Крекинг тяжелого углеводородного сырья с получением сверхкритического водорода демонстрирует универсальные критические режимы, которые в корне определяют эффективность производства водорода. Для описания этих переходов разработана вариационная термодинамическая модель. Модель основана на минимизации термодинамических необратимостей и приводит к уравнению Эйлера-Лагранжа, из которого вытекает эксергетический инвариант Гусева в его канонической форме:

Этот инвариант управляет переходом между режимами с низким H₂, плато и высоким H₂. Параметр выхода водорода действует как параметр порядка, в то время как функционал необратимости становится эквивалентным функционалу Ландау-Гинзбурга. Получены критические показатели β = 1/2, γ = 1, δ = 3, которые, как показано, являются универсальными. Установлена структура перенормировочной группы (RG), выявляющая критическую фиксированную точку, соответствующую режиму плато. Эта теория обеспечивает единую основу для оптимизации производства водорода в реакторах сверхкритического крекинга.

В этом исследовании рассматриваются технологические, институциональные, экономические и геополитические аспекты развития ядерно-водородной энергетики в ведущих странах. Ядерно-водородные системы оцениваются как интегрированные платформы, которые сочетают выработку базовой ядерной энергии с высокоэффективным производством водорода с помощью электролиза и термохимических циклов. Анализ охватывает Китай, Соединенные Штаты, Россию, Южную Корею, Францию и Канаду, подчеркивая различия в технологиях реакторов, стратегиях интеграции электролиза и основах национальной политики. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (HTGR) демонстрируют высочайшую готовность к термохимическому производству водорода, в то время как реакторы поколения III+ в основном используются для крупномасштабного электролиза. Институциональная оценка выявляет значительную асимметрию в регулировании, включая продвинутые механизмы лицензирования в Соединенных Штатах и Франции и эволюционирующую систему в Китае и ЕС. Экономическая оценка показывает, что ядерный водород может обеспечить конкурентоспособные затраты при высокой производительности и крупномасштабном внедрении, при этом Китай демонстрирует структурные преимущества в затратах. Геополитический анализ выявляет формирующиеся региональные кластеры и растущую роль ядерной водородной дипломатии в формировании стратегий энергетической безопасности и экспорта. Полученные результаты показывают, что ядерно-водородные системы могут способствовать глубокой промышленной декарбонизации, повышению энергетической устойчивости и долгосрочному развитию водородной инфраструктуры.

Предлагаемая работа формулирует основы Exergic Field Theory (EFT) – новой фундаментальной теоретико-физической парадигмы, в которой эксергия рассматривается как первичная физическая величина, определяющая динамику, структуру и эволюцию космических систем на всех масштабах. В отличие от традиционных подходов, где эксергия трактуется как инженерная или термодинамическая характеристика, в EFT она вводится как полевой инвариант, связанный с геометрией пространства-времени, локальными градиентами доступной энергии и структурой физических взаимодействий. В рамках данной теории эксергетическое поле выступает универсальным посредником между термодинамикой, гравитацией и космологической эволюцией, обеспечивая единый формализм для описания процессов от микроскопических до космологических масштабов.

Работа начинается с анализа ограничений стандартной космологической модели ΛCDM и классической общей теории относительности, которые, несмотря на их успешность, требуют введения внешних сущностей – тёмной материи, тёмной энергии, инфляционного поля – без строгого физического происхождения. Показано, что многие наблюдаемые феномены, включая стратификацию космических объектов, масштабную структуру Вселенной, а также термодинамические свойства астрофизических систем, могут быть естественным образом объяснены через эксергетический формализм, не прибегая к дополнительным гипотетическим компонентам. В этом контексте эксергия рассматривается как фундаментальный структурный параметр, определяющий степень доступности энергии для совершения работы в гравитационно-космологических системах.

В центральной части статьи вводится лагранжиан эксергетического поля, основанный на вариационном принципе, который объединяет геометрические и термодинамические аспекты. Показано, что эксергетическое поле может быть описано тензорной структурой, включающей скалярные, векторные и тензорные компоненты, каждая из которых отвечает за определённый класс физических процессов. Выводятся уравнения движения, аналогичные уравнениям Эйнштейна, но содержащие дополнительные члены, отражающие локальные и глобальные эксергетические градиенты. Эти уравнения приводят к появлению новых интегралов движения и инвариантов, которые не имеют аналогов в классической гравитации, но естественным образом объясняют наблюдаемую стратификацию космических объектов, масштабную неоднородность и устойчивость структур.

Особое внимание уделено эксергетическим инвариантам, которые определяют устойчивые состояния космических систем. Показано, что такие инварианты могут служить естественными критериями формирования планетных систем, поясов малых тел, облаков комет, а также крупных астрофизических структур. В частности, анализируется связь эксергетического поля с динамикой пояса Койпера и облака Оорта, где эксергетические градиенты определяют распределение масс, орбитальные характеристики и долгосрочную эволюцию объектов. Эти результаты демонстрируют, что эксергетический формализм способен объяснить широкий спектр наблюдаемых феноменов без введения дополнительных гипотетических сущностей.

Далее рассматривается связь эксергетического поля с термодинамикой Вселенной. Показано, что эксергия может быть интерпретирована как мера структурной упорядоченности космических систем, а её градиенты – как движущая сила эволюции. В этом контексте эксергетическое поле выступает естественным мостом между микроскопической статистической физикой и макроскопической космологией. Предлагается новая трактовка космологической эволюции, в которой расширение Вселенной, образование структур и термодинамическая стрелка времени являются взаимосвязанными проявлениями эксергетической динамики. Такой подход позволяет по-новому взглянуть на проблему энтропии в космологии, предложив механизм, в котором эксергия играет роль регулятора структурной сложности.

Важной частью работы является анализ физических следствий EFT. Показано, что теория предсказывает ряд наблюдаемых эффектов, включая: (1) естественное появление масштабной стратификации космических объектов; (2) существование устойчивых эксергетических слоёв, определяющих распределение масс; (3) возможность объяснения аномалий вращения галактик без введения тёмной материи; (4) появление новых типов волновых решений – эксергетических волн, которые могут быть объектом экспериментального обнаружения. Эти волны обладают уникальными свойствами, отличающими их от гравитационных волн, и могут быть зарегистрированы с помощью методов видеотомографии, разработанных в рамках предыдущих работ автора.

Отдельный раздел посвящён обсуждению экспериментальных и наблюдательных возможностей проверки EFT. Рассматриваются потенциальные методы регистрации эксергетических волн, включая многоканальные интерферометрические системы, оптические и радиочастотные детекторы, а также методы реконструкции сигналов на основе видеотомографических алгоритмов. Показано, что современные технологии позволяют приступить к экспериментальной проверке ряда предсказаний EFT уже в ближайшие годы. Кроме того, обсуждаются космические миссии, в рамках которых эксергетические эффекты могут проявляться наиболее ярко – в частности, миссии к поясу Койпера, облаку Оорта и межзвёздной среде.

В заключительной части статьи обсуждается место Exergic Field Theory в современной физике. Показано, что EFT не противоречит существующим теориям, но расширяет их, предлагая новый фундаментальный уровень описания, объединяющий термодинамику, гравитацию и космологию. Теория обладает высокой объяснительной силой, математической строгостью и широким спектром наблюдаемых следствий. Она формирует основу для дальнейшего развития как фундаментальной физики, так и прикладных направлений – от космической инженерии до энергетических технологий. Работа завершает формирование теоретического ядра эксергетической парадигмы и открывает путь к созданию единой физической картины, в которой структура и эволюция Вселенной определяются универсальными законами эксергетической динамики.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью поиска новых решений по повышению безопасности АЭС большой мощности с пассивными системами безопасности. При запроектных авариях с тяжелым повреждением активной зоны водород, образующийся при высокотемпературном взаимодействии пара с циркониевыми оболочками твэлов, в смеси с воздухом и паром может образовать взрывоопасную среду, создающую угрозу разрушения защитной оболочки (контейнмента) и выброса радиоактивных веществ в окружающую среду. Для предотвращения подобных физических явлений на АЭС используются различные управляющие меры и технические средства, направленные на предотвращение образования взрывоопасных водородсодержащих смесей. В настоящем исследовании представлены методологические подходы к обеспечению водородной взрывобезопасности и приведены результаты обоснования эффективности управляющих мер, реализованных в различных проектах АЭС-2006 дизайна АО «Атомпроект».

Для создания количественной модели энергоснабжения «водородного города» в качестве базы выбран город Иннополис, расположенный в Республике Татарстан. Этот молодой населённый пункт справедливо считать уникальной экспериментальной площадкой для отработки низкоуглеродных решений благодаря совокупности трёх факторов. Фактор первый: строительство велось на незастроенной территории, поэтому здесь отсутствует старая, физически изношенная инфраструктура. Фактор второй: в городе функционирует центр обработки данных крупной госкорпорации, который в круглосуточном режиме потребляет 20 МВт (в эту величину включено также энергопотребление систем охлаждения и источников бесперебойного питания). Фактор третий: климатические условия относятся к континентальному типу, что делает Иннополис репрезентативной моделью для большинства регионов России, а также для стран Восточной Европы и североамериканского континента.

Разработанная гибридная схема должна заменить действующую систему электроснабжения. Её структура включает следующие элементы: фотоэлектрические установки суммарной мощностью 36,6 МВт (их предполагается монтировать на кровлях и фасадах зданий, на автомобильных навесах, а также на свободных от застройки земельных участках); ветряную электростанцию на 12 МВт; электролизную систему типа PEM производительностью 10 МВт; ёмкость для аккумулирования водорода; батарею топливных элементов мощностью 10 МВт; парогазовую энергоустановку на 25 МВт, в составе которой имеется газовая турбина на 15 МВт с камерой сгорания, приспособленной для работы на топливных смесях с содержанием водорода в диапазоне от 0 до 100 %. Значение электрического КПД данной парогазовой установки при питании метаном равно 56 %, а при переходе на чистый водород – 52 %. В режиме совместной выработки электроэнергии и тепла соответствующие показатели составляют 86 % и 83 %.

Математическое обеспечение работы представляет собой совокупность дифференциальных уравнений, описывающих баланс энергии. Эта модель учитывает стохастическую природу генерации от возобновляемых источников, кинетику электрохимических реакций внутри электролизёра и термодинамические закономерности парогазового цикла. Достоверность модельных расчётов подтверждена путём верификации на реальных данных об инсоляции, о ветровом режиме, а также на почасовых профилях электрических нагрузок. В ходе экспериментальных замеров выяснилось, что фактические значения удельных нагрузок в 2,1-2,7 раза меньше нормативных, закреплённых в СП 256.1325800.2016. Этот неиспользуемый в настоящее время резерв пропускной способности сетевой инфраструктуры может быть задействован для подключения электролизной установки и зарядных станций без необходимости проведения реконструкции.

Результаты численного моделирования зафиксировали ярко выраженную сезонную асимметрию. В летние месяцы избыточная выработка возобновляемой энергии достигает величины 26 МВт · ч за сутки, что позволяет производить до 416 килограммов водорода в час. Этот водород накапливается в хранилище для использования  в зимний период. Когда наступает зима и возобновляемой генерации становится недостаточно, парогазовая установка обеспечивает до 65 % суточного объёма потребления. При этом она работает на смеси природного газа с 30-процентной добавкой водорода, что даёт существенное сокращение выбросов углекислого газа.

Предложенная архитектурная схема служит прототипом углеродно-нейтрального города будущего. Она пригодна для масштабирования на любые населённые пункты, находящиеся в зоне континентального климата и имеющие критически важную ИТ-инфраструктуру. Иннополис здесь выполняет роль «живой лаборатории» – города-прототипа, в котором все составляющие водородной экономики, а именно: производство электроэнергии, теплоснабжение, транспортный сектор, центр обработки данных и жилищно-коммунальное хозяйство, – объединены в единую экосистему. Важно, что эта экосистема создаётся с нуля, без каких-либо затрат на переоборудование существующих коммуникаций.

Модернизация существующих тепловых электростанций (ТЭС), работающих на природном газе, для интегрированного производства водорода требует минимизации термодинамических потерь, связанных с отбором пара. В данном исследовании разработана термоэкономическая схема, основанная на коэффициенте потерь мощности (КП), для анализа и оптимизации этого компромисса. Проверенная модель крупномасштабной российской ТЭС (ТЭЦ-22) соединена с модульной системой высокотемпературного парового электролиза (HTSE), смоделированной в Aspen HYSYS. Проведено тщательное сравнение двух стратегий реинтеграции пара и конденсата: традиционной схемы конденсатора пара и новой схемы парогенератора, которая перенаправляет поток в систему регенеративной подачи воды. Пароводяной цикл основной ТЭС моделируется и проверяется с помощью United Cycle на основе реальных эксплуатационных данных, что позволяет достичь погрешности менее 0,02 % после учета закачки воды для регулирования температуры пара. Модули HTSE моделируются в Aspen HYSYS как точная копия эталонного дизайна, утвержденного Национальной лабораторией Айдахо. Проводится всесторонняя количественная оценка неопределенности, включая анализ чувствительности (диаграмма торнадо), сезонную оценку производительности (летний/зимний режимы) и анализ деградации SOEC за 5-летний период (0,5-0,75 % за 1000 часов). Результаты показывают, что конфигурация с пароконвектоматом снижает PLF с 1,7 % до 0,1 % летом и с 5,6 % до 4,9 % зимой, сохраняя электрическую мощность до 14 МВт по сравнению со схемой с пароконденсатором. Это улучшение приводит к последовательному снижению себестоимости водорода (LCOH₂) примерно на 16-17 % как в 2021, так и в 2025 годах в российских экономических условиях, что приводит к средним значениям LCOH2 на уровне 3,56-6,51 долл./кг при скорости производства водорода 0,2 кг/с на модуль. Удельный выброс CO2 в предлагаемой системе составляет 0,056 кг СО₂/кг H₂, что на два порядка ниже, чем у серого водорода, и значительно ниже, чем у зеленого водорода, получаемого при возобновляемом электролизе. Полученные результаты дают важнейшие рекомендации по тепловому проектированию, демонстрируя, что стратегия возврата конденсата является решающим параметром эффективности и экономической целесообразности перепрофилирования теплоэнергетических активов для когенерации водорода.