Κβαντικοί υπολογιστές εντοπίζουν καύσιμο πυρηνικής σύντηξης σε σημαντική πρωτιά

Εικονογράφηση θαλάμου αντιδραστήρα tokamak πυρηνικής σύντηξης. (Ruslanas Baranauskas/Science Photo Library/Getty Images)

Ένα σημαντικό εμπόδιο στην αξιοποίηση ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης είναι η πηγή καυσίμου.

Οι περισσότεροι προτεινόμενοι αντιδραστήρες σύντηξης (οι δακτυλιοειδείς αντιδραστήρες tokamak) τροφοδοτούνται από τη σύντηξη τριτίου και δευτερίου.

Και τα δύο είναι ισότοπα του υδρογόνου, αλλά το τρίτιο είναι ραδιενεργό, ενώ το δευτέριο είναι σταθερό.

Η αντίδραση σύντηξης μεταξύ αυτών των δύο ισοτόπων παράγει έναν πυρήνα ηλίου, ένα ελεύθερο νετρόνιο και 17,6 μεγαηλεκτρονιοβόλτ. Όσον αφορά τη σύντηξη, αυτός ο συγκεκριμένος συνδυασμός έχει πολύ υψηλό ρυθμό αντίδρασης και πολύ υψηλή ενεργειακή απόδοση.

Δυστυχώς, το τρίτιο είναι σχεδόν ανύπαρκτο στη Γη.

Το μόνο μέρος όπου είναι γνωστό ότι εμφανίζεται φυσικά είναι στην ατμόσφαιρα, όπου παράγεται από αλληλεπίδραση με κοσμικές ακτίνες. Ακόμη και τότε, εμφανίζεται μόνο σε ίχνη.

Ωστόσο, αν οι επιστήμονες μπορέσουν να βρουν έναν αποτελεσματικό τρόπο να «εκτρέφουν» (breed) τρίτιο, θα μπορούσε να γίνει μια πιο βιώσιμη πηγή ενέργειας.

Τώρα, για πρώτη φορά, υπερυπολογιστές με κβαντικό πυρήνα (quantum-centric supercomputers) χρησιμοποιήθηκαν μόλις για να εντοπίσουν εννέα διαμορφώσεις του υλικού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τριτίου – η πιο πρόσφατη απόδειξη ότι αυτές οι υψηλής τεχνολογίας προσομοιώσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους φυσικούς να ρίξουν ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στη σύντηξη.



Νετρόνια από πλάσμα σύντηξης χτυπούν μια κουβέρτα λιωμένου άλατος μέσα σε αντιδραστήρα tokamak για να παράγουν τρίτιο. Αυτό το υλικό μοντελοποιείται τώρα με κβαντικούς υπολογιστές. (IBM)

Οι υποστηρικτές της ενέργειας σύντηξης λένε ότι πρόκειται για «καθαρή» πηγή ενέργειας, καθώς δεν εκλύει εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου όπως τα ορυκτά καύσιμα, και παράγει πολύ λιγότερα ραδιενεργά απόβλητα από τον πιο αμφιλεγόμενο αντίστοιχό της, την πυρηνική σχάση.

Μέχρι στιγμής όμως η σύντηξη δυσκολεύεται να απογειωθεί, με τεχνολογικά εμπόδια που μέχρι σήμερα την περιορίζουν σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.

Μόλις στα τέλη του 2022 επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore των ΗΠΑ πέτυχαν «breakeven» για τη σύντηξη, δηλαδή ότι παρήχθη περισσότερη ενέργεια σε μια αντίδραση σύντηξης από όση χρειαζόταν για να ξεκινήσει.

Πρόσφατα έχουν επίσης καταγραφεί νέα ρεκόρ στη διατήρηση του απαιτούμενου θερμού πλάσματος: 1.337 δευτερόλεπτα.

Αλλά αν η σύντηξη έχει οποιοδήποτε πραγματικό μέλλον, οι επιστήμονες πρέπει να λύσουν το πρόβλημα του τριτίου.

Ερευνητές στο Cleveland Clinic, στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, στο IBM T.J. Watson Research Center και στο Michigan State University στράφηκαν τώρα στην υπερυπολογιστική.

Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν μια τεχνική υπερυπολογισμού με κβαντικό πυρήνα που το Cleveland Clinic χρησιμοποιεί για την προσομοίωση διαμορφώσεων πρωτεϊνών.

«Οι κβαντικοί υπολογιστές… είναι βασικά εργαλεία που επιταχύνουν τους κύκλους ανακάλυψης και σχεδιασμού που χρειάζονται για να παραχθεί επαρκές τρίτιο για την τροφοδοσία αντιδραστήρων σύντηξης»

— Tom Beck, υπολογιστικός χημικός στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge

Αυτοί οι ισχυροί υπολογιστές εντόπισαν εννέα διαφορετικές μοριακές διαμορφώσεις μιας ουσίας που ονομάζεται FLiBe, ενός λιωμένου άλατος από φθοριούχο λίθιο και φθοριούχο βηρύλλιο.

Το FLiBe είναι κορυφαίος υποψήφιος για παραγωγή τριτίου: Μέσα σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, παρέχει την «κουβέρτα εκτροφής» (breeding blanket) όπου σχηματίζεται το τρίτιο σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Μέχρι στιγμής, η έρευνα αφορά περισσότερο το αν οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν πράγματι να αξιοποιηθούν για τη λύση αυτού του προβλήματος. Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι οι ερευνητές έχουν ήδη λύσει την πραγματική παραγωγή τριτίου.

Μέχρι στιγμής, οι υπερυπολογιστές κάνουν μόνο προσομοιώσεις. Θα πρέπει ακόμη να δοκιμαστούν σε εργαστήριο.

Η διαδικασία όμως επέτρεψε στους ερευνητές να αποκτήσουν καλύτερη εικόνα της ηλεκτρονικής δομής του FLiBe, της ατομικής συμπεριφοράς και της ισχύος του μοριακού δεσμού στο τρίτιο που θα μπορούσε να προκύψει από κάθε διαμόρφωση.

Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες της σύντηξης μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη ροή εργασίας για να εντοπίσουν διαμορφώσεις που αξίζει να διερευνηθούν πριν τις δοκιμάσουν στην πραγματικότητα, γλιτώνοντάς τους από χάσιμο χρόνου σε δύσκολα και ακριβά πειράματα χωρίς αποτέλεσμα.

«Αυτά τα αποτελέσματα προστίθενται στα αυξανόμενα στοιχεία ότι ο υπερυπολογισμός με κβαντικό πυρήνα αποτελεί πλέον πρακτικό επιστημονικό εργαλείο για προβλήματα που από καιρό προκαλούν τους χημικούς, τους μηχανικούς και τους επιστήμονες υλικών»

— Jerry Chow, πειραματικός ερευνητής κβαντικών υπολογιστών στην IBM

«Καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές κλιμακώνονται, η πορεία μπροστά είναι ελπιδοφόρα.»

Ένα preprint της έρευνας είναι διαθέσιμο στο arXiv.

Άρθρο της Jess Cockerill, ScienceAlert — έλεγχος γεγονότων: Rebecca Dyer · επιμέλεια: Peter Dockrill

---

Πηγή: ScienceAlert — Quantum Computers Identify Nuclear Fusion Fuel in Major First