Kvantarvutid ja sulane sool: tritiumi tootmise uus kaart

Kujutage ette helendavast sulasoolast vannit, mis vooderdab fuusioonreaktori siseseina, vaikselt püüdes energilisi neutroneid ja muutes need reaktori vajaminevaks kütuseks. See kujutis ei ole enam pelgalt ulme. See on skitse uue koostöö keskmes, kus kasutati kvantarvuteid, et ümberkaardistada viisid, kuidas võiksime tritiumi suures koguses toota.

Kaubanduslikud fuusioonilahendused, eriti tokamakid, plaanivad peaaegu alati põletada deuteeriumi ja tritiumi. Deuteerium on kõikjal, lahustunud merevees. Tritium on teine lugu. See on radioaktiivne, Maal napp ja lühikese poolestusega, mistõttu reaktorid ei saa loota looduslikele varudele. Et muuta fuusioon praktiliseks, peavad insenerid tritiumi reaktoris ise tootma.

Sool, neutronid ja võitlus nappuse vastu

Üks peamisi kandidaate selle töö jaoks on FLiBe, sulasool, mis koosneb liitiumfluoriidist ja berülliumfluoriidist. Kui fuusioonplasmas tekkinud kiired neutronid tabavad FLiBe sees liitiumi tuumasid, võib tuumakeemia toota tritiumi. Tundub lihtne. See pole nii. Täpsed elektronilised struktuurid ja molekulaarsed sidemed toodetes määravad, kui tõhusalt tritium moodustub ja kui hõlpsalt see eraldub ning kogutakse.

Kuni nüüd olid need mikroskoopilised detailid kättesaamatud. Klasikalised simulatsioonid lõid müüri, püüdes modelleerida keerukaid kvantinteraktsioone, mis määravad sidemete tugevuse ja elektronide käitumise reaktori tingimustes. Seepärast valis mitme institutsiooni meeskond teistsuguse tee. Nad kohandasid kvantsimulatsiooni meetodeid, mida algselt kasutati valkude geomeetria uurimisel ravimite väljatöötamisel, ja suunasid need fuusioonimaterjalide aatomiskaalaliste probleemide lahendamiseks.

Cleveland Clinic'i, Oak Ridge'i Rahvuslabori, IBM Researchi Thomas J. Watsoni keskuse ja Michigan State University teadlased jooksutasid neid kvantmudeleid ja tulid tagasi ootamatu tulemusega: üheksa erinevat molekulaarset konfiguratsiooni, mis on olulised FLiBe ja tritiumi keemia jaoks. Üheksa. Mitte üksainus vastus, vaid lühike nimekiri stabiilsetest kandidaatidest, millele eksperimentaatorid nüüd keskenduda saavad.

Miks see oluline on? Sest iga kandidaat omab erinevat sidemetugevust, stabiilsust ja tõenäolist tritiumisaaki. Parimate teede eelne valimine kitsendab otsingut tohutult. Kallite ja ajamahukate kuumrakkude eksperimentide asemel saavad laboris meeskonnad eelistada kõige paljulubavamaid keemiaprotsesse. See säästab raha ja vähendab riski.

See pole lüliti, mis kohe lülituks tööstuslikuks tritiumitootmiseks. Töö on endiselt simulatsioonifaasis; mudelid vajavad valideerimist reaktori-laadsetes tingimustes. Kuid nihke tähendus on suur. Kvantarvutid on liikunud teoreetilise füüsika nishitööriistast praktiliseks kiirendajaks materjalide avastamisel ühe meie aja kõige pakilisema energiaväljakutse jaoks.

Lühike lause. Suur tähendus. Kui need üheksa konfiguratsiooni katsepinkidel vastu peavad, saavad fuusioonidisainerid selgema juhendi aretuskatete ehitamiseks, mis tõepoolest toodavad kütust, mitte ainult lootust. See oleks konkreetne samm reaktorite suunas, mis on mitte ainult võimsad, vaid ka isetoitvad.