四院士为你指路碳中和、清洁能源、激光物理、集成电路未来发展

2021年5月30日，中国科学院学部第七届学术年会全体院士学术报告会举行。中国科学院的7位院士——丁仲礼、李儒新、包信和、高福、焦念志、黄如和翟婉明带来了精彩的报告。这篇文章将详细介绍丁仲礼、包信和、李儒新和黄如四位院士分别在碳中和、清洁能源、激光物理和集成电路上的见解与看法。

丁仲礼——中国“碳中和”框架路线图研究

丁仲礼，地质学家、气候变化专家，中科院地质与地球物理研究所研究员。2005年当选中国科学院院士，2006年当选发展中国家科学院院士。

碳中和的概念是认为排放量（化石燃料利用和土地利用）被人为努力（木材蓄积量、土壤有机碳、工程封存等）和自然过程（海洋吸收、侵蚀-沉积过程的碳埋藏、碱性土壤的固碳等）所吸收，即净零排放。

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丁院士将“碳中和”的研究分为了以下九个专题进行介绍和详细讲解。

（1）未来能源消费总量预测

这部分需要解决的问题是：

• 不同时间节点，我国居民生活、工业、建筑、交通等重点领域的能源需求以及全社会能源总需求。
• 主要边界条件：2035年GDP翻番，2060年再翻番；生活水准与相应发展阶段相当；产业结构逐渐向中高端发展；人口变动（少子、老龄化）等。
• 建立预测模型。
• 预测常常不准，希望提供“高、中、低”三种可供参考的预测。

（2）非碳能源占比阶段性提高途径

这部分需要解决的问题是：

• 根据碳中和要求以及能源需求预测（分行业及总量），主要在市场机制作用下，未来不同阶段如何逐步增加非碳能源（风、光、水、地热、核等）占比？
• 西部丰富的风、光资源，如何从发电、储能、转化、输电、消纳等环节协调发力，得到有效充分利用？
• 为构建“新型电力系统或能源供应系统”列出技术需求清单。

（3）不可替代化石能源预测

这部分需要解决的问题是：

• “电力替代、氢气替代”由易到难
• 面向2060年，“难以替代”的领域有哪些？这些领域需要多少化石能源消耗？将排放多少CO2？

（4）非碳能源技术研发迭代需求

• 新型发电系统、电力替代、氢气替代的技术体系是什么？如何实现和工艺再造？研发此类技术的可能路线图？
• 如何推动化石能源的清洁高效利用在技术进步上持续发力？

（5）陆地生态系统固碳现状测算

• 陆地生态系统各类碳库的现存储量格局
• 陆地生态系统碳汇功能及速率格局
• 不同有机碳库的平衡点
• 碱性土壤的碳酸钙累计速率及人为固碳可能性

（6）陆地生态系统未来固碳潜力分析

• 未来中国陆地及近海不同生态系统固碳潜力及气候变化的影响
• 国家生态恢复、建设工程的未来固碳潜力
• 新增区域的固碳潜力
• 其他情景下的生态固碳潜力

（7）碳捕集利用封存技术评估

• 国际CCUS技术的现状与发展趋势；
• CCUS技术未来的突破口与经济性能评估
• CCUS如何集群化及与产业融合
• 中国CCUS地址优选

（8）青藏高原率先达标示范区建议

• 计算青藏高原人为碳排放数值及预测趋势
• 评估青藏高原生态系统固碳现状及未来趋势
• 提高青藏高原减排/增汇的途径及达标方案
• 碳中和程度的分区域评估

（9）政策推动

• 推动非碳技术的政策
• 生态建设等固碳的政策

包信和——清洁能源科学基础与展望

包信和，物理化学家。2009年当选中国科学院院士，现任中国科学技术大学校长。2011年当选发展中国家科学院院士，2016年当选英国皇家化学会荣誉会士。

我国实现碳中和的关键是能源变革，能源革命核产业转型的重要方向是化石能源清洁低碳化、低碳清洁能源规模化、二氧化碳处理和利用。

（1）化石资源优化利用

煤化工中的煤处理会用到大量的水，并且产生大量的CO₂。包院士提出的煤基合成气转化新概念：摒弃水循环、减少反应步骤、提高选择性、降低能耗。

（2）二氧化碳转化利用

二氧化碳捕获和掩埋（CCS）技术是将煤电厂的二氧化碳通过收集分离、纯化压缩、运输、封存到地下进行处理的方式，但是成本非常昂贵。目前二氧化碳转化利用的可能途径有热催化过程、光催化过程和电化学过程三种。其中热催化过程效率高，但其缺点是消耗能源、需要外加氢源和排放CO₂；光化学过程利用可再生能源，但缺点是效率低且难以规模化；电化学过程可从水中获得氢、效率高且可与储能结合。

（3）氢能和氢能的应用

氢经济的本质就是用氢远传可再生能源，可大量储存与集中释放。氢气是二次能源，而非一次能源。整个氢能经济是一个完整的产业链。氢气的制备涉及天然气催化重整煤气化、醇催化重整电解水；供给系统涉及高压管道、加氢站；氢能转换涉及燃料电池和直接燃烧；氢能的储存涉及高压储氢瓶、金属氢化物、纳米碳材料、复合高分子、化学过程；氢能应用涉及电动汽车、分布式发电、水下动力、氢冶金；CO₂的处理涉及高效分离膜、高效吸附剂和技术、CO₂储藏的基础研究。

氢气的主要来源是电解水，因此氢气的主要来源依然是化石燃料。包院士在报告中详细对比了不同制氢方法的价格和CO₂排放。

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包院士对通向未来碳中和之路规划了三个时期：

• 碳达峰阶段（2021-2030）

节能技术（降低消费电耗、降低工业能耗）

减排技术（火电厂降低煤耗、消费单元煤改气、交通油改电）

推广技术（水电解制氢、燃料电池发电）

• 碳中和关键期（2030-2050）

减排技术（氢冶金、工业过程氢电替代）

零碳技术

• 碳中和决胜期（2050-2060）

零碳技术（可再生电能、绿氢、生物质利用）

负碳技术（生物质+CCS）

李儒新——高功率激光与高能粒子加速器的交叉融合

李儒新，2017年当选中国科学院院士。现任中国科学院上海光机所研究员，中国光学学会副理事长。

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近二十多年来，激光的脉冲功率快速提升，对粒子加速器技术带来了革命性的影响。超强超短激光被称为人类已知最亮光源，提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段。上海超强超短激光实验装置（SULF）可推进极端条件材料科学研究、超快原子核物理研究以及超快化学与大分子动力学研究。

李院士从四个方面讨论了高功率激光与高能粒子加速器的交叉融合：

1.基于高功率激光的高能粒子加速器

2.基于高能粒子加速器的高功率激光

3.高功率激光与高能粒子相互作用产生新光源

4.基于高功率激光与高能粒子束的物理研究

黄如——后摩尔时代集成电路技术发展与探讨

黄如，微电子器件专家，2015年当选为中国科学院院士，现任北京大学副校长，美国电气电子工程师学会院士，发展中国家科学院院士。

黄院士的报告从集成电路技术与特征、后摩尔时代关键技术挑战和技术发展新变化及未来趋势三个方面进行。

芯片是器件及其它们之间的相互连接，在半导体衬底毫米见方的空间上进行集成，有序排列，实现信息的获取、处理、存储和传输等功能。目前IC技术与产业发展的核心是如何在半导体衬底上用尽量小的面积构建尽量多的器件及其连接。IC产业的发展是多学科交叉的结晶：从芯片的设计、制造和封装这一系列过程包含了材料、器件、制造、EDA、设计和应用。这些方面又涵盖了材料学、化学、物理、计算机科学、自动化、数学、电子科学等诸多学科的融合，需要各个领域的从业者共同努力及相互合作。

IC技术的更迭遵照摩尔定律，摩尔定律是指每隔18个月（或24个月）特征尺寸缩小0.707倍，集成度增加1倍，性能增加15%-20%，功耗降低40%，成本降低35%。目前集成电路技术已经进入“后摩尔时代”。后摩尔时代是指从平面结构的传统器件走向FinFET立体结构的新器件以后的时代。技术节点上粗略的划分是Intel公司22nm节点以后，Foundry的16/14nm节点以后。后摩尔时代的特征是集成度、性能、功耗、成本等摩尔定律的特征不再统一地提升或缩减。

后摩尔时代集成电路技术的瓶颈主要集中在四个方面：尺寸瓶颈、集成度瓶颈、功耗瓶颈和算力瓶颈。尺寸瓶颈要面对的是隧穿效应造成的物理极限，光学衍射造成的工艺极限以及工艺容差对器件尺寸的最低要求；集成度瓶颈主要体现在三个方面——互连密度，散热能力限制芯片集成规模，设计成本随集成度增加；功耗瓶颈主要受泄露电流、玻尔兹曼极限和随机涨落限制；算力瓶颈主要由单芯片的算力逐渐趋于饱和导致。

后摩尔时代集成电路技术的瓶颈问题应从多维多向的方面来解决。从材料方面来讲，性能增强与功耗优化应采用高迁移率沟道材料高K栅介质和低K互连介质材料；支撑新功能与新原理器件应开发氧化物/二维半导体、铁磁/铁电、量子霍尔等新材料。从器件方面考虑，器件结构应从二维平面走向三维立体结构。

完整的视频请进入中国科学院学部第七届学术年会全体院士学术报告专题网站观看

http://academics.casad.cas.cn/xsjl/7thny/

本文由tt供稿。

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