2021年中国重大科学、技术和工程进展（工程篇）

01 中国三代和四代核电工程取得新突破

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2021年1月30日，具有完全自主知识产权的三代核电技术“华龙一号”全球首堆——中核集团福建福清核电5号机组投入商业运行，标志着中国在三代核电技术领域跻身世界前列。

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“华龙一号”全球首堆——中核集团福建福清核电5号机组 来源：中青在线

“华龙一号”由中国核工业集团公司和中国广核集团有限公司设计研发，在安全性上满足国际最高安全标准要求。

福清核电5号机组于2015年5月开工建设，并于2020年9月顺利完成177组燃料组件装载，首堆所有核心设备均已实现国产，设备国产化率达88%。2020年10月，福清核电5号机组正式进入带功率运行状态。

“华龙一号”每台机组装机容量116.1万kW·h，每年发电近100亿kW·h，能够满足中等发达国家100万人口的年度生产和生活用电需求。首堆投入商运为“华龙一号”的批量化建设和走向世界奠定了坚实基础。

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2021年12月20日，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站——华能石岛湾核电高温气冷堆示范工程送电成功，中国成为世界上少数几个掌握第四代核电技术的国家。

石岛湾高温气冷堆示范工程由中国华能联合清华大学、中核集团共同建设，是全球首座球床模块式高温气冷堆。装机容量20万kW，采用“两堆带一机”模块化方案，设备国产化率达到93.4%。

2012年石岛湾高温气冷堆示范工程开工建设，于2015年完成核岛、常规岛主体结构施工，2016年完成世界上尺寸最大、重量最重的反应堆压力容器吊装，2019年完成首台蒸汽发生器吊装。

作为世界首座球床模块式高温气冷堆，石岛湾高温气冷堆示范工程对推动中国在第四代先进核能技术领域抢占全球领先优势具有重要意义。

02 中国首次火星探测任务取得圆满成功

2021年2月10日，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动，环绕器3000 N轨控发动机点火工作约15 min，探测器顺利进入近火点高度约400 km，周期约10个地球日，倾角约10°的大椭圆环火轨道，成为中国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”目标的第一步，环绕火星获得成功。

2021年5月15日，“天问一号”探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星取得成功。

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2021年6月11日，国家航天局发布了“天问一号”探测器着陆火星的首批科学影像图，包括“祝融号”火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等。

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首批科学影像图的发布，标志着中国首次火星探测任务取得圆满成功。

着巡合影 来源：国家航天局

中国首次火星探测任务于2013年全面启动论证，2016年1月批准立项。

2020年7月23日，“天问一号”探测器于海南文昌成功发射，历经地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等阶段，工程任务按计划顺利开展。

中国火星任务的成功是中国迈出星际探测征程的重要一步，是中国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

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03 中国强流高功率质子加速器研制再创世界纪录

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2021年2月12日，中国科学院近代物理研究所独立自主研制的加速器驱动次临界系统（ADS）超导直线加速器样机在国际上首次实现束流强度10 mA连续波质子束176 kW运行指标，并实现10 mA束流稳定运行，为中国未来在国际上率先建设ADS商用装置和加速器驱动的先进核裂变能装置奠定基础。

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ADS超导直线加速器样机

来源：中国科学院近代物理研究所

ADS是加速器和反应堆的“结合体”，可将乏燃料中那些半衰期高达数十万年的放射性废物变成几百年的短寿命废物，将短寿命废物变成裂变产物，并在此过程中发电。射频超导强流高功率质子直线加速器是ADS三大关键系统之一。

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2011年中国科学院启动实施战略性先导科技专项（A类）“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”，ADS先导专项打破多项世界记录，并于2017年验收，为后续开展连续波高功率束流稳定运行技术研究奠定基础。

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2019年1月，研究团队实现了30 kW连续波质子束功率大于100 h长时间稳定运行；2021年1月，连续波质子束最大束流强度达到5.6 mA、最大束流功率达到110.9 kW，具备了百千瓦连续波束流运行的能力。

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此ADS超导直线加速器样机成功加速10 mA连续波质子束流，为中国在建的国家重大科技基础设施强流重离子加速器和加速器驱动嬗变研究装置提供坚强支撑。

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同时，此次突破首次验证了全超导直线加速器可以稳定加速5~10 mA连续波质子束这一国际加速器领域长期追求的目标，为国际上同类强流高功率加速器装置建设及其一系列重大应用提供了成功案例。

04“海牛II号”刷新世界深海海底钻机钻探深度

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2021年4月8日，由湖南科技大学领衔研发的中国首台“海牛II号”海底大孔深保压取芯钻机系统，在南海超2000 m深水成功下钻231 m，刷新世界深海海底钻机钻探深度，填补了中国海底钻探深度大于100 m、具备保压取芯功能的深海海底钻机装备的空白，标志着中国在这一技术领域已达到世界领先水平。

“海牛II号”搭载海洋某科考船行驶在大海上

来源：湖南科技大学

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“海牛II号”由海底钻机本体、海底原位探测仪、移动式海底钻机配套收放系统等部分组成，其中钻机本体高7.6 m，腰围10 m，体重12 t，水下重量10 t，是目前中国水下重量最重的地质勘探科考设备。

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“海牛II号”采用全新的基于海底钻机绳索取芯技术的水合物保压取芯原理、保压取芯技术与工艺、轻量化设计技术，以及海底复杂地层智能钻进专家系统，使得钻探效率、取芯质量、保压成功率显著提高，钻机重量较国外同类钻机大幅减少，水下收放作业难度大幅降低。

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2000年，湖南科技大学团队开始研发深海海底钻机。

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2003年该团队研制出中国首台深海浅层岩芯取样钻机，并在海底下钻0.7 m，获得首个岩芯样品。

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2010年团队研发的深海深孔岩芯取样钻机，把海底钻探深度推进到20 m。

2012年，“海牛II号”的前身——“海牛号”研制项目正式启动。

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2015年，“海牛号”在3000 m海水下下钻了60 m。

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由此，中国成为世界上第4个拥有能在水深大于3000 m的海底进行60 m钻探技术的国家。此次深海试验的成功，意味着中国在该技术领域已达到世界领先水平。

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05 中国空间站

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开启有人长期驻留时代

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2021年4月29日，中国空间站天和核心舱在海南文昌航天发射场发射成功，中国空间站建造进入全面实施阶段，为后续任务展开奠定了坚实基础。

2021年6月17日，神舟十二号载人飞船发射成功，并与天和核心舱成功完成对接，顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空，这是天和核心舱发射入轨后，首次与载人飞船进行的交会对接。

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3名航天员进驻核心舱后，进行了为期3个月的驻留，开展了一系列空间科学实验和技术试验，在轨验证了航天员长期驻留、再生生保、空间物资补给、出舱活动、舱外操作、在轨维修等空间站建造和运营关键技术。

2021年10月16日，神舟十三号载人飞船发射成功，入轨后与天和核心舱和天舟二号、天舟三号组合体完成自主快速交会对接，实现了中国载人飞船在太空的首次径向交会对接。

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翟志刚、王亚平、叶光富3位航天员开启为期6个月的在轨驻留。航天员将在空间站开展机械臂操作、出舱活动、舱段转位及空间科学实验与技术验证试验等工作，中国空间站有人长期驻留时代到来。

翟志刚（中）、王亚平（右）、叶光富（左）3名航天员进驻天和核心舱 来源：新华社

建设中国人自己的空间站是中国载人航天“三步走”战略的第三步，该项目于2010年立项，目前已进入空间站建造的关键时期。中国空间站的建成，将为开展包括航天员联合飞行在内的更广泛的国际合作提供更好的平台。

06 全球在建规模最大的白鹤滩水电站首批机组投产发电

2021年6月28日，在建规模全球第一、单机容量世界第一、装机规模全球第二大水电站——金沙江白鹤滩水电站首批机组正式投产发电。

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白鹤滩水电站 来源：人民网

2021年7月17日，白鹤滩水电站第3台百万千瓦机组正式投产发电，全部机组将于2022年7月投产发电。电站全面投产后，将对助力长江经济带高质量发展、促进国家碳达峰碳中和目标的实现具有重要作用。

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界的金沙江河道上，电站总装机1600万kW，共安装16台中国自主研制、全球单机容量最大的百万千瓦水轮发电机组。

白鹤滩水电站枢纽工程由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等建筑物组成。

水库正常蓄水位825 m，总库容206.27亿m3，防洪库容75亿m3，是长江防洪体系的重要组成部分。

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电站总装机容量1600万kW，仅次于三峡工程，位居世界第二。全部投产发电后，多年平均发电量624.43亿kW·h，每年可节约标煤约1968万t，减排二氧化碳5160万t、二氧化硫17万t、氮氧化物约15万t，节能减排效益显著。

白鹤滩水电站主体工程于2017年7月全面开工建设，2021年4月下闸蓄水，2021年5月大坝全线浇筑到顶。白鹤滩水电站工程规模巨大，地质条件复杂，工程地处金沙江干热河谷地带，综合技术难度位居世界第一，主要技术指标创6项世界第一。

该水电站是实施“西电东送”的国家重大工程，是中国构建清洁低碳、安全高效能源体系的国家重大工程。

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07 世界首套设计时速达600 km的高速磁浮交通系统成功下线

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2021年7月20日，由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的世界首套设计时速达600 km的高速磁浮交通系统在青岛成功下线，标志着中国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。

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时速达600 km的高速磁浮交通系统样机

来源：央广网

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该系统研发取得了多项创新，实现了GOA3级全自动运行控制，系统安全防护满足SIL4最高安全等级要求；采用先进激光复合焊和碳纤维技术，研制了满足超高速气密承载要求的轻质高强度车体；自主开发悬浮导向和测速定位装置，控制精度达到国际领先水平；攻克大功率集成门极换向晶闸管（IGCT）牵引变流、高精度同步牵引控制等关键技术；开发了满足列车高速平稳运行的高精度新型轨道梁。

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在系统集成方面进行创新，突破运用场景和复杂环境适应性技术瓶颈，使高速磁浮满足长途、通勤多场景运用需求，适应江河隧道、高寒、高温高湿等复杂地理气候环境。

时速600 km高速磁浮交通系统项目于2016年10月启动，2019年研制出试验样车，并于2020年6月在同济大学试验线上成功试跑，2021年1月研制出成套系统并完成了6个月的联调联试。

时速600 km的高速磁浮可以填补高铁和航空运输之间的速度空白，按“门到门”实际旅行时间计算，是1500 km运程范围内最快捷的交通模式，可以助力形成航空、高铁、高速磁浮和城市交通速度梯度层级完善、高效、灵活便捷的多维立体交通构架，丰富中国交通运输速度谱系。

08 中国首个自营超深水大气田“深海一号”全面投产

2021年9月7日，中国首个1500 m深水自营大气田“深海一号”全面投产，气田投产后每年将向粤港澳大湾区和海南等地稳定供应深海天然气超30亿m3，标志着中国深海勘探开发从300 m向1500 m的迈进取得重大进展。

“深海一号”能源站火炬臂点火成功

来源：中国海油

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“深海一号”大气田是中国自主发现的水深最深、勘探开发难度最大的海上深水气田，该气田于2014年钻探发现，距海南省三亚市150 km，所在海域水深1220~1560 m，气田东西横向跨度50 km，天然气探明地质储量超千亿m3，最大水深超过1500 m，最大井深达4000 m以上。

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“深海一号”大气田由东区和西区两部分组成，共部署11口开发井，采用“半潜式生产平台+水下生产系统+海底管线”模式开发，共用半潜式生产平台——“深海一号”能源站，并开发能源站立柱储油技术，用来存储深海天然气中分离出的凝析油。

2021年6月25日，“深海一号”大气田西区已先期投产。

后续“深海一号”大气田全面投产后，将带动周边陵水25-1等新的深水气田开发，形成气田群，依托已建成的连通粤港澳大湾区和海南自由贸易港天然气管网大动脉，对保障国家能源安全、带动周边区域经济发展和能源结构转型升级具有重要意义。

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09“海斗一号”跨入万米科考新阶段

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2021年10月10日，在马里亚纳海沟深渊科学考察中，由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖声学巡航探测。

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“海斗一号”布放

来源：中国科学院沈阳自动化研究所

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“海斗一号”的成功应用，表明中国全海深无人潜水器正式跨入万米科考应用的新阶段，填补了当前国际上全海深无人潜水器万米科考应用的空白。

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“海斗一号”自主遥控无人潜水器具有独特的“三合一”多模式操控和作业模式，同时具备多种类型潜水器的本领，既能大范围自主巡航探测，又能实现实时定点精细观测，还能够通过所携带的机械手采集样品。

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在无缆自主（AUV）模式下，“海斗一号”打破了多项无人潜水器的世界纪录，包括最大下潜深度达到了10908 m，海底连续作业时间超过8 h，近海底航行距离超过14 km等，填补了中国全海深无人无缆潜水器AUV技术与装备空白。

“海斗一号”在国际上首次对挑战者深渊西部凹陷区进行了大范围的全覆盖声学巡航探测，并首次实现了无人无缆潜水器AUV万米坐底并连续拍摄高清视频影像。

“海斗一号”连续万米深潜与科考应用的成功，标志着中国在全海深无人潜水器领域正在迈向国际领先水平，正在实现由“并跑”向“领跑”的转变。

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10 世界最大推力

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整体式固体火箭发动机试车成功

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2021年10月19日，由中国自主研制的目前世界上推力最大、可工程化应用的整体式固体火箭发动机在西安地面热试车成功，为中国运载火箭型谱发展提供了更多的动力选择，对推动未来大型、重型运载火箭技术的发展具有重要意义。

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直径3.5 m/500 t推力先进固体发动机

来源：中国航天科技集团第四研究院

该发动机由中国航天科技集团第四研究院自主研制，直径3.5 m，推力达500 t，采用高性能纤维复合材料壳体、高装填整体浇注成型燃烧室、超大尺寸喷管等多项先进技术，发动机综合性能达到世界领先水平。

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早在“十一五”时期，中国就立足“整体式”和“分段式”两条技术路线，开展了大型固体发动机的预先研究攻关。

2009年，成功研制了直径2 m、推力120 t、当时国内最大的整体式固体火箭发动机，直接推动了长征十一号的立项研制。

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2019年，中国又自主研制成功了直径2.6 m、推力200 t的整体式固体发动机，进一步提升了航天固体动力运载能力。

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目前，基于500 t推力整体式固体发动机，中国航天科技集团第四研究院已经在开展直径3.5 m级分段发动机的研究，发动机分5段，最大推力将达到千吨级以上，可应用于大型、重型运载火箭固体助推器中，以满足中国空间装备、载人登月、深空探索等航天活动对于运载工具的不同发展需求，为建立国内固体、液体运载火箭相得益彰，以及完善的航天运输系统提供更加强大有力的动力支撑。

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链接：晒科网