Одним из главных препятствий на пути к практической термоядерной энергетике остаётся топливо. Большинство проектов реакторов-токамаков предполагают использование дейтерия и трития — двух изотопов водорода.
Дейтерий стабилен, а тритий радиоактивен. При их слиянии образуются ядро гелия, свободный нейтрон и 17,6 мегаэлектронвольта энергии. Такая реакция отличается высокой скоростью и большим выходом энергии, поэтому считается особенно перспективной для термоядерных установок.
Проблема в том, что трития на Земле почти нет. В природе он появляется в атмосфере под действием космических лучей, но лишь в следовых количествах. Поэтому будущие реакторы должны будут самостоятельно производить необходимое топливо.
Теперь исследователи впервые использовали квантово-центрические суперкомпьютеры, чтобы найти девять возможных конфигураций материала, предназначенного для получения трития. Результат показывает, что квантовые вычисления могут помочь решить одну из самых сложных проблем термоядерной энергетики.
Сторонники термояда называют его чистым источником энергии, поскольку при работе реактора не выделяются парниковые газы, характерные для ископаемого топлива, а радиоактивных отходов образуется значительно меньше, чем при делении атомных ядер.
Однако пока технология остаётся в основном лабораторной. Лишь в конце 2022 года специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса впервые добились того, чтобы термоядерная реакция выделила больше энергии, чем потребовалось непосредственно для её запуска.
Недавно был установлен и новый рекорд удержания горячей плазмы — 1337 секунд. Но даже такие достижения не отменяют необходимости решить проблему с тритием.
Исследователи из Кливлендской клиники, Ок-Риджской национальной лаборатории, исследовательского центра IBM имени Томаса Уотсона и Университета штата Мичиган обратились к технологии, которую ранее применяли для моделирования структуры белков.
С её помощью компьютеры рассчитали девять молекулярных конфигураций вещества FLiBe — расплавленной соли, состоящей из фторида лития и фторида бериллия.
FLiBe считается одним из главных кандидатов для производства трития. Внутри термоядерного реактора он может использоваться в так называемом воспроизводящем бланкете — области, где под воздействием нейтронов и высокой температуры должен образовываться новый тритий.
Пока речь идёт только о компьютерных моделях. Учёные ещё не создали готовую систему производства топлива, а полученные результаты предстоит проверить в лаборатории.
Тем не менее расчёты позволили подробнее изучить электронную структуру FLiBe, поведение его атомов и прочность молекулярных связей в каждой из найденных конфигураций.
Это даёт исследователям возможность заранее отбирать самые перспективные варианты и только после этого переходить к сложным и дорогостоящим экспериментам. Такой подход помогает не тратить время и ресурсы на структуры, которые с высокой вероятностью окажутся бесполезными.
Авторы работы считают, что результаты стали ещё одним доказательством практической пользы квантово-центрических вычислений. По их мнению, такие системы уже способны помогать в решении задач, которые долгое время оставались слишком сложными для химиков, инженеров и специалистов по материалам.
Исследование пока опубликовано в виде препринта на платформе arXiv.
