Kvantiniai kompiuteriai spartina tricio gamybą sintezei

Įsivaizduokite švytinčios išlydytos druskos vonią, dengiančią vidinę branduolių sintezės reaktoriaus sienelę, tyliai sugeriančią energingų neutronų smūgius ir paverčiančią juos kuru, kurio reikės pačiam reaktoriui. Šis vaizdinys nebėra vien mokslinė fantastika. Tai naujo bendradarbiavimo pagrindinė idėja, kai pasitelkus kvantinius kompiuterius iš naujo perbraižoma, kaip būtų galima pramoniniu mastu gaminti tritį.

Komerciniai branduolių sintezės projektai, ypač tokamakai, beveik visada numato naudoti deuterio ir tricio kurą. Deuterio yra visur, jis ištirpęs jūros vandenyje. Su tričiu padėtis kitokia. Jis radioaktyvus, Žemėje retas ir pasižymi trumpa pusėjimo trukme, todėl reaktoriai negali remtis natūraliomis atsargomis. Kad branduolių sintezė taptų praktiška, inžinieriai turi išauginti tritį pačiame reaktoriuje.

Druska, neutronai ir lenktynės su stygiumi

Vienas pagrindinių kandidatų šiai užduočiai yra FLiBe, išlydyta druska, sudaryta iš ličio fluorido ir berilio fluorido. Kai greitieji neutronai iš sintezės plazmos atsitrenkia į ličio branduolius FLiBe terpėje, branduolinė chemija gali sukurti tritį. Skamba paprastai. Tačiau taip nėra. Tiksli susidarančių produktų elektroninė struktūra ir molekuliniai ryšiai lemia, kaip efektyviai formuojasi tritis ir kaip lengvai jis išsiskiria, kad būtų surinktas.

Iki šiol šios mikroskopinės detalės buvo sunkiai pasiekiamos. Klasikinės simuliacijos susidurdavo su riba mėginant modeliuoti sudėtingas kvantines sąveikas, kurios reaktoriaus sąlygomis valdo ryšių stiprumą ir elektronų elgseną. Todėl kelių institucijų komanda pasirinko kitą kelią. Ji pritaikė kvantinio modeliavimo metodus, iš pradžių naudotus baltymų geometrijai vaistų tyrimuose, ir nukreipė juos į atominio mastelio branduolių sintezės medžiagų problemas.

Cleveland Clinic, Oak Ridge National Laboratory, IBM Research Thomas J. Watson Center ir Michigan State University tyrėjai paleido šiuos kvantinius modelius ir gavo netikėtą rezultatą: devynias skirtingas molekulines konfigūracijas, svarbias FLiBe ir tricio chemijai. Devynias. Ne vieną galutinį atsakymą, o trumpą stabilių kandidatų sąrašą, į kurį dabar gali orientuotis eksperimentuotojai.

Kodėl tai svarbu? Nes kiekvienas kandidatas turi skirtingą ryšių stiprumą, stabilumą ir tikėtiną tricio išeigą. Iš anksto parinkus geriausias kryptis, paieška smarkiai susiaurėja. Vietoje brangių ir daug laiko reikalaujančių bandymų karštosiose kamerose laboratorijų komandos gali teikti pirmenybę perspektyviausiai chemijai. Tai taupo lėšas ir mažina riziką.

Tai dar nėra jungiklis, kuris akimirksniu įjungtų pramoninę tricio gamybą. Darbas tebėra simuliacijų etape, o modelius būtina patvirtinti realiomis, į reaktorių panašiomis sąlygomis. Vis dėlto pokytis reikšmingas. Kvantiniai kompiuteriai iš nišinio teorinės fizikos įrankio tapo praktiniu medžiagų atradimo spartintuvu, padedančiu spręsti vieną svarbiausių mūsų laikų energetikos iššūkių.

Trumpas sakinys. Didelė reikšmė. Jei tos devynios konfigūracijos atlaikys bandymų stendo patikrą, branduolių sintezės reaktorių kūrėjai turės aiškesnį žemėlapį, kaip projektuoti tricio dauginimo apvalkalus, kurie iš tiesų tiekia kurą, o ne vien viltį. Tai būtų konkretus žingsnis link reaktorių, kurie yra ne tik galingi, bet ir savarankiškai apsirūpinantys kuru.