 基于数值新算法、人工智能新技术，多尺度模拟方法将更加精细和高效， 模拟结果更准确；② 通过实际监测数据来优化数值模型，利用数据驱动的模拟方法提高预测精度，同时， 研究过程更加注重耦合效应，考虑温度、压力、流体运移等因素之间的相互影响；③ 跨学科知识交叉融合将得到进一步加强，地质学、水文学、地球物理学等领域的专业知识将融合到模拟研究中。

（5）基于可再生能源的电力多元转换技术

电力多元转化技术（Power-to-X）是利用可再生能源（太阳能、风能、水力等）产生的绿电制备绿氢、绿色甲醇、绿氨及其他产品的过程。这一新兴技术可实现间歇性可再生能源到可储存化学能的转变，有助于大规模可再生电力的消纳，并将可再生能源链接至工业、交通、能源动力等部门，为全球经济脱碳和提供非化石能源产品提供合适的解决方案。

电解水制氢是当前 Power-to-X 技术的重点领域。此外，绿氢耦合 CO2 和N2 转化可以提供丰富的产品。可再生电力驱动 H2O/CO2/N2 直接制备绿色甲醇、绿氨等产品是 Power-to-X 研究领域的热点。其中，H2O/ CO2 共电解制合成气，串联分布式微型费托装置具有生产碳中性燃料和化学品的广阔前景。生物质及其平台化合物是一类地球丰富的可再生资源，相比于 CO2 和 N2，其具有丰富的 C—O—H 分子架构、更活泼的反应基团和更灵活的分子裁剪性，是适合于可再生电力加工的重要对象，而且生物质基产品与经济系统具有出色的兼容性。因此，Power-to-X 技术耦合生物质转化在碳中和经济领域具有巨大的潜力。

打破 Power-to-X 转换技术“材料 – 电极 – 电解槽 – 系统”全链条的关键科学技术瓶颈，提高 Power- to-X 过程的能量转化效率以及产品的经济价值，优化 Power-to-X 技术与工业、交通与能源动力等部门的连接方式是当前这一领域的核心。

（6）高比能锂金属电池

作为二次电池负极金属锂的理论比容量高达 3 860 mAh/g，同时它具有最负的电化学电位，是高能二次电池负极材料的终极选择。在 20 世纪 70 年代曾有人尝试将金属锂作为二次电池负极，但发现在充电（即锂电沉积）时会产生锂枝晶，可刺破隔膜造成内短路，进而引起热失控和燃烧爆炸。另外，锂枝晶还容易断裂导致粉末化，导致化学活性和安全风险提高。这些致命缺陷阻断了金属锂二次电池的商业化，研究更多瞄准了锂离子可插入的母体材料，最终石墨基负极锂离子电池于 1991 年问世。近十年来，随着电动车和储能技术等的快速发展，对电池能量密度提出了更高的要求，金属锂二次电池重新进入人们的视野，大量研究瞄准能量密度超过 400 Wh/kg 的锂硫电池等新体系，但负极枝晶生长和低循环效率两大问题仍需要加以解决。优化集流体构造、修饰电极表面或采用金属锂复合材料都能有效抑制锂枝晶生长。另外，锂负极的性能也与所用电解质休戚相关。通过电解液组分调制可以改善固体电解质界面相的性质，抑制锂枝晶并提高库仑效率；尤其是使用有机– 无机复合或无机固体电解质有望从根本上解决金属锂负极的存在问题。随着新材料的不断涌现、电池结构和充电机制的优化，高能金属锂二次电池最终有望得到实际应用。

（7）核能制氢工艺路线及关键材料性能研究

氢作为一种二次能源，是一种能量载体或能流，核能与氢能的结合将使能源生产和利用的全过程基本实现洁净化。利用核电为电解水制氢提供电力是核能制氢的一种方式。目前，电解水制氢的主要问题是能耗高、效率低。如果在用电低谷时进行核电电解水制氢，则可合理利用电网资源，降低制氢成本；对于反应堆中核裂变过程所产生的高温直接用于热化学制氢已进行了广泛研究。与电解水制氢相比，热化学制氢的效率更高，成本更低。

热化学制氢基于热化学循环，使水在 800~1 000 ℃下进行催化热分解，制取氢和氧，目前共研究出了 100 多种热化学循环流程。该方法的关键之一是需提供低成本的高温热源。以反应堆中核裂变所产生的高温作为热化学循环制氢的热源是近年来国际核工程界的一个活跃的研究课题，有可能成为今后核能应用的新领域。热化学过程制氢有生物质热化学制氢、热化学碘硫循环制氢、高温固体氧化物电解制氢、甲烷（高温）重整制氢等多种方式，其中，热化学碘硫循环制氢被认为是较有前景的方式。热化学制氢对反应堆的要求方面， 首先要求反应堆须提供 750~1 000 ℃的高温，其次必须防止核系统与制氢系统在热交换过程中的交叉污染。国际上第四代核能系统（Gen Ⅳ）路线图充分考虑了核能制氢问题，在推荐的 6 种核能体系中，除超高温气冷堆（VHGR）以产氢为主外，气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）和熔盐堆（MSR）均兼顾发电和制氢。

（8）高放废物深地质处置核心技术

高放废物是指核反应堆乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体。根据中国标准《放射性废物的分类》，高放废物分为高放废液和高放固体废物两类。由于高放废物是一种放射性强、毒性大、含有半衰期长的核素并且发热的特殊废物，对其进行安全处置难度极大，面临一系列科学、技术、工程、人文和社会学的挑战。国际上普遍采用的可行方案是深地质处置，即把高放废物埋在距离地表深 500~1 000 m 的地质体中，使其永久与人类的生存环境隔离。埋藏高放废物的地下工程即称为“高放废物处置库”。建设高放废物处置地下实验室，以地下实验室为平台，多国已确定处置场址，研发了完备的处置理论和技术体系， 进入处置库建设 / 筹备阶段。例如，芬兰在 2015 年 11 月获得处置库建造许可，2016 年开建；瑞典和法国获得处置库建造许可；美国在 2017 年拨款重启尤卡山项目。2019 年 5 月 6 日，经国务院同意，国家国防科技工业局正式批准地下实验室建设工程立项，这是中国高放废物地质处置的里程碑式标志。

高放废物安全处置须解决的重大科学问题包括：处置库场址地质演化的精确预测，深部地质环境特征， 多场耦合条件（中– 高温、地应力、水力作用、化学作用和辐射作用）下深部岩体、地下水和工程材料的行为， 低浓度超铀放射性核素的地球化学行为与随地下水迁移行为以及超长时间尺度下处置系统的安全评价等。

（9）基于人工智能的钻井速率预测模型

基于人工智能的钻井速率预测模型是利用机器学习和数据分析技术，针对油气钻井作业中的钻井速率进行预测的方法。该模型通过分析历史钻井作业数据、地质信息、钻井参数等多种因素，并应用神经网络、决策树、支持向量机等人工智能算法，构建预测模型，为钻井作业的规划和优化提供决策依据。其研究方向主要包括数据采集、特征工程、算法建模和模型优化等。需要收集大量历史钻井数据，提取与钻井速率相关的特征，选择适当算法构建预测模型，并通过迭代优化提高精度和稳定性。随着数据技术和人工智能的发展，数据多样性和实时性的不断提升，其他领域信息的逐步融入，自动化技术等的应用，模型将变得更加精准和可靠，提供实时全面准确的钻井速率预测结果。

（10）水力压裂的储层改造特征和效果

水力压裂技术是利用储层的天然或诱导裂缝系统，使用含有各种添加剂的压裂液在高压下注入地层， 使储层裂缝网络扩大，并依靠沙粒或陶瓷粒等支撑剂使裂缝在压裂液返回以后不会封闭，从而改善储层的裂缝网络系统，使赋存其中的页岩气持续不断地释放并输送到地表。中国于 20 世纪 50 年代开始研究水力压裂技术。通过探索和借鉴，直至 2009—2011 年首次实施第一口页岩气井压裂现场试验，拉开了中国页岩气压裂理论研究和现场应用的序幕。2012 年，涪陵页岩气田焦页 1 HF 井压裂获得高产，标志着中国压裂技术实现了国产化。此后随着压裂技术的稳步发展，截至 2020 年，中国页岩气压裂井总数达到 1 092 口， 页岩气产量逐年攀升，2020 年全国页岩气产量达 200.4×108 m3。

从实现储层改造的充分程度来看，中国早期实施的压裂工艺主要包括常规分段多簇压裂技术、同步压裂技术、拉链式压裂技术、重复压裂技术等，其中分段多簇压裂技术是页岩气压裂的主体技术。随着页岩气开发的深入，2018 年以后，为了提升改造效果，特别是深层页岩气的改造体积和缝网复杂度，发展了“密簇”强加砂压裂技术。在该工艺技术的实施过程中，为了调控裂缝的均衡程度，发展了缝内、缝口暂堵压裂技术和非均匀射孔压裂技术等，实现了对裂缝延伸均匀性的有效调控。

（11）海洋深水复杂地层油气开发提质增效理论

一般将水深超过 300 m 海域的油气资源定义为深水油气，深水油气资源丰富、潜力大，勘探开发和增储上产前景广阔，已成为油气储量和产量的主要接替区。受平台使用寿命限制，深水油气开发必须在有限时间内实现稳产高产，亟须实现油气开发的提质与增效。全球超过 70% 的油气资源蕴藏在海洋中，40% 来自深水。近十年新发现的 101 个大型油气田中，深水油气田数量占比为 67%、储量占比为 68%。中国目前深水油气产量已达上千万吨，获得阶段性进展。然而，中国深水油气勘探开发仍处于初期阶段，储层成因复杂，勘探、表征、建井和开采难度大，配套材料和装备对外依赖性强，限制了其进一步发展，亟须研究适合我国海洋深水复杂地层的油气开发提质增效理论。主要研究方向有：深水油气地质勘探方法、深水油气精细表征技术、深水油气安全钻完井技术、深水油气开发配套材料和装备研发、深水油气高效开采方法等。积极研究新方法，研发新技术、新材料和新装备，形成海洋深水复杂地层油气开发提质增效理论体系， 制定科学合理的开发模式，有望为保障国家能源安全贡献重要力量。

（12）安全高效深地采矿岩石力学建模

安全高效深地采矿岩石力学建模是指在深部地下采矿过程中，通过应用先进的力学模型和数值模拟技术，研究岩石的变形、破裂、应力分布等力学行为，以预测和评估采矿过程中可能出现的岩体失稳、坍塌等地质灾害风险，从而为安全高效的矿山开采提供科学指导。

该领域的主要研究方向包括：① 岩石的本构模型研究，探索不同类型岩石在高压、高温等极端条件下的变形特性，为采矿过程中岩石变形行为提供准确的数值描述；② 孔隙岩体的力学行为研究，考虑地下水流对岩体力学性能的影响，以及孔隙介质中岩石− 水耦合作用对开采的响应；③ 多尺度建模方法研究，构建跨尺度模拟方法揭示从微观到宏观尺度的岩石力学响应。

随着计算机技术的飞速发展，安全高效深地采矿岩石力学建模将呈现更为精细和准确的发展趋势，体现在：① 模型将更加细致地考虑岩石的非线性、各向异性、损伤等特性，提高模拟的准确性；② 耦合效应的研究将更加深入，将地下水流、温度、应力等多种因素纳入模型，更全面地预测岩石力学响应；③ 人工智能和机器学习技术的应用将增强，用于优化模型参数、加速模拟过程，提高模拟效率。随着深部矿山的开采深度不断增加，岩石力学建模也将关注更深部地下的力学行为研究。

1.2 Top 4 工程研究前沿重点解读

1.2.1 海水直接制氢技术研究

电解水制氢高度依赖淡水资源，而淡水资源的短缺严重制约了电解水制氢的发展。海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水来制取“绿氢”是未来科技与产业发展的重要战略方向。海水成分极其复杂，涉及 92 种化学元素和大量微生物、固体杂质等，且其电导率低、成分波动大，易导致电解过程发生副反应竞争、催化剂失活、膜堵塞等问题，给电解系统的高性能、稳定性、高效率和兼容性带来了巨大的挑战。

先淡化后制氢是当前最成熟的海水制氢技术路径，目前已在国内外开展规模化示范工程项目。但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。海水直接制氢由美国科学家 Williams 于 20 世纪 70 年代提出，目前国际上以海水直接电解制氢的四大路径为主。其中，催化剂工程是目前解决海水制氢挑战最传统和常规的方式，主要通过提高电化学活性、引入选择性位点、构造保护涂层的方法，来避免析氯副反应与析氧反应的竞争。第二类是基于非对称电解质的海水直接电解制氢进一步避免了阳极的竞争反应，主要通过在阳极侧添加单一、纯净的电解质，在阴极侧添加海水来达到直接制氢的目的。第三类是基于膜材料科学的海水直接电解制氢，主要通过亲水性反渗透膜原位筛分来排除海水中的杂质离子。这三类路径仍停留在实验室阶段。第四类是近年兴起的基于物理力学的相变迁移海水直接制氢，通过在海水与电解液间构建气 − 液相界面，并利用两者的饱和蒸气压差作为传质驱动力，诱导海水中的水以气态形式跨膜迁移至电解质，彻底隔绝海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的海水直接制氢。该路径已在 2023 年 5 月 27 日在福建省兴化湾完成的全球首个海上风电海水直接电解制氢海试中得到验证。

“海水直接制氢技术研究”工程研究前沿中核心论文发表量与篇均被引频次排在前列的国家是中国和美国（表 1.2.1），中国、美国、澳大利亚三国合作较多（图 1.2.1）。在核心论文的主要产出机构中，发文量排在前列的是中国科学院与青岛科技大学，篇均被引频次排在前列的是休斯顿大学和天津大学（表1.2.2）。其中，中国石油大学（华东）与青岛科技大学、深圳大学与郑州大学合作较多（图 1.2.2）。施引核心论文的主要产出国家和机构分别见表 1.2.3 和表 1.2.4。

目前相变迁移的海水直接电解制氢技术路线已初现优势（图 1.2.3），预计到 2025 年实现 100 Nm3/h H2 海水制氢系统量产，2028 年前实现 1 000~3 000 Nm3/h H2 海水制氢系统量产，2033 年前实现应用场景拓宽到污水、废水等非纯水资源的大规模直接制氢。

表 1.2.1 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

图 1.2.1 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿主要国家间的合作网络

表 1.2.2 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

图 1.2.2 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿主要机构间的合作网络

表 1.2.3 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

表 1.2.4 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

图 1.2.3 “海水直接制氢技术研究”工程研究前沿的发展路线

1.2.2 紧凑型聚变堆高温超导磁体

聚变能源清洁、安全且资源比较丰富，是最可能从根本上解决未来能源危机的理想能源。托卡马克装置被认为是实现可控核聚变最有前景的磁约束装置。超导磁体是托卡马克装置的关键部件之一，提供产生、约束等离子体的极向和环向磁场以实现聚变。在托卡马克装置中，聚变能量增益和聚变功率密度与环向磁场存在标度率关系，采用传统低温超导材料的磁体中心环向磁场仅能达到 7 T 左右，如中国的 EAST、日本的 JT-60SA、英国的 JET 以及国际合作的 ITER。随着超导材料技术的发展，第二代高温超导材料相较于低温超导材料有着更高的温度裕度、电流密度和临界磁场。这些特性促进了更加紧凑、更强磁场的高温超导磁体的诞生。由于托卡马克装置的造价近似与装置大半径的立方成正比关系，高温超导磁体技术可以有效地降低聚变装置的整体造价，对未来进一步推广聚变能的应用有着重要的作用。目前，英国托卡马克能源公司已经完成了 ST25-HTS 装置的制备，证实了托卡马克装置与高温超导材料结合的可行性。未来 5 年， 美国麻省理工学院计划采用高温超导材料完成中心环向磁场大于 12 T、功率增益系数 Q 大于 2、聚变能量大于 50 MW 的 SPARC 示范装置。使用高温超导磁体的紧凑型高温超导托卡马克装置已经成为未来可控核聚变技术一个重要研究方向。

“紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿中核心论文数最多的国家是中国、美国和日本，篇均被引频次靠前的国家是美国、韩国、瑞士和俄罗斯（表 1.2.5）。其中，中国与美国合作较多，德国与瑞士合作较多（图 1.2.4）。核心论文的主要产出机构方面，中国科学院、中国科学技术大学和麻省理工学院具有

表 1.2.5 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

优势，篇均被引频次排在前列的是麻省理工学院、科罗拉多大学和普林斯顿等离子体物理实验室（表1.2.6）。其中，中国科学院与中国科学技术大学合作较多，日本国家聚变科学研究所和日本东北大学合作较多（图1.2.5）。施引核心论文数排名靠前的国家是中国和美国（表 1.2.7），施引核心论文数排名靠前的机构是中国科学院、中国科学技术大学和麻省理工学院（表 1.2.8）。

目前国际范围内利用高温超导磁体建设的紧凑型聚变堆有 MIT 的 SPARC 装置，这是计划建造的核聚变电站的小规模版本。SPARC 的成功运行，将证明一个全面的商业运行的核聚变发电厂是可行的，为快速设计和建造商用可控核聚变发电站扫清道路，让核聚变发电成为未来清洁能源的核心，改变未来世界能源格局。未来 5 年内首先完成高温超导聚变堆应用可行性研究，之后在 2033 年前后，进行高温超导聚变电站的建设，最终实现聚变发电（图 1.2.6）。

图 1.2.4 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿主要国家间的合作网络

表 1.2.6 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

图 1.2.5 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿主要机构间的合作网络

表 1.2.7 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

表 1.2.8 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

图 1.2.6 “紧凑型聚变堆高温超导磁体”工程研究前沿的发展路线

1.2.3 能源资源遥感成像变化检测方法

遥感影像变化检测是遥感图像处理分析方法研究的重要方向，核心是利用不同时期、相同地域的遥感影像，分析与确定地物的变化状况及其特征相关性，对遥感光谱信息的利用经历了从黑白全色影像到多光谱、高光谱再到时间序列的发展历程，变化检测方法也由基于像素的代数计算向机器学习算法及多方法联合算法等演变，如较为传统的方法是采用遥感时间序列变化检测，包括分类法、阈值法、图像变换法、模型法等。近年来，随着搭载高空间分辨率光学相机的遥感卫星陆续升空、机动灵活的无人机遥感的广泛应用， 遥感影像的数量、检测精度、信息完整性不断提升，针对同一区域获取数据的频次也逐渐提高，这为遥感影像变化检测提供了重要基础。在此背景下，“人工智能 + 遥感大数据”模式成为近年来行业应用系统建设的普遍共识，主要研究方向包括多时相高光谱影像“时 − 空 − 谱”联合特征的有效提取、基于深度学习的高精度变化检测算法等，高精度、自动化的遥感成像变化检测方法对于矿产资源勘探、国家生态环境保护、海洋环境监测等具有重要的现实意义与战略意义。

国际摄影测量与遥感学会多年来一直为遥感影像变化检测研究设置单独的工作组，以致力于推动利用遥感技术手段进行多领域变化检测发展。美国国家地理空间情报局亦将遥感影像变化检测与分析纳入战略规划。中国也高度重视遥感影像变化检测技术在地理国情检测中的应用，从 2010 年开始国土资源部每年都会开展全国遥感检测工作，利用多时相遥感影像变化检测技术持续更新全国土地调查成果。

“能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿中核心论文数排名第一的国家是中国（35 篇），论文占比达 97.22%，其他国家占比均低于 10.00%；核心论文数排名第二的是意大利（3 篇），论文占比为 8.33%（表 1.2.9）。在核心论文的主要产出机构（表 1.2.10）方面，排名前十的机构中，中国占 8 个，其中武汉大学（13 篇）、中国科学院（6 篇）和北京航空航天大学（4 篇）位列前三。中国（777 篇）也是该工程研究前沿中施引核心论文产出最多的国家，论文占比为 67.80%，第二名是美国（82 篇），仅占 7.16%（表 1.2.11）。施引核心论文的主要产出机构中，前三名为武汉大学（125 篇）、中国科学院（116 篇）和西安电子科技大学（39 篇）（表 1.2.12）。该领域合作以中国为主，意大利、美国和荷兰等国围绕中国开展合作（图 1.2.7）， 机构之间的合作研究集中在武汉大学、中国科学院、南京信息工程大学和中南大学之间（图 1.2.8）。

未来 5~10 年内，能源资源遥感成像变化检测方法将迎来一系列重要发展趋势（图 1.2.9）。高分辨率和多频谱数据的融合将提供更精确的资源变化检测能力，包括多源数据融合和超光谱技术的应用。机器学习和深度学习技术的普及将自动化进行遥感数据的分析，降低人工干预程度。此外，时序数据分析将有助于更好地理解资源变化趋势和周期性，提高变化检测的准确性。云计算和分布式计算资源的使用也将提高数据处理和分析的效率。这些方法不仅将在环境监测、资源管理和气候变化研究中发挥关键作用，还将应用于智能城市规划、可持续发展、精准农业和森林资源管理等领域。随着这些发展趋势的不断推动，能源资源遥感成像变化检测方法的应用前景将更加广泛，为决策支持和资源管理提供更多有力工具。

表 1.2.9 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

表 1.2.10  “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

表 1.2.11 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

表 1.2.12 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

图 1.2.7 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿主要国家间的合作网络

图 1.2.8 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿主要机构间的合作网络

图 1.2.9 “能源资源遥感成像变化检测方法”工程研究前沿的发展路线

1.2.4 地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究

地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究是地热能利用与地质环境相互作用的重要前沿领域。这一领域的研究旨在深入理解地热系统中岩石的热– 水 – 力耦合行为，从而为地热资源开发和管理提供科学依据。在过去几十年中，随着数值模拟、计算能力和数据监测技术的进步，这一领域取得了显著的发展。

地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程的断裂研究历史可以追溯到 20 世纪 80 年代。最初，研究主要集中在单一尺度的实验和理论模型上，探讨地热系统中温度、压力、水流等要素之间的关系。随着实验设备、计算机技术的发展，多尺度实验、模拟方法逐渐得到应用，使得研究者能够更全面地揭示地热系统岩石断裂的复杂耦合行为。近年来，随着深部地热资源的关注度上升，多尺度断裂模拟研究更加受到重视，以提升预测和解决地热能开发中遇到的问题。

地热系统的热 – 水 – 力耦合行为影响着地热能开发的效率和可持续性。掌握岩石的物理和化学响应， 有助于优化地热能的开发过程，减少资源浪费。另外，地热系统中的岩石断裂行为与地下水流和地质灾害密切相关，其相关研究对于地下水资源管理和地质灾害预防具有重要意义。

多尺度断裂模拟研究包括以下几个方面：① 从微观尺度到宏观尺度的跨尺度模拟，深入理解地热系统内部岩石的热、水、力相互作用机制；② 耦合实验研究和数值模拟，验证多因素影响下模拟结果的准确性；③ 开发高效算法和模拟工具，提升多尺度模拟的计算效率；④ 实时监测和数据采集技术的应用，改进模拟模型的精度。

“地热系统岩石热 – 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家是中国、美国和澳大利亚（表 1.2.13、图 1.2.10）；核心论文数排名靠前的机构为西安理工大学、中国矿业大学、成都理工大学和普渡大学（表 1.2.14），这四所机构间有较多合作（图 1.2.11）。施引核心论文数排在前三位的国家是中国、美国和澳大利亚（表 1.2.15）。施引核心论文数排名靠前的机构是中国矿业大学、西安理工大学、河南理工大学、安徽理工大学和普渡大学（表 1.2.16）。

“地热系统岩石热– 水– 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿的发展路线如图1.2.12 所示。主要的发展方向包括：① 高精度模型构建，未来的研究将注重更精细的模型构建，包括更准确的岩石物理参数、孔隙结构和地质断裂特征的输入，这将有助于更真实地模拟地热系统中的复杂热– 水– 力耦合行为；② 耦合效应研究，将更加注重不同尺度和不同物理过程之间的耦合效应，探究岩石的热、水、力相互作用对地热系统岩石断裂行为的影响；③ 数据驱动模拟，随着监测技术的发展，未来的模拟研究将更多地融合实际监测数据，用于验证模型准确性和优化参数，提高模拟结果的可靠性。

未来 5~10 年的发展趋势主要包括以下两方面：一是多物理场耦合，不仅关注热 – 水 – 力耦合，还会考虑化学场、流场等多个物理场的相互作用，实现更全面的地热系统岩石断裂模拟；二是高性能计算应用， 随着计算能力的提升，未来的模拟研究将更加依赖高性能计算，使模拟更精细、更复杂，以更准确地预测

表 1.2.13 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

图 1.2.10 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿主要国家间的合作网络

表 1.2.14 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

图 1.2.11 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿主要机构间的合作网络

表 1.2.15 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

表 1.2.16 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

图 1.2.12 “地热系统岩石热– 水 – 力耦合过程下多尺度断裂模拟研究”工程研究前沿的发展路线

地热系统的岩石断裂行为。

地热能作为一种可持续的清洁能源形式，具有巨大的应用潜力。多尺度模拟研究有助于更好地理解地热资源的分布、变化以及可持续利用的方式，这对于提高地热能开发效率、降低环境破坏风险具有重要意义。

另外，多尺度模拟研究在地热资源勘探、开发和管理方面具有广泛的应用。在地热能开采过程中，它可以帮助预测地热系统的岩石断裂行为，优化生产方案，降低生产风险。此外，它还可以应用于地热能与地下水、地质环境的相互影响研究，以及地热能与其他能源形式的综合利用方案设计。

2 工程开发前沿

2.1 Top 12 工程开发前沿发展态势

能源与矿业工程领域组研判的 Top 12 工程开发前沿见表 2.1.1，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，“动力电池快速充电及管理技术”“长时大规模储热及热机械储能技术”“数据驱动的智能配电网的安全运行与监控技术” 属于能源和电气科学技术与工程领域；“快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”“聚变装置托卡马克氘氚运行实验”“核能制氢 – 工业应用耦合技术”属于核科学技术与工程领域；“地面高精度重力测量找矿技术”“基于深度学习的地震数据解译及应用技术”“便携式地质勘探及取样装置研发”属于地质资源科学技术与工程领域；“油气勘探开发智能化协同平台”“页岩储层大平台长水平井优快钻井技术”“复杂条件下煤矿智能感知随钻探测装备”属于矿业科学技术与工程领域。

各开发前沿涉及的核心专利在 2017—2022 年的公开情况见表 2.1.2。

（1）动力电池快速充电及管理技术

动力电池（锂 / 钠离子电池）决定了电动交通运输工具的性能和市场竞争力。以电动车为例，现有动力电池的充满电时间约为 60 分钟，是燃油车加油耗时的 20 倍。实现“加油式”快速充电，能够拓展电动车的应用场景，提高电动车的市场渗透率。美国先进电池联盟对动力电池充电提出了具体指标，要求在 15 分钟内充满电池总电量的 80%。然而，由于离子传输阻力带来的动力学极化，快充会导致动力电池负极侧析锂（钠），进而加速性能衰减并引发安全隐患。通过管理技术或本征材料改性可降低快充过程

表 2.1.1 能源与矿业工程领域 Top 12 工程开发前沿

注：序号 1、3、6、9~12 为数据挖掘前沿，序号 2、5、7~8 为专家提名前沿，序号 4 为数据挖掘 & 专家提名前沿。

表 2.1.2 能源与矿业工程领域 Top 12 工程开发前沿逐年核心专利公开量

限速步骤的反应能垒，提高快充能力。管理技术的主要方向是电池智能温控系统和算法优化充电协议。本征材料改性则围绕电极构造、负极材料、黏结剂、电解质、固态电解质薄膜（SEI）。然而，快充限速步骤难以被准确识别且会随循环条件的变化发生动态迁移，从而导致针对某一步骤的动力学优化策略效果大打折扣。在此种情况下，将“抑制析锂（钠）”转变为“调控析锂（钠）”，通过以构建功能化 SEI 为代表的一系列调控策略使析锂（钠）分布均匀、形貌规则、高度可逆，不仅能本征解决金属枝晶析出引发的安全问题，减少快充对电池寿命的损耗，而且可以提高快充下的荷电状态，是未来快充技术发展的重要趋势。

（2）快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用

国际上已经使用的快堆燃料形式有陶瓷燃料和金属燃料两大类。国际上正在研发快堆金属燃料、氮化物和碳化物燃料，这类燃料比氧化物燃料有更高的增殖比。

金属燃料具有热导率高、燃料温度低、安全裕度高的特点。通过材料技术改进可以抑制辐照肿胀。快堆金属燃料是公认的未来主要快堆燃料种类之一。金属燃料的制造工艺更加简化，金属燃料与干法后处理（分离出的金属为 U 和 Pu）能够更好地直接配合生产新燃料，构成一体化燃料循环系统。金属燃料研发主要集中在U–Zr 合金和U–Pu–Zr 合金。金属燃料通常由U–10Zr 的二元合金或U–Pu–10Zr 的三元合金组成。在氧化物燃料及金属燃料中加入次锕系核素（MA）成为嬗变燃料。

混合的钚铀氮化物燃料和碳化物燃料是正在开发的新型燃料形式。UPuN 和 UPuC 的钚铀密度比氧化物燃料高，能获得较高的增殖比、较短的增殖时间、较好的热导性能，并且与钠冷却剂和不锈钢包壳均具有优良的相容性。

国际上已有多个国家开展了氮化物、碳化物燃料的研发和应用。美国、法国、俄罗斯、印度等国都曾开展过多种碳化物和氮化物燃料的研发。俄罗斯快堆（除 MOX 以外）燃料选择混合氮化物燃料（MNUP） 作为未来的快堆燃料选项之一。印度的试验快堆 FBTR 采用碳化物（Pu，U）C 燃料。

（3）地面高精度重力测量找矿技术

地面重力测量是指采用地面重力仪测定某一点的重力值，利用测得的地下重力（密度）差值进行找矿的方法。通过对相对重力和绝对重力测得的重力值进行分析，开展区域地质研究、矿产勘查和能源调查等， 是地球物理找矿的重要方法之一。

国内外地面重力测量技术已获得巨大发展，基于零长弹簧思想，美国和加拿大设计生产出弹簧型地面重力仪，测量精度优于 5 μGal1，中国设备精度达到 30 μGal，在找矿方面发挥了重大作用，而今仍然是世界各国的主力技术装备。但传统的弹簧型地面重力仪已经发展到极限水平，测量精度提高余度很小。目前， 国内外基于原子干涉原理，开发了一批地面绝对重力仪和重力梯度仪，绝对重力仪测量灵敏度达到 4.2~44.0 μGal/Hz1/2，重力梯度仪可观测到 170 E 的重力梯度信号，且探头体积明显减小。原子重力仪作为新一代的量子重力传感器，其测量灵敏度有望达到 10−4 μGal，但面对原子重力仪小型化和测量精度提升等关键难题，原子重力梯度仪还面临着标度因子不足、相位提取效率偏低等问题，其实用化面临着巨大的挑战。

主要研究方向包括小型化高精度原子绝对重力仪/ 重力梯度仪研制、数据精细处理与解释等。提供精度更高、技术更有优势的找矿技术，对筑牢我国矿产资源安全防线具有重要的现实意义与战略意义。

（4）油气勘探开发智能化协同平台

油气勘探开发智能化协同平台是指通过提供信息共享、技术创新、生产经营一体化、智能化协同平台或环境，实现多学科交互融合和勘探开发一体化。当前新一轮油气科技革命和数字革命中，大数据、人工智能等新技术与油气工业的跨界融合成为创新的重要途径。国外油气勘探开发智能化协同平台建设已初见成效，壳牌、斯伦贝谢、哈里伯顿、BP、雪佛龙、埃尼等企业相继开展智能化平台研究。然而，油气行业全球信息化程度仍相对较低，远低于产业平均值。目前，我国仍处于数字化向智能化过渡阶段， 中国石油天然气集团有限公司建设“勘探开发梦想云”平台，中国石油化工股份有限公司建设“石化智云” 平台，中国海洋石油集团有限公司构建勘探开发协同工作环境和海陆协同工作体系，皆取得阶段性进展， 但总体发展仍落后于国外。主要研究方向包括：人工智能技术、智慧油气勘探研究、地质工程一体化构建、智能化装备研发、云计算平台建设、数据共享等。其发展趋势是将硬件设施、软件开发、数字化技术和油气专业知识有机结合，构建勘探开发全过程数字化、自动化、智能化专业应用环境，实现油气勘探开发多领域协作。未来有望从根本上改变勘探开发工作模式，提高工作效率，实现综合效益最大化， 推动油气行业数字化转型和智能化发展，保障国家能源安全。

（5）长时大规模储热及热机械储能技术

储热及热机械储能技术是一种基于热质传递输运和热功可逆转化的能量存储技术，可从技术和经济的角度实现能量的长时跨季节规模化存储，具有能量密度高、利用方式灵活、综合效率高、成本可控等优点， 是推动碳中和目标下能源绿色转型、构建以新能源为主体的零碳电力系统的关键技术。储热技术包括显热储热、相变储热和热化学储热，热机械储能技术涵盖压缩空气 / 二氧化碳储能、液化空气 / 二氧化碳储能和卡诺电池（也称热泵储电）。

主要技术方向包括：储热与传热传质多尺度耦合机制的构建方法；储热材料物理化学性质的主动调控策略；安全高效封装与隔热材料的开发与制备；基于拓扑优化理论和 AI 算法的储热装置结构优化技术； 极端温度、压力条件下的高等熵效率压缩与膨胀技术；储热及热机械储能系统的热力学与经济性分析；储热及热机械储能系统的多场景智慧运行调控技术。

发展趋势包括：① 材料层面，在综合考虑储热材料热物性、腐蚀性和稳定性的基础上开展新型复合储热材料的主动设计与制备；② 装备层面，与 3D 打印等增材制造技术相结合，研发明确目标下具备相应高自由度结构的储热与动力装备；③ 系统层面，将储热及热机械储能系统同零碳电力系统、零碳燃料系统相融合，拓展为可提供灵活能源方案的智慧能源系统。

（6）数据驱动的智能配电网的安全运行与监控技术

随着智能配电网信息化与自动化水平的不断提高，配电网运行量测数据激增；同时，智能配电网与物联网的深度融合也促进了电力企业内外部数据交互，逐渐形成了面向智能配电网安全运行与监控的大数据环境。然而，所获取的配电网数据信息类型多样、数据粒度精细化程度高、在线与离线数据关联性复杂，现有基于模型的配电网分析计算与优化控制方法无法适用，亟须探索数据驱动的智能配电网分析决策、运行优化、监测控制技术，实现大数据赋能的配电系统监测、调度、保护、控制等全方面智能化提升。数据驱动的智能配电网安全运行与监控技术的主要研究方向包括：智能配电网多参量传感器与边缘计算装置研发；配电网数据通信网络安全与隐私保护机制；智能配电网运行态势感知与数字孪生 AI 建模技术；多尺度、精细化的智能配电网数据挖掘与数据融合技术；数据驱动下配电系统海量需求侧资源的聚合调控与互动支撑技术；数据驱动的智能配电网源网荷储优化调度方法；基于故障数据挖掘的智能配电网保护与控制技术。

（7）聚变装置托卡马克氘氚运行实验

基于托卡马克装置的磁约束氘氚聚变是迄今为止最有望实现受控核聚变能开发的途径。在“碳中和” 以及国家长远发展对能源需求日益增长的背景下，开发聚变能是解决能源问题的终极途径。氚（T）是一种稀有的放射性氢同位素，当它与同位素氘发生聚变反应时，相比单独氘（D）粒子之间的反应将会产生更多的中子和能量输出。氘氚聚变反应实现的条件相对容易，但由于氚的半衰期短，制备困难，其价格极其昂贵。目前，大部分托卡马克装置都仅仅使用氘进行等离子体实验。因此，为了验证氘氚聚变反应涉及的相关物理和工程技术挑战，国际热核聚变实验堆（ITER）预计从 2035 年开始进行氘氚等离子体实验。通过开展氘氚聚变实验可以直接验证聚变性能，分析托卡马克中氚的相关行为，研究氘氚等离子体行为、阿尔法粒子行为及其对等离子体的影响等。聚变装置托卡马克氘氚运行实验的关键研究和发展方向包括以下几个方面：阿尔法粒子加热相关物理学、氘氚等离子体能量约束、同位素效应、粒子输运研究、磁流体稳定性、聚变功率产出、氚处理安全性验证、氚增殖、聚变堆维护相关遥操作技术等。

（8）核能制氢 – 工业应用耦合技术

与传统制氢技术相比，核能制氢具有清洁、高效、经济等优势，核能制氢的科学研究与产业化应用逐渐成为热点。电解水制氢——氢直接应用或发电的储能形式有望成为继抽水蓄能以外的另一种商业化应用的大容量长时储能技术，同时核能制氢在工业领域的应用包括核能向石化园区供应水热电氢多元化产品， 在燃料合成和冶金等领域应用。

在氢和合成燃料生产方面，加拿大利用重水堆 ACR–700，通过 Cu–Cl 热化学混合循环制氢；德国利用原型反应堆生产工艺热，通过煤炭气化生产混合气体；日本提出了利用 GTHTR300C 制氢的概念；南非提出了可以进行蒸气改进和具有热化学硫混合循环的 PBMR 概念；美国提出了利用 H2–MHR，通过高温蒸气电解方法制氢的方案。此外，还有氢基绿色燃料合成技术、氢冶金技术、燃煤掺氨混燃技术、掺氢 / 燃氢轮机技术等。氢能工业应用耦合技术主要包括工艺模拟与优化、高效能反应堆、工程材料的耐腐蚀试验、测量和控制技术。

（9）基于深度学习的地震数据解译及应用技术

地球科学和能源领域正借助深度学习迎来前所未有的变革。基于深度学习的地震解释技术通过模拟人脑神经结构实现地震数据的自动学习与分析，为地质勘探、储层预测和油气开发等领域带来了巨大潜力。国外公司如斯伦贝谢、CGG、Halliburton 等在基于深度学习的地震解释技术方面均取得了显著进展，先后推出了智能化断层识别、层位拾取、地震相分析等产品，实现了高效、准确的构造解释和储层分析功能， 为能源勘探开发提供了重要的技术支持。当前，我国面临深层超深层勘探、非常规非均质储层、工程甜点预测、老油气田提高采收率等挑战，对高精度的地震解释技术提出了新的更高要求，基于深度学习的地震数据解释技术有望成为提高石油勘探和油气开发效率的关键。我国目前已取得阶段性进展，尽管个别技术已位居国际前列，但整体水平仍需提升。基于深度学习的地震解释技术的研究方向包括智能化测井分析技术、智能化构造解释、储层预测与油藏开发等。未来的发展趋势将涵盖多物理场数据融合、自动化解释平台构建、储层智能描述、实时地震监测等。融合地震数据与其他地质、地球物理数据将进一步提升解释的准确性和可靠性。同时，建立智能化的解释平台，实现从数据预处理到结果可视化的一体化流程。此外， 深度学习技术将与地质模拟相结合，实现储层性质的智能描述，从而辅助油气储层评价和优化。这些技术必将为地球科学和能源领域带来新的突破。

（10）便携式地质勘探及取样装置研发

便携式地质勘探及取样装置由便携式钻机、取样工具及冲洗液循环系统等器具组成，基于轻量化、模块化设计，易于拆装搬运，适用于交通不便、施工场地受限等地区的地质勘查取样。国外已形成较为完善的技术与装备体系，国内设备在钻进能力方面与国外相近，但在取样技术体系建设、设备自动化水平等方面仍有差距。目前，我国开展新一轮找矿突破战略行动的重点调查区已转向覆盖区、中高山、深切割等区域， 便携式地质勘探及取样装置是统筹矿产勘查开发和生态保护、践行绿色勘查的关键技术装备。便携式地质勘探及取样装置研发的主要技术方向包括钻机轻量化、高效钻进工艺、电动化与自动化升级、绿色勘查综合技术集成等。便携式地质勘查及取样装置的发展趋势：一是结构、材料优化及钻进过程的自动化升级， 提高钻机便携性，降低人员劳动强度；二是通过清洁能源驱动、环保冲洗液、泥浆不落地等技术的研发与应用实现绿色勘查；三是取样技术体系研究，满足不同地质条件、地质需求的高效原位无污染取样；四是钻机多工艺、多载体集成，实现一机多能，提高解决问题的能力；五是研发配套的参数监测系统，结合人工智能技术，实现工况诊断、岩性识别等。

（11）页岩储层大平台长水平井优快钻井技术

页岩储层具有“低孔低渗”的特征，其生产依赖于水平钻井和水力压裂技术。大平台长水平井优快钻井技术是指在同一平台同时布置多口长水平井，以减少井场占地面积，增加地下油气藏控制体积， 实现页岩储层优质快速钻井，缩短钻井周期，降低作业成本。美国和加拿大率先成为页岩油气商业化生产国，中国正加快迈入产业化商业化生产阶段。西南油气田钻成中国第一口页岩气水平井和第一口具有商业价值的页岩气井，长庆油田建成亚洲陆上最大页岩油长水平井平台——华 H100 平台。H90–3 井水平段长度达 5 060 m，为亚洲陆上水平井最长水平段长度。然而，与北美海相为主的页岩储层条件相比，中国以陆相为主的页岩储层埋藏深，地形复杂，地层连续性差且分割强烈，技术要求和开发成本高，钻采难度大。主要研究方向包括：工厂化作业技术、水平井轨迹优化技术、水平井提速配套技术、井身结构优化、钻井参数强化、钻井液体系优化、提速设备研发、高效导向钻井模式和综合降阻滑动导向技术研究等。开展以长水平井为基础的大平台作业，研发高效钻完井技术，有望助推我国页岩油气的高效开发。

（12）复杂条件下煤矿智能感知随钻探测装备

煤矿智能感知随钻探测装备是针对煤矿深部开采环境中的复杂条件和高风险而设计的先进技术装备。其核心概念在于结合人工智能、传感器技术、数据分析等领域，使得钻探过程更加智能化、自动化，并能够实时感知煤、岩层变化情况，确保矿工的安全，提高采矿效率。

在主要技术方向方面，煤矿智能感知随钻探测装备的开发涵盖了多个关键领域：① 高精度传感器技术， 包括地质勘探传感器、温湿度传感器、气体检测传感器等，这些传感器能够实时监测地下煤、岩层的物理参数和环境情况；② 数据采集和处理技术，利用大数据分析和机器学习算法，将传感器采集到的数据转化为可利用的信息，预测潜在风险并做出相应决策；③ 自动化控制技术，通过自动化设备控制钻探过程，降低人工干预，减少事故风险。

随着技术的不断发展，煤矿智能感知随钻探测装备的发展日趋成熟。一方面，装备将越来越注重多模态数据融合，通过融合不同类型的传感器数据，实现更全面的地下信息获取。另一方面，装备将更加注重智能化决策支持，借助先进的算法和模型，实现自动化的风险预测和应急响应。此外，装备还有望在通信技术领域有所突破，实现地下环境与地面指挥中心的实时数据传输，从而提升整体应急处置效率。

2.2 Top 4 工程开发前沿重点解读

2.2.1 动力电池快速充电及管理技术

实现动力电池“加油式”快速充电是进一步拓展电动车应用场景和提高市场渗透率的必要途径。动力电池充电时，锂（钠）从正极脱出，经电解液传输至负极并嵌入。该过程限速步骤的认知存在争议，但普遍认为离子的脱溶剂化、界面层传输、负极体相扩散是可能的限速步骤。限速步骤缓慢的动力学行为导致电池内阻在高倍率充电时迅速升高，从而驱动负极表面的枝晶状锂（钠）析出，导致电池容量衰减与安全问题。

充电管理技术和本征材料改性可改善动力电池的安全快充性能。充电管理技术的主要发展方向是电池智能温控系统和算法优化充电协议。电池智能温控系统可智能预热电芯以加速离子输运，达到降低限速步骤反应阻力的目的。但能够精准调控单体电芯温度的温控系统技术仍待突破。算法优化充电协议可实现电池内任意多物理信号的优化与平衡。然而，由于存在目标函数的局部最优解、收敛速度慢、求解困难等问题， 该策略还需大量实验数据给予支持。

本征材料改性包括电极构造、负极材料、黏结剂、电解质、固态电解质薄膜（SEI）五个方向。具有三维、梯度等特征构造的电极可提高活性反应界面，加速离子界面与体相扩散，但受成本、工艺、能量密度的限制，该方案目前难以普及。硅、红磷、黑磷等理想的快充型负极材料目前处于研发阶段，重点攻关其电导率与体积变化问题。开发具备功能化的混合离子 – 电子导电黏结剂也是提升快充性能的方案之一， 但其工艺制备还需进一步研发。快充电解质以弱溶剂化结构为方向，目前难点是如何提升自由溶剂的氧化稳定性，进而拓宽电压窗口。通过设计富氟化锂、氮化锂的 SEI，可降低电池内阻，提高快充性能。此外， 功能化 SEI 也可以调控快充下负极的析锂（钠）形貌，实现均匀、安全、可逆的析出行为，不仅解决了枝晶引发的问题，而且可实现快充 100% 的荷电状态，让负极析锂（钠）不再成为阻碍动力电池快充的因素， 是快充技术的发展趋势。

“动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿中，中国以 217 件核心专利公开量居世界第一，占比为 46.77%，其次为美国、日本和韩国（表 2.2.1）。其中，美国与韩国的合作最多，中国主要与美国和加拿大建立了合作（图 2.2.1）。核心专利产出较多的机构有纳诺达克有限公司、三星电子公司、清华大学和宁德时代新能源科技股份有限公司等（表 2.2.2）。其中，美国的纳诺达克有限公司与环球石墨烯集团的本土合作最为密切，其次是美国的联合技术公司与雷神公司、中国的清华大学与宁德时代新能源科技股份有限公司（图 2.2.2）。

实现动力电池的安全快充离不开电池管理技术与本征材料改性的协同发展和调和融汇。在电池管理技术方面，需重点发展电池智能温控系统和算法优化充电协议，实现对单一电芯温度的灵活调控，并降低系统成本与体积。完善算法网络，实现对电池状态的实时反馈、对负极析锂（钠）行为的准确监控、输出高效的大功率充电协议。在本征材料改性方面，应进一步设计三维电极结构、功能化黏结剂与弱溶剂化电解液，并构建无机组分为主的 SEI，大幅度降低电池内阻，抑制析锂（钠）行为。此外，负极材料由碳基到硅基直至磷基逐步递进。在原有基础上，通过电解液与界面工程改进 SEI，实现对析锂（钠）形貌的正向调控，直至充分利用快充条件下的析锂（钠）容量。最终，该集合多元技术的动力电池有望实现电动车的 3 分钟“加油式”快充电 – 充满电性能。“动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿的发展路线如图 2.2.3 所示。

表 2.2.1 “动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

图 2.2.1 “动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

表 2.2.2 “动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

图 2.2.2 “动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络

图 2.2.3 “动力电池快速充电及管理技术”工程开发前沿的发展路线

2.2.2 快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用

快堆核能系统通过核燃料后处理可以实现核燃料闭式循环，确保核能的可持续发展。采用快堆技术可以有效利用铀 –238（占天然铀的 99.3%），可立足国内铀资源满足核能发展需求；可以有效焚烧长寿命放射性废物，解决环境友好问题。耐高温与耐辐照能力是快堆燃料最重要的特性，这意味着反应堆寿期加长降低了对燃料循环堆外部分的要求。在产生高功率的同时保持相对较低的燃料温度也是其重要的特征。快堆实现燃料增殖和次锕系核素（MA）嬗变，并通过简化高效的干法后处理，将包括铀、钚和 MA 在内的全部元素进行循环利用。

适用于快堆的核燃料，应该具有长的堆内停留时间，能够承受反复的功率瞬变，能够提供高的功率密度， 具有较大应对超功率的裕量、良好的应对包壳失效的能力、制造简单、后处理工艺简单经济等特性。金属燃料优点是核特性好，能谱硬，增殖性能接近理论上限；氮化物和碳化物核燃料，仍然属于陶瓷燃料，与氧化物燃料相比，其优势是具有更好的增殖能力和更短的快堆倍增时间。金属燃料在钠冷快堆中具有另一个优点， 即在包壳发生破损以及燃料裸露的情况下，反应堆可以继续运行而不污染冷却剂。并且金属燃料极大地降低了堆外燃料循环的要求；制造简单、容易、价格低廉，后处理工艺步骤少，循环设施紧凑经济。深燃耗使得裂变物料流很小，因此金属燃料为更经济的燃料循环奠定了基础。美国阿贡国家实验室在 1984—1994 年间开

发了基于金属燃料的一体化快堆；美国泰拉能源公司在 2006 年左右提出了行波堆概念，行波堆具有深燃耗特点，可以使铀 –238 在堆内实现原位增殖和焚烧；2012 年，俄罗斯和平利用核能方面的国家级战略规划“突破” 计划正式启动，计划建设包含快堆、闭式燃料循环技术、后处理、先进核燃料和新型结构材料等多个领域的工程并进行相关科学研究，实现同厂址闭式核燃料循环。在快堆技术上，中国已建成 65 MWt 的中国实验快堆（CEFR），正在建设 600 MWe 的示范快堆。正在开展一体化快堆系统研究，由反应堆及配套的燃料再生设施组成，反应堆采用金属燃料快堆，同时实现发电、增殖和嬗变三个功能；燃料再生设施集干法后处理和燃料制造工艺于一体；反应堆和燃料再生设施同址设计，实现闭式燃料循环工艺流程一体化。

表 2.2.3 列出了“快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家。可以看出，排名前三的国家是中国、日本和美国，其中中国的公开量和被引数比例远高于其他国家。各主要产出国家间尚无合作。从表 2.2.4 来看，中国核动力研究设计院公开了大量的专利。从主要产出机构间的合作来看，泰拉能源有限责任公司与通用电气公司、中国核动力研究设计院与中广核研究院有限公司之间有合作（图 2.2.4）。

“快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿的发展路线如图 2.2.5 所示。金属燃料的发展目标是掌握 U−Zr 合金的制造技术和工艺，预计 2030 年前完成 U–Zr 合金金属燃料组件的辐照考验，燃耗达到 150 GWd/tHM。对于快堆及其他先进堆燃料的发展路线是开展氮化物、碳化物、U–Pu– Zr、U–Pu–Am–Zr 合金等先进燃料的研发，在 2033 年前突破制造工艺及关键技术，为先进堆提供更高性能的燃料组件结构材料。

表 2.2.3 “快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

表 2.2.4 “快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

图 2.2.4 “快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿主要机构间的合作网络

图 2.2.5 “快堆金属燃料和氮化物、碳化物核燃料及循环应用”工程开发前沿的发展路线

2.2.3 地面高精度重力测量找矿技术

国外地面重力测量技术已获得巨大发展，基于零长弹簧思想，美国 LaCoste Romberg 公司和加拿大Scientrex 公司设计生产出弹簧型地面重力仪。Scientrex 公司的地面重力仪已经发展到第 6 代——CG-6，其测量精度优于 5 μGal，在找矿方面发挥了重大作用，而今仍然是世界各国的主力技术装备。斯坦福大学于20 世纪 90 年代最早提出冷原子干涉重力仪，该原理的重力仪近期测量灵敏度达到 8 μGal/Hz1/2。伯明翰大学设计实现了一台高可靠性的原子重力梯度仪，观测到 170 E 的重力梯度信号。法国 iXblue 公司研制出了国际上首台亚 E 水平的可移动原子重力梯度仪，测量分辨率达到 0.15 E 水平。

中国地面重力测量技术也得到了快速发展，并在地质找矿中发挥了重要作用，但实际工作中使用的重力仪基本上依赖进口，在技术装备的研制方面仍落后于国外。20 世纪 90 年代以来，北京地质仪器厂生产出了 ZSM 石英弹簧重力仪，测量精度达到 30 μGal，并已形成产品。浙江工业大学、华中科技大学等 8 家单位开展了地面原子绝对重力仪研究，测量灵敏度达到 4.2~44.0 μGal/Hz1/2。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院报道了一台高集成度亚 E 水平原子绝对重力梯度仪，探头体积小至 92 L，但都处于样机研制阶段，尚未实用化。

“地面高精度重力测量找矿技术”工程开发前沿中核心专利的公开量排名前两位的国家是美国和中国，公开量分别为 120 件和 87 件，占比分别为 35.09% 和 25.44%，其他国家的专利占比均低于 12.00%； 其中，美国的专利被引数最高（2 419），被引数比例达 44.21%，中国和德国的被引数比例分别为 17.40% 和11.90%，其他国家相关技术的专利被引数比例均小于10.00%；英国的平均被引数最高（20.25）（表2.2.5）。在核心专利主要产出机构（表 2.2.6）方面，英飞凌科技公司（12）、TDK 株式会社和罗伯特·博世制造解决方案有限公司（各 9）产出较多；Hyperfine Research 公司被引数比例最高（5.39%）、平均被引数最高（73.75）（表 2.2.6）。注重领域合作的国家有德国、美国、法国和瑞士（图 2.2.6），各主要产出机构之间尚无合作。

表 2.2.5 “地面高精度重力测量找矿技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

传统的弹簧型地面重力仪已经发展到极限水平，测量精度提高余度很小。原子重力仪作为新一代的量子重力传感器，其测量灵敏度有望达到 10–4 μGal，但原子重力仪小型化和精度提升是当前急需解决的关键难题，原子重力梯度仪还面临着标度因子不足、相位提取效率偏低等问题，面临着巨大的挑战。

主要研究方向是小型化高精度原子绝对重力仪 / 重力梯度仪研制、数据精细处理与解释方法研究与软件开发等，提供精度更高、技术更有优势的找矿技术，对筑牢中国矿产资源安全具有重要的现实与战略意义。

高精度地面重力测量找矿技术在矿产资源勘查、基础地质研究等领域具有广阔的发展前景（图 2.2.7）， 未来 5~10 年，该领域的重点发展方向是实用化的地面高精度原子绝对重力仪 / 重力梯度仪研制、精确的重力数据地形改正、面向直接找矿的 3D 正反演和地质建模技术，形成快速、精细测量的地面重力探测方法与找矿技术体系，实现地面重力仪自主化、小型化和实用化，以及地面重力与多类型多源数据融合、井 – 地多参数联合约束反演、三维成像等重力处理解释，满足深部矿产资源勘查的需要，同时，更好地服务于地震防灾、国防建设等领域，有望大幅提高找矿成功率和增储量，提升社会经济效益。

表 2.2.6 “地面高精度重力测量找矿技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

图 2.2.6 “地面高精度重力测量找矿技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

图 2.2.7 “地面高精度重力测量找矿技术”工程开发前沿的发展路线

2.2.4 油气勘探开发智能化协同平台

油气勘探开发智能化协同平台是指通过提供信息共享、技术创新、生产经营一体化、智能化协同平台或环境，实现多学科交互融合和勘探开发一体化。当前新一轮油气科技革命和数字革命中，大数据、人工智能等新技术与油气工业的跨界融合成为创新的重要途径。

国外油气勘探开发智能化协同平台建设已初见成效，Akselos 为壳牌 Bonga FPSO 部署数字孪生，斯伦贝谢与谷歌合作推出 DELFI 云平台，道达尔公司搭建油气生产一体化协同研究平台，哈里伯顿与埃森哲、微软签订战略协议，BP 与微软达成战略合作，雪佛龙、埃尼、阿布扎比国家石油公司等企业也相继开展智能化平台研究。中国的智能化协同平台建设起步较晚，仍处于数字化向智能化过渡阶段。中国石油天然气集团有限公司建成主营业务智能共享平台——“勘探开发梦想云”平台，中国石油化工股份有限公司建设服务于能源化工行业的“石化智云”平台，中国海洋石油集团有限公司致力于构建勘探开发协同工作环境和海陆协同工作体系。国内智能化协同平台建设已取得了阶段性进展，但总体技术仍落后于国外。目前， 油气行业全球信息化程度仍相对较低，远低于产业平均值。未来的主要研究方向包括人工智能技术、智慧油气勘探研究、地质工程一体化构建、智能化装备研发、云计算平台建设、数据共享等。

“油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿中核心专利的公开量排名前两位的国家是中国和美国， 分别为 240 件和 21 件，占比分别为 87.27% 和 7.64%，其他国家相关技术的专利公开量占比均低于 2.00%； 其中，中国的专利被引数最高（441），被引数比例达 71.36%，美国的被引数比例为 26.54%，其他国家相关技术的专利被引数比例均小于 5.00%；美国的平均被引数最高（7.81）（表 2.2.7）。在专利产出机构（表2.2.8）方面，中国石油化工股份有限公司（12）、西南石油大学（9）、中国石油大学（北京）（8）、中国石油天然气集团有限公司（8）、中国中铁股份有限公司（7）和中南大学（7）产出较多；其中，被引数比例超过 5.00% 的机构有中国石油化工股份有限公司（5.50%）和中国中铁股份有限公司（5.83%）（表2.2.8）。注重领域合作的国家有美国、荷兰、加拿大和法国（图 2.2.8），机构之间的合作研究集中在中国石油天然气集团有限公司和西南石油大学（图 2.2.9）。

油气勘探开发智能化协同平台在实现数据互联、技术互通、研究协同等方面具有广阔的发展前景，适用于油气勘探、钻完井、开采等油气上游业务领域（图 2.2.10）。未来 5~10 年，其重点发展方向是开展多学科融合，增强数据共享，开展顶层设计，完善技术架构。将硬件设施、软件开发、数字化技术和油气专业知识有机结合，构建勘探开发全过程数字化、自动化、智能化专业应用环境，实现油气勘探开发多领域协作。改变勘探开发工作模式，提高工作效率，实现综合效益最大化，推动油气行业数字化转型和智能化发展。

表 2.2.7  “油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

表 2.2.8  “油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

图 2.2.8 “油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿主要国家间的合作网络

图 2.2.9 “油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿主要机构间的合作网络

图 2.2.10 “油气勘探开发智能化协同平台”工程开发前沿的发展路线

领域课题组成员

课题组组长：翁史烈  倪维斗  周守为  彭苏萍  黄  震

中国工程院二局能源与矿业工程学部办公室：宗玉生  解光辉

Frontiers in Energy 编辑部：刘瑞芹  殷  靓  付凌霄

图书情报人员：陈天天  陈  梦

能源和电气科学技术与工程学科组：

组    长：翁史烈  岳光溪

秘书长：巨永林  周  托

参加人：谢和平  刘  涛  杨  军  周宝文  梁  正  严  正  赵  耀  杨  立  邰能灵  徐潇源周    托  巨永林

执笔人：刘  涛  杨  军  周宝文  梁  正  严  正  赵  耀

核科学技术与工程学科组：

组  长：叶奇蓁    李建刚

秘书长：苏  罡    高  翔

参加人：高  翔    郭英华    苏  罡     周红波

执笔人：李恭顺    郭  晴    杨  勇    苏  罡    周红波    孙晓龙

地质资源科学技术与工程学科组：

组  长：赵文智    毛景文

秘书长：刘  敏    王  坤

参加人：熊盛青    简  伟    刘  敏    王  坤    刘协鲁    朱  磊    李永新

执笔人：王  坤    熊盛青    周锡华    钱荣毅    高秀鹤    李永新    董  劲    关  铭    刘  敏    谭春亮    岳永东    李志欣

矿业科学技术与工程学科组：

组  长：袁  亮    李根生

秘书长：周福宝    吴爱祥    张  农    宋先知

参加人：江丙友    时国庆    梁东旭    黄中伟    阮竹恩    王海柱    许富强    荣浩宇

执笔人：江丙友    宋先知    梁东旭    许富强    时国庆    王高升    李  爽