Том 192, № 11 (2022)

19 января 2021 года под эгидой Президиума Российской академии наук (РАН) состоялась Объединённая научная сессия Отделения физических наук, Отделения химии и наук о материалах, Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления и Отделения наук о Земле — Форум “USPEKHI-2021”: изменение климата и проблемы глобальной энергетики.Объединённая научная сессия проходила в режиме видеоконференции (анонс и полную запись Форума см. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.12.038912).К участникам видеоконференции обратились сопредседатели Форума:Сергеев A.M. (сопредседатель Форума “USPEKHI-2021”, Президент Российской академии наук (РАН), Российская Федерация). Приветствие участникам Форума “USPEKHI-2021”.Таджима Т. (Tajima Toshiki, сопредседатель Форума “USPEKHI-2021”, профессор кафедры им. Нормана Ростокера, Калифорнийский университет, Ирвайн, США). Вступительное слово.Далее на Форуме “USPEKHI-2021” были заслушаны следующие доклады:1. Семилетов Н.П. (заведующий лабораторией Арктических исследований Тихоокеанского института океанологии Дальневосточного отделения (ДВО) РАН, Российская Федерация). Взаимосвязь между изменением климата и таянием вечной мерзлоты на арктическом шельфе: современное понимание и грандиозные вызовы.2. Дробински Ф. (Drobinski Philippe, научный руководитель Политехнической школы Франции, Франция). Учёт изменчивости и изменения климата при планировании использования возобновляемых источников энергии.3. Риньо Э. (Rignot Eric, профессор кафедры наук о Земле им. Дональда Брена, Калифорнийский университет, Ирвайн, США). Влияние глобального потепления на уровень моря и пути решения проблем.4. Исмагилов З.Р. (научный руководитель Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения (СО) РАН, Российская Федерация). Влияние добычи, хранения, транспортировки и переработки угля для производства электроэнергии на локальный и глобальный климат.5. Маккей К. (Mackey Katherine, доцент кафедры наук о системе Земля, Калифорнийский университет, Ирвайн, США). Наши меняющиеся океаны: изучение причин, следствий и решений.6. Ли Н. (Li Ning, управляющий директор, Transform Insight Partners, США). Новая парадигма гражданской ядерной энергетики— перспективы энергетической иерархии и фундаментальной безопасности.7. Калмыков С.Н. (декан химического факультета Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова, Российская Федерация). Новая стратегия атомной энергетики.8. Биндербауэр М. (Binderbauer Michl, генеральный директор “Tri Alpha Enterprises”, США). Решения для термоядерной энергетики.9. Уикс A. (Weeks Allen, генеральный директор “The Extreme Light Infrastructure”, Бельгия). Устойчивые исследования и эксплуатация сверхлёгкой инфраструктуры: решение задач XXI века на крупномасштабном европейском лазерном комплексе.10. Таджима Т. (Tajima Toshiki, профессор кафедры им. Нормана Ростокера, Калифорнийский университет, Ирвайн, США). Восток вновь встречается с Западом, в этот раз чтобы справиться с глобальным энергетическим кризисом.В настоящем специальном номере журнала “Успехи физических наук” ( УФН, т. 192, сс. 1185–1296, ноябрь 2022 года) публикуются обзоры и статьи, написанные на основе докладов 2, 3, 4, 6, 7 и 10.

Ледяные щиты в Гренландии и Антарктиде в сочетании с ледниками и ледяными шапками по всему миру быстрее и раньше, чем ожидалось, способствуют повышению глобального уровня моря. Полувековые наблюдения, физические модели и палеоклиматические записи предполагают, что повышение уровня моря в XXI столетии превысит 1 метр, но нельзя исключать и более экстремальные темпы повышения уровня моря. Я рассматриваю современное состояние знаний о балансе масс ледниковых щитов и ледников, его движущих физических механизмах, их влиянии на будущее повышение уровня моря, а также о том, прошли ли или как скоро пройдут наиболее уязвимые участки Антарктиды и Гренландии точку невозврата. Я считаю, что в нескольких секторах Гренландии и Антарктиды многометровое повышение уровня моря неизбежно, но скорость повышения уровня моря будет зависеть от того, насколько скоро мы возьмём под контроль потепление климата и впоследствии вернём нашу климатическую систему к доиндустриальному уровню. Чтобы уменьшить неопределённость прогнозов быстрых темпов повышения уровня моря в наступающем столетии, потребуются значительные инвестиции в исследования климатической системы Земли и в разработку более достоверных моделей связи атмосферы, океана и ледяных покровов, но они на порядки меньше, чем затраты человечества на адаптацию к повышению уровня моря.

Представлен расширенный вариант обзора, основанного на презентации на Форуме УФН по вопросам изменения климата и глобальной энергетики. Для выявления ключевых проблем, связанных с ядерной энергией гражданского назначения, вначале даётся краткий обзор истории, современного состояния и перспектив её использования. Ядерная энергия включается в иерархию основных источников энергии на Земле вместе со всеми типами энергетических систем, действующих на фундаментальной основе, что показывает её уникальные характеристики, качественно отличающие ядерную энергию гражданского назначения от других источников энергии. Даётся краткое описание новой парадигмы с совершенно иным набором категорий безопасности, принципов разработки и методов производства, отличных от обычной ядерной энергии, что приводит к решению для глобальной энергетической системы с гораздо более широкими возможностями будущего развития и масштабирования для борьбы с последствиями климатических изменений. Основываясь на концепциях и методах, сформулированных при изучении интеграционных свойств в комплексных адаптивных системах, мы применяем метод масштабирования для анализа безопасности и экономики ядерных реакторов и устанавливаем явную связь между масштабом реактора, ограничениями, связанными с безопасностью и объёмом производства, с кумулятивной стоимостью и производственными возможностями. Одновременное усовершенствование и оптимизация ядерной безопасности и экономичности приводят к созданию малых модульных реакторов (Small Modular Reactor — SMR) и микрореакторов (Micro Reactor — MR) как базовых технологий новой парадигмы. Мы показываем, что необходимо выпускать определённые конструкции SMR и MR, отличающиеся детерминистической фундаментальной безопасностью, которые могут обеспечить существенное снижение стоимости с ростом объёмов производства в соответствии с законом Райта (Wright's law), выполняющимся для большинства существующих технологий. Новая парадигма позволяет сделать ряд необычных и проверяемых предсказаний. Некоторые из этих предсказаний могут быть проверены частично, а для других имеются суррогатные тесты, относящиеся к успешно развивающимся технологиям и отраслям промышленности, которые к тому же легко допускают перенос в другие отрасли, и для иных возможностей реализации. Принципы и результаты масштабирования в общем случае являются применимыми к другими энергетическим системам и большинству производимых товаров.

На форуме “Uspekhi-2021” обсуждались современные проблемы, возникшие под влиянием человеческой деятельности, такие как изменение климата, вызванное увеличением выбросов СО$_2$ после промышленной революции, а также возможные подходы к решению этих проблем. Обсуждалось использование ядерных технологий, основанных как на делении ядра, так и на управляемом термоядерном синтезе, как одно из возможных решений для исправления ситуации. Одной из проблем при использовании ядерного деления являются отработанные радиоактивные отходы, которые могут накапливаться на сроки, превосходящие длительность существования цивилизации. Первое сближение Востока и Запада в 1955 году произошло благодаря желанию избежать развивающейся ядерной конфронтации между Востоком и Западом. Теперь Восток и Запад снова встречаются, уже для совместного поиска путей выхода из глобальных кризисов, таких как изменение климата, и решения других экологических проблем Земли, тесно связанных с глобальными проблемами энергетики. Встреча в 1955 году положила начало мирному использованию энергии ядерного синтеза, а сейчас, на данном форуме “Uspekhi-2021”, мы стали свидетелями кульминации исследований в этом направлении — предложенного Норманом Ростокером безнейтронного синтеза, основанного на инжекции пучка. На прошлой встрече Векслер также предложил коллективное ускорение с использованием плазмы, чтобы сделать ускорители более компактными. Мы рады, что продемонстрировали плоды его идеи в лазерном ускорителе на основе кильватерной волны, где нейтроны компактно и эффективно ускоряются для сжигания трансурановых радиоактивных ядерных отходов. Эти исследования открывают пути перехода к углеродно-нейтральной и даже углеродно-отрицательной энергетике.