白春礼院士：激光核聚变离商业发电还远 钙钛矿电池有两个短板

·核能的利用包括核裂变和核聚变两种方式，安全性、核燃料的持续稳定供应、乏燃料安全处理处置是核裂变需解决的三个主要问题。人类对受控核聚变的研究包括磁约束核聚变和激光核聚变，激光核聚变离商业发电还有很长的路要走。

·电化学储能是未来储能技术发展的重要方向，其中锂离子电池技术较为成熟，已进入规模化量产阶段。钙钛矿电池是电化学储能的新方向，但存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板，成为当前研究热点之一。

中国科学院院士白春礼。视觉中国 资料图

12月17日，在《财经》年会2023上，中国科学院院士、中国科学技术大学名誉校长、中国科学院原院长白春礼在《碳中和背景下的能源科技发展态势》中分析了低碳和可再生能源的规模化应用。

核能是实现碳中和战略目标不可或缺的低碳能源。他提到，核能的利用包括核裂变和核聚变两种方式，安全性、核燃料的持续稳定供应、乏燃料安全处理处置是核裂变需解决的三个主要问题。人类对受控核聚变的研究包括磁约束核聚变和激光核聚变，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室实现世界上首次激光核聚变点火，是一个里程碑式的工作。激光核聚变离商业发电还有很长的路要走。

储能是可再生能源大规模融合利用的关键。白春礼表示，2021年是我国储能行业从商业化初期向规模化发展转变的一年。电化学储能是未来储能技术发展的重要方向，其中锂离子电池技术较为成熟，已进入规模化量产阶段。钙钛矿电池是电化学储能的新方向，但存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板，成为当前研究热点之一。

核裂变需解决三个问题

核能具有能量密度高、供能稳定、碳排放低的优势，对于波动性的太阳能和风能发电来说是良好的稳定剂。根据测算，2060年核电的总发电量达到2.7万亿度，2021年我国核电发电装机容量约5000万千瓦，还有很大的提升空间。

核能的利用包括核裂变和核聚变两种方式。核裂变主要有三个问题需要解决，一是安全性，二是核燃料的持续稳定供应，三是乏燃料安全处理处置。

白春礼表示，我国已经探明的铀资源约27万吨。按当前核电水平，已探明铀资源支持约40年，核燃料的持续稳定供应亟需解决。当前我国乏燃料已累积近2万吨，每年新产生约1千吨，主要采用湿式暂存法处理，湿式暂存费约4万元/吨/年，乏燃料安全处理处置也亟需解决。

关于铀资源短缺问题，中科院设立“钍基熔盐堆核能系统（TMSR）”先导专项，以钍为核燃料具有资源丰富、核废料少、毒性低和固有防核扩散等优点，还可减少稀土开采中的钍资源流失和放射性环境污染，是核能发展重要方向之一。不过，白春礼表示，这目前还是研究项目，没有达到应用程度。对于核乏燃料的安全处理，目前也正在进行重要的科研项目，瞄准解决这一问题。

磁约束核聚变与激光核聚变

核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是能源发展的前沿方向，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。

到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类，一类是磁约束核聚变，如“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”，它是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。

白春礼表示，中国科学家积极参与国际热核聚变实验堆（ITER）相关工作，2021年5月，中科院建造的东方超环（EAST）在核聚变研究上取得进展，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。

今年2月，欧洲核聚变研发创新联盟、国际热核聚变实验堆计划（ITER）等单位联合宣布，实现了受控核聚变能量的新记录，它们在目前世界上最大的聚变反应堆，即在欧洲联合环（JET）中，将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟，同时核聚变反应发生，原子核融合在一起，释放出59兆焦耳能量。有测算称这相当于11兆瓦电力，大约能为一个普通家庭提供一天的电力。

白春礼表示，JET是世界上唯一一个能够实现“氘氚聚变”反应的实验装置，保持着核聚变最大能量输出纪录。EAST更偏向于磁约束实验，并不实现核聚变反应，这是因为在EAST运行过程中，等离子体内只有D核素（氘），没有T核素（氚）。EAST实验的意义主要在于研究如何长时间稳定地约束等离子体，以便为我国参与的ITER项目及中国聚变工程实验堆（CFETR）提供实验支持，维持聚变反应、解决材料辐照问题、能量转换、T滞留问题等都不是它的研究重点。我国自己筹建的中国聚变工程实验堆（CFETR）以实现聚变能源为目标，将研究走向实用化，可以弥补EAST不能发电等缺点。

人类对受控核聚变的研究，另一类是激光核聚变。12月13日，美国能源部官员宣布，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。3.15兆焦耳的能量相当于二两炸药的爆炸威力。

白春礼表示，这是世界上首次激光核聚变点火，是一个里程碑式的工作，引起了科学界和社会的广泛关注。当然，目前激光核聚变具有时间短、发电效率低等特点，科学上具有重要意义，可应用在一些特殊领域，离商业发电还有很长的路要走。2020年，中科院也立项部署了与美国不同技术路径的激光核聚变研究工作。

钙钛矿电池是电化学储能新方向

由于以风电、光伏为代表的可再生能源普遍存在间歇性、波动性、随机性特点，要实现其大规模融合利用，储能是关键。根据预测，2060年我国储能规模达到420GW（42000万千瓦）。

白春礼表示，2021年是我国储能行业从商业化初期向规模化发展转变的一年。根据统计，2021年，我国已投运电力储能项目累计装机46.1GW，约占全球市场总规模的22%，同比增长30%，仍有较大发展空间。比如国家能源局2021年8月发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》，到2025年，中国抽水蓄能累计装机量要达到62GW以上，到2030年达到120GW。截至2021年底，抽水蓄能装机规模仅为39.8GW。这意味着9年间有3倍的成长空间，复合年均增长率为13%。

储能技术路径主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和其他储能。机械储能中的抽水蓄能技术成熟，是目前储能市场上应用广、占比高的技术，但其对地理条件依赖度高；压缩空气储能可以不依赖地理条件，中科院工程热物理研究所开发的100MW压缩空气储能技术，今年9月30日在张家口并网运行，效率达到70%，接近抽水储能效率。

电化学储能是通过电池完成的能量储存、释放和管理的过程，具有配置灵活、建设期短、响应快速，可以有效提高可再生能源消纳水平，是未来储能技术发展的重要方向，主要分为锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠系高温电池和金属-空气电池等。

其中锂离子电池技术较为成熟，已进入规模化量产阶段，是目前发展快、占比较高的电化学储能技术。根据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会数据，2021年，我国新增储能项目146个。其中，抽水蓄能项目5个，电化学储能项目131个。在电化学储能项目中，锂离子电池储能项目高达120个。钙钛矿电池是电化学储能的新方向，具有吸光能力强、低成本和易制备、弱光效率高等优势和特点，但存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板，成为当前研究的热点之一。

白春礼表示，当前我国储能技术发展仍然面临一些问题和挑战。一方面，我国在储能领域基础性、原创性、突破性创新不足，具有“领跑”意义的先进技术还不多，储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不够成熟，尤其是在设计软件、设计标准与理念方面缺少话语权。

另一方面，大规模储能技术推广，受电力系统市场机制不完善等方面限制，存在储能市场主体地位不明晰、市场机制不完善导致储能价值收益难以得到合理补偿等问题，现阶段还未建立成熟的竞争性电力市场运行机制，很难合理核定各类电力辅助服务的价格，从而造成储能的价值和收益难以对接。近年来这些方面都已经有所进步和改善，但问题依然突出。