Квантовые компьютеры первыми определили химию ядерного термоядерного топлива

Illustration of a tokamak nuclear fusion reactor chamber.

Основным препятствием для использования энергии посредством ядерного синтеза является источник топлива.

Большинство предлагаемых термоядерных реакторов (токамак-реакторы в форме пончика) работают на синтезе трития и дейтерия.

Оба являются изотопами водорода, но тритий радиоактивен, а дейтерий стабилен.

Реакция синтеза между этими двумя изотопами дает одно ядро гелия, свободный нейтрон и 17,6 мегаэлектронвольт. Что касается термоядерного синтеза, эта конкретная комбинация имеет очень высокую скорость реакции и очень высокий выход энергии.

К сожалению, тритий практически не существует на Земле.

Единственное место, где он встречается в природе, — это атмосфера, где он образуется в результате взаимодействия с космическими лучами. Даже в этом случае он встречается только в следовых количествах.

Однако, если ученые смогут найти эффективный способ «выведения» трития, он может стать более жизнеспособным источником энергии.

Теперь впервые квантово-центрические суперкомпьютеры только что были использованы для идентификации девяти конфигураций материала, используемого для получения трития – последнее свидетельство того, что эти высокотехнологичные симуляции могут помочь физикам преодолеть один из самых больших барьеров на пути к fusion.

Квантовые компьютеры только что принесли нам На шаг ближе к ядерному синтезу — Нейтроны термоядерной плазмы ударяются о слой расплавленной соли внутри реактора токамака, производя тритий. Этот материал сейчас моделируется с помощью квантовых компьютеров. (IBM)

Сторонники термоядерной энергии заявляют, что это «чистый» источник энергии, поскольку он не выделяет парниковых газов, как ископаемое топливо, и производит гораздо меньше радиоактивных отходов, чем его более спорный аналог — ядерное деление.

Но до сих пор термоядерный синтез с трудом набирает обороты, поскольку технологические барьеры пока ограничивают его лабораторными условиями.

Только в конце 2022 года ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса США достигли «безубыточности» для термоядерного синтеза, а это означает, что в реакции синтеза выделяется больше энергии, чем было необходимо для ее фактического запуска.

Недавно были установлены новые рекорды в поддержании термоядерного синтеза. горячая плазма требует: 1337 секунд

Но если у термоядерного синтеза есть реальное будущее, ученым необходимо решить проблему трития.

Исследователи из Кливлендской клиники, Окриджской национальной лаборатории, Исследовательского центра IBM имени Т.Дж. Уотсона и Мичиганского государственного университета теперь обратились к суперкомпьютерам.

В частности, они применили квантовоцентрическую суперкомпьютерную технику, разработанную Кливлендской клиникой. используется для моделирования конфигураций белков.

«Квантовые компьютеры… являются ключевыми инструментами, которые ускоряют циклы открытий и проектирования, необходимые для производства достаточного количества трития для топлива термоядерных реакторов», — объясняет компьютерный химик Окриджской национальной лаборатории Том Бек.

Эти мощные компьютеры разработали девять различных молекулярных конфигураций вещества под названием FLiBe, расплавленной соли, состоящей из фторида лития и фторида бериллия.

FLiBe — это Звездный кандидат на производство трития: внутри термоядерного реактора он обеспечивает «одеяло для размножения», где тритий образуется при чрезвычайно высоких температурах.

Пока что исследование больше направлено на то, чтобы выяснить, можно ли действительно положиться на квантовые компьютеры для решения этой проблемы. Результаты являются многообещающими, но это не означает, что исследователи уже разгадали фактическое производство трития.

На данный момент суперкомпьютеры являются многообещающими. их еще предстоит протестировать в лаборатории.

Но этот процесс позволил исследователям лучше понять электронную структуру FLiBe, атомное поведение и силу молекулярных связей внутри трития, которые могут возникнуть в каждой конфигурации.

Это означает, что ученые-термоядерщики могут использовать этот рабочий процесс для выявления конфигураций, которые стоит исследовать, прежде чем они проверят их в реальной жизни, что избавляет их от траты времени на сложные и дорогостоящие эксперименты. нигде.

По теме: Свет может выступать в качестве квантового тормоза, замедляющего движение в наномире, обнаружили ученые

«Эти результаты дополняют растущее количество доказательств того, что квантовоцентрические суперкомпьютеры теперь являются практическим научным инструментом для решения проблем, которые долгое время бросали вызов химикам, инженерам и ученым-материаловедам», — говорит Джерри Чоу, экспериментальный исследователь квантовых вычислений в IBM.

«По мере масштабирования квантовых компьютеров путь впереди — многообещающе.»

Препринт исследования доступен на arXiv.

Эта статья была проверена Ребеккой Дайер и отредактирована Питером Докрилом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.