873
Уявіть собі: щоб запустити майбутні термоядерні електростанції, нам бракує не стільки реакторів, скільки самого палива. І тепер виявляється, що допомогти «виростити» це паливо можуть не нові прискорювачі частинок, а квантові комп’ютери. Саме про це розповідає нова робота, описана на порталі ScienceAlert.
Що відомо коротко
- Більшість проєктів термоядерних реакторів токамак-типу розраховані на злиття дейтерію і тритію — ізотопів водню з високою енерговіддачею.
- Тритій на Землі майже не зустрічається в природі, тому його потрібно ефективно «розмножувати» всередині самого реактора.
- Квантово-центричні суперкомп’ютери вперше визначили дев’ять перспективних молекулярних конфігурацій соляної суміші FLiBe для отримання тритію.
- FLiBe — це розплавлена сіль з фторидів літію та берилію, яка утворює так звану «бридингову ковдру» навколо плазми в токамаку.
- Поки що йдеться лише про комп’ютерні моделі: усі знайдені конфігурації ще потрібно перевірити в лабораторії.
Чому паливо для термоядерного синтезу таке проблемне
Термоядерний синтез часто називають «святим Граалем» енергетики: він майже не дає парникових газів, а радіоактивних відходів утворюється значно менше, ніж у звичайних атомних реакторах на поділі ядер. Але є підступ — потрібне паливо.
Найперспективнішою реакцією для токамаків вважають злиття дейтерію (стабільний ізотоп водню) і тритію (радіоактивний ізотоп). У результаті утворюється ядро гелію, вільний нейтрон і близько 17,6 мегаелектронвольт енергії. Для синтезу це дуже вигідна комбінація: висока швидкість реакції та велика енерговіддача.
Проблема в тому, що тритію на Землі майже немає. Він природно виникає лише у верхніх шарах атмосфери під дією космічних променів — і то в слідових кількостях. Тобто для промислових реакторів його потрібно не просто зберігати, а буквально «вирощувати» всередині установки.
Як працює «бридинг» тритію в токамаку
Уявіть токамак як гігантський пончик, усередині якого обертається надгаряча плазма. Навколо цієї плазми розташована «ковдра» з особливого матеріалу. Коли з плазми вилітають нейтрони, вони влучають у цю ковдру й запускають хімічні та ядерні реакції, внаслідок яких утворюється тритій.
Одним з головних кандидатів на роль такої ковдри є речовина під назвою FLiBe — розплавлена сіль, що складається з фториду літію та фториду берилію. Вона має витримувати екстремальні температури, інтенсивний потік нейтронів і водночас ефективно «народжувати» тритій.
Підібрати правильний склад і структуру FLiBe — це як знайти ідеальний рецепт тіста, яке не підгоряє в пекельній печі, але ще й саме по собі випікає начинку. Кожна зміна в електронній структурі, розташуванні атомів чи міцності зв’язків може суттєво вплинути на те, скільки тритію вдасться отримати.
Що саме зробили квантові суперкомп’ютери
Команди з Клівлендської клініки, Національної лабораторії Ок-Рідж, дослідницького центру IBM T.J. Watson та Університету штату Мічиган звернулися до нового інструмента — квантово-центричного суперкомп’ютингу. Цю техніку в Клівлендській клініці вже застосовували для моделювання білків, а тепер перенесли на задачу термоядерного палива.
Квантові комп’ютери особливо добре підходять для задач, де потрібно описати поведінку електронів і атомів у складних молекулах. Звичайні суперкомп’ютери теж це вміють, але витрати часу й ресурсів швидко стають астрономічними. Квантові системи можуть опрацьовувати такі задачі природніше, адже самі працюють за законами квантової механіки.
У новій роботі ці машини змоделювали дев’ять різних молекулярних конфігурацій FLiBe. Для кожної з них дослідники отримали уявлення про електронну структуру, поведінку атомів і міцність хімічних зв’язків, які можуть впливати на утворення тритію.
Як пояснює обчислювальний хімік Том Бек (Tom Beck) з Національної лабораторії Ок-Рідж, квантові комп’ютери стають «ключовими інструментами», що прискорюють цикл відкриття та проєктування матеріалів, здатних виробляти достатньо тритію для живлення реакторів.
Чому це ще не прорив, але вже великий крок
Поки що всі результати існують лише у вигляді симуляцій. Жодна з дев’яти конфігурацій FLiBe ще не пройшла перевірку в реальних умовах реактора або хоча б у лабораторних експериментах. Наступний етап — відібрати найперспективніші варіанти й протестувати їх на практиці.
Однак уже зараз цей підхід дає важливу перевагу: він дозволяє фізикам синтезу не «стріляти навмання», витрачаючи роки й мільйони доларів на безперспективні суміші. Замість цього вони можуть спершу прогнати десятки чи сотні варіантів через квантові моделі й у лабораторію брати лише найкращі кандидати.
За словами дослідника квантових обчислень Джеррі Чоу (Jerry Chow) з IBM, ці результати доповнюють зростаючі докази того, що квантово-центричний суперкомп’ютинг уже став практичним науковим інструментом для задач, які довго були надто складними для хіміків, інженерів і матеріалознавців. І чим масштабнішими ставатимуть квантові комп’ютери, тим перспективнішим виглядає подальший шлях.
Цікаві факти
Реакція дейтерій–тритій дає близько 17,6 МеВ енергії — це одна з найефективніших відомих термоядерних комбінацій.
Нещодавно в експериментах з плазмою вдалося утримувати її стан протягом 1337 секунд — понад 22 хвилини безперервного «сонця в лабораторії».
Ту ж квантово-центричну техніку, яку застосували до FLiBe, Клівлендська клініка використовує для моделювання білків у біомедичних дослідженнях.
FAQ
Це вже означає, що проблему тритію для термоядерних реакторів вирішено?
Ні. Наразі йдеться лише про комп’ютерні моделі дев’яти конфігурацій FLiBe. Вони показують, що квантові комп’ютери можуть корисно підказувати, які матеріали варто досліджувати, але реальне виробництво тритію ще потрібно перевірити в експериментах.
Чим квантові комп’ютери кращі за звичайні суперкомп’ютери в цій задачі?
Квантові системи природно описують квантову поведінку електронів і атомів, тому деякі типи розрахунків вони можуть виконувати ефективніше. Це особливо важливо для складних матеріалів, де класичні методи стають надто повільними або дорогими за ресурсами.
Чи можна буде використати цей підхід для інших матеріалів у термоядерних реакторах?
Так, дослідники розглядають квантово-центричний суперкомп’ютинг як загальний інструмент для проєктування матеріалів: від солей для «бридингових ковдр» до компонентів, що витримують екстремальні температури й радіацію в реакторі.
Наскільки близько ми до практичних термоядерних електростанцій?
Навіть попри рекордні досягнення — як-от енергетичний «брейківен» у 2022 році — термоядерна енергетика все ще перебуває на стадії досліджень. Потрібно розв’язати низку технічних задач, серед яких надійне виробництво тритію, довговічні матеріали та стабільне утримання плазми.
Те, що колись здавалося суто теоретичною грою фізиків — квантові обчислення — поступово перетворюється на інструмент для проєктування палива майбутніх «сонць на Землі». Якщо квантові комп’ютери й надалі допомагатимуть розкривати хімію таких матеріалів, як FLiBe, то шлях від лабораторних експериментів до справжніх термоядерних електростанцій може виявитися коротшим, ніж ми звикли думати.
Квантові комп’ютери підказали, як «виростити» паливо для термоядерного синтезу з’явилася спочатку на Цікавості.
