Восток снова встречается с Западом, чтобы справиться с глобальным энергетическим кризисом

Т. Таджима^†^а, А. Некас^б, Т. Массар^‡^в, С. Гейлс^§^г
^аUniversity of California, Irvine, 949-824-5011, Irvine, California, 92697, USA
^бTri Alpha Energy Technologies, Inc., Foothill Ranch, CA, USA
^вStanford University, Stanford, California, USA
^гUniversité Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France

На форуме "Uspekhi-2021" обсуждались современные проблемы, возникшие под влиянием человеческой деятельности, такие как изменение климата, вызванное увеличением выбросов СО₂ 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.

Ключевые слова: углеродно-нейтральная энергия, безнейтронный термоядерный синтез, пучковый термоядерный синтез, коллективное ускорение, электроны лазерного кильватерного поля, трансмутация трансуранов, углеродно-отрицательный подход
PACS: 28.52.−s, 28.65.+a, 89.30.−g, 89.60.−k, 92.70.−j, 92.70.M (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2021.07.039052
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2022/11/i/
Web of Science

001098566300004
Scopus

2-s2.0-85133726054
Цитата: Таджима Т, Некас А, Массар Т, Гейлс С "Восток снова встречается с Западом, чтобы справиться с глобальным энергетическим кризисом" УФН 192 1280–1292 (2022)

BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 21 мая 2021, одобрена в печать: 7 июля 2021

English citation: Tajima T, Necas A, Massard T, Gales S “East meets West again in order to tackle the global energy crises” Phys. Usp. 65 1193–1203 (2022); DOI: 10.3367/UFNe.2021.07.039052

Список литературы (71) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (1) Похожие статьи (19)

"Geneva Summit (1955)", Wikipedia. Accessed March 5, 2021, https://en.wikipedia.org/wiki/Geneva_Summit_(1955)
Veksler V I "Coherent principle of acceleration of charged particles" Proc. of the CERN Symp. Accelerators and Pion Physics Vol. 1 (Geneva: CERN, 1956) p. 80
Semiletov I, in Forum "USPEKHI-2021": Climate Change and Global Energy Problems, https://youtu.be/pdkPTU6Lt-Y
Риньо Э УФН 192 1203 (2022); Rignot E Phys. Usp. 65 (11) (2022)
Дробински Ф, Танте А УФН 192 1191 (2022); Drobinski P, Tantet A Phys. Usp. 65 (11) (2022)
Steinbach J, Holmstrand H, Shcherbakova K, Kosmach D, Brüchert V, Shakhova N, Salyuk A, Sapart C J, Chernykh D, Semiletov I, Gustafsso Ö "Source apportionment of methane escaping the subsea permafrost system in the outer Eurasian Arctic Shelf" Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118 e2019672118 (2021)
Binderbauer, in Forum "USPEKHI-2021": Climate Change and Global Energy Problems, https://youtu.be/pdkPTU6Lt-Y
Rostoker N, Maglich B C "Self-colliding systems for aneutronic fusion" Comments Plasma Phys. Controlled Fusion 15 (2) 105-120 (1992)
Binderbauer M W, Tajima T, Steinhauer L C, Garate E, Tuszewski M, Schmitz L, Guo H Y et al "High performance field-reversed configuration" Phys. Plasmas 22 056110 (2015)
Tajima T, Binderbauer M "Preface: Norman Rostoker Memorial Symposium" AIP Conf. Proc. 1721 010001 (2016)
Parish T A, Davidson J W "Reduction in the Toxicity of Fission Product Wastes through Transmutation with Deuterium-Tritium Fusion Neutrons" Nucl. Technol. 47 (2) 324-342 (1980)
Galès S "Nuclear Energy and Waste Transmutation with High Power Accelerator and Laser Systems" (2018), https://indico.cern.ch/event/617648/contributions/2517094/attachments/1442136/2220662/18_GALES_IZEST-Talk-Nuclear-Transmu-tation-040417.pdf
Tajima T, Necas A, Mourou G, Gales S, Leroy M "Spent Nuclear Fuel Incineration by Fusion-Driven Liquid Transmutator Operated in Real Time by Laser" Fusion Sci. Technol. 77 251-265 (2021)
Rubbia C, Rubio J A, Buono S, Carminati F, Fiétier N,Gálvez J, Gelés C et al. "Conceptual design of a fast neutron operated high power energy amplifier" (Geneva: CERN, 1995) p. 187-312; Rubbia C, Roche C, Rubio J A, Carminati F, Kadi Y, Mandrillon P, Revol J P C et al. (1995)
Abderrahim H A, Kupschus P, Malambu E, Benoit Ph, Van Tichelen K, Arien B, Vermeersch F et al "MYRRHA: A Multipurpose Accelerator Driven System for Research and Development" Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 463 (3) 487-494 (2001)
Nifenecker H, Meplan O, David S Accelerator Driven Subcritical Reactors (Boca Raton, FL: CRC Press, 2003)
Doligez X, Heuer D, Merle-Lucotte E, Allibert M, Ghetta V "Coupled study of the Molten Salt Fast Reactor core physics and its associated reprocessing unit" Ann. Nucl. Energy 64 430-440 (2014)
Yan X Q, Tajima T, Hegelich M, Yin L, Habs D "Theory of laser ion acceleration from a foil target of nanometer thickness" Appl. Phys. B 98 (4) 711-721 (2010)
Weeks A, in Forum "USPEKHI-2021": Climate Change and Global Energy Problems, https://youtu.be/pdkPTU6Lt-Y
Ли Н УФН 192 1231 (2022); Li N Phys. Usp. 65 (11) (2022)
Tajima T, Dawson J M "Laser Electron Accelerator" Phys. Rev. Lett. 43 267 (1979)
Tajima T, Yan X Q, Ebisuzaki T "Wakefield acceleration" Rev. Mod. Plasma Phys. 4 7 (2020)
Nakajima K, Kawakubo T, Nakanishi H, Ogata A, Kato Y, Kitagawa Y, Kodama R et al "A proof-of-principle experiment of laser wakefield acceleration" Phys. Scr. 1994 (T52) 61 (1994)
Wang X, Zgadzaj R, Fazel N, Li Z, Yi S A, Zhang X, Watson H "Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2 GeV" Nat. Commun. 4 1988 (2013)
Leemans W, Gonsalves A J, Mao H-S, Nakamura K, Benedetti C, Schroeder C B, Cs Tóth P et al "Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-Trapping Regime" Phys. Rev. Lett. 113 245002 (2014)
Downer M C, Zgadzaj R, Debus A, Schramm U, Kaluza M C "Diagnostics for plasma-based electron accelerators" Rev. Mod. Phys. 90 035002 (2018)
Nicks B S, Tajima T, Roa D, Ne<$>check {text c}<$>as A, Mourou G "Laser-wakefield application to oncology" Int. J. Mod. Phys. A 34 (34) 1943016 (2019)
Ibrahim F, Obert J, Bajeat O, Buhour J M, Carminati S et al "Photofission for the production of radioactive beams: Experimental data from an on-line measurement" Eur. Phys. J. A 15 357-360 (2002)
Gales S, Tanaka K A, Balabanski D L, Negoita F, Stutman D, Tesileanu O, Ur C A et al "The extreme light infrastructure?nuclear physics (ELI-NP) facility: new horizons in physics with 10 PW ultra-intense lasers and 20 MeV brilliant gamma beams" Rep. Prog. Phys. 81 094301 (2018)
Necas A, Gales S (2020), Private communication
Tanner J, Necas A, Gales S, Tajima T "Study of Neutronic Transmutation of Transuranics in a Molten Salt" Ann. Nucl. Energy, submitted
Robertson R C Msre Design and Operations Report. Pt. I. Description of Reactor Design (1965)
Kloosterman J L "MSR Concepts" Proc. TU Delft (Delft: TUDelft, 2017)
Mourou G, Brocklesby B, Tajima T, Limpert J "The future is fibre accelerators" Nat. Photon. 7 (4) 258-261 (2013)
Quiter B, Laplace T, Ludewigt B A, Ambers S D, Goldblum B L, Korbly S, Hicks C, Wilson C "Nuclear resonance fluorescence in ²⁴⁰Pu" Phys. Rev. C 86 034307 (2012)
Gauld I, Francis M "Investigation of Passive Gamma Spectroscopy to Verify Spent Nuclear Fuel Content" 51st Annual Meeting of the Institute of Nuclear Materials Management
Moulin C, Decambox P, Mauchien P "Analytical Applications of Time-Resolved Laser-Induced Fluorescence in the Nuclear Fuel Cycle" J. Physique IV 1 (C7) C7-677 (1991)
Kloosterman J L Molten Salt Reactors and Thorium Energy (Ed. T J Dolan) (Amsterdam: Elsevier, 2017) p. 565
Chetal S C, Balasubramaniyan V, Chellapandi P, Mohanakrishnan P, Puthiyavinayagam P, Pillai C P, Raghupathy S, Shanmugham T K, Sivathanu Pillai C "The design of the Prototype Fast Breeder Reactor" Nucl. Eng. Design 236 852 (2006)
Sheu R J, Chang C H, Chao C C, Liu Y-W H "Depletion Analysis on Long-Term Operation of the Conceptual Molten Salt Actinide Recycler Transmuter (MOSART) by Using a Special Sequence Based on SCALE6/TRITON" Ann. Nucl. Energy 53 1 (2013)
Zhang D, Liu L, Liu M, Xu R, Gong C, Qiu S "Neutronics/Thermal-hydraulics Coupling Analysis for the Liquid-Fuel MOSART Concept" Energy Procedia 127 343 (2017)
Gulik V, Tkaczyk A H "Cost optimization of ADS design: Comparative study of externally driven heterogeneous and homogeneous two-zone subcritical reactor systems" Nucl. Eng. Design 270 133 (2014)
Anikeev A V "Optimisation of the neutron source based on gas dynamic trap for transmutation of radioactive wastes" AIP Conf. Proc. 1442 153 (2012)
Rostoker N (2002), Private communication
Pascal Y (Ed.) Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors (Waltham, MA: Woodhead Publ., 2016)
Cress C D, Schauerman C M, Landi B J, Messenger S R, Raffaelle R P, Walters R J "Radiation effects in single-walled carbon nanotube papers" J. Appl. Phys. 107 014316 (2010)
Iijima S "Helical microtubules of graphitic carbon" Nature 354 56-58 (1991)
Thostenson E T, ZRen Z, Chou T-W "Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review" Compos. Sci. Technol. 61 1899-1912 (2001)
Iijima S "Carbon nanotubes: past, present, and future" Physica B 323 (1-4) 1-5 (2002)
Lazarowich R J, Taborek P, Yoo B-Y, Myung N V "Fabrication of porous alumina on quartz crystal microbalances" J. Appl. Phys. 101 104909 (2007)
Myung N V, Lim J, Fleurial J-P, Yun M, West W, Choi D <> Nanotechnology 15 833 (2004)
Navarro M (2019), Private communication
Shokrieh M M, Rafiee R "A review of the mechanical properties of isolated carbon nanotubes and carbon nanotube composites" Mech. Compos. Mater. 46 155 (2010)
Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Dubonos S V, Zhang Y, Jiang D "Room-temperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films" cond-mat/0410631
Mertens R The Graphene Handbook 2019 ed. (Morrisville, NC: Lulu Press, 2020); https://books.google.com/books?id=GJGDDwAAQBAJ
Smalley R E "Discovering the fullerenes" Rev. Mod. Phys. 69 723 (1997)
Klimchitskaya G L, Mostepanenko V M "Conductivity of pure graphene: Theoretical approach using the polarization tensor" Phys. Rev. B 93 245419 (2016)
Pénicaud A "Graphene for a Sustainable World" (2018)
Chesneau A (2021), Private communication
Johnson R W, Hultqvist A, Bent S F "A brief review of atomic layer deposition: from fundamentals to applications" Mater. Today 17 (5) 236 (2014)
Sobel N, Hess C, Lukas M, Spende A, Stühn B, Toimil-Molares M E, Trautmann C "Conformal SiO₂ coating of sub-100 nm diameter channels of polycarbonate etched ion-track channels by atomic layer deposition" Beilstein J. Nanotechnol. 6 472 (2015)
Musfeldt J, Yoshihiro I, Reshef T "Nanotubes from layered transition metal dichalcogenides" Phys. Today 73 (8) 42-48 (2020)
Sackmann E, Bruinsma R Physics of Bio-Molecules and Cells, Les Houches Session LXXV, 2-27 July 2001 (Les Houches - Ecole d'Ete de Physique Theorique, Vol. 75, Eds F Flyvbjer) (Berlin: Springer, 2002) p. 285-309
Li X, Xue Y, Huiling H "Electrocapillary Rise in Nanoporous Media" Procedia IUTAM 21 71-77 (2017)
Nair R R, Wu H A, Jayaram P N, Grigorieva I V, Geim A K "Unimpeded Permeation of Water through Helium-Leak-Tight Graphene-Based Membranes" Science 335 442 (2012)
Kumaravel V, Bartlet J, Pillai S C "Photoelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide (CO₂) into Fuels and Value-Added Products" ACS Energy Lett. 5 (2) 486-519 (2020)
Udorn J, Hatta A, Furuta H "Carbon Nanotube (CNT) Honeycomb Cell Area-Dependent Optical Reflectance" Nanomaterials 6 (11) 202 (2016)
Fujikawa S, Selyanchyn R, Kunitake T "A new strategy for membrane-based direct air capture" Polymer J. 53 111-119 (2021)
Hone J Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 3 (Eds J A Schwarz, C I Contescu, K Putyera) (New York: M. Dekker, 2004) p. 603
Liu F, Wagterveld R M, Gebben B, Otto M J, Biesheuvel P M, Hamelers H V M "Carbon nanotube yarns as strong flexible conductive capacitive electrodes" Colloid Interface Sci. Commun. 3 9-12 (2014)
Haubenreich P N, Engel J R "Experience with the Molten-Salt Reactor Experiment" Nucl. Appl. Technol. 8 (2) 118 (1970)