رایانش کوانتومی، نقشه تازه تولید تریتیوم در همجوشی

حمامی از نمک مذاب درخشان را تصور کنید که دیواره داخلی یک رآکتور همجوشی را پوشانده است، بی‌صدا ضربه نوترون‌های پرانرژی را جذب می‌کند و آن‌ها را به سوختی تبدیل می‌کند که رآکتور به آن نیاز خواهد داشت. این تصویر دیگر فقط داستان علمی تخیلی نیست. اکنون به طرح محوری یک همکاری تازه تبدیل شده که با استفاده از رایانه‌های کوانتومی، مسیر تولید تریتیوم در مقیاس بزرگ را از نو ترسیم کرده است.

طرح‌های تجاری همجوشی، به‌ویژه توکامک‌ها، تقریبا همیشه برای سوزاندن دوتریوم و تریتیوم برنامه‌ریزی می‌شوند. دوتریوم همه‌جا هست و در آب دریا حل شده است. اما تریتیوم ماجرای دیگری دارد. این ماده پرتوزا است، روی زمین کمیاب است و نیمه‌عمر کوتاهی دارد، بنابراین رآکتورها نمی‌توانند به ذخایر طبیعی آن تکیه کنند. برای عملی شدن انرژی همجوشی هسته‌ای، مهندسان باید تریتیوم را درون خود رآکتور تولید کنند.

نمک، نوترون‌ها و رقابتی با کمیابی

یکی از گزینه‌های اصلی برای این کار، فلی‌ب است؛ نمک مذابی ساخته‌شده از لیتیوم فلورید و بریلیم فلورید. وقتی نوترون‌های سریعِ برخاسته از پلاسمای همجوشی به هسته‌های لیتیوم درون فلی‌ب برخورد می‌کنند، شیمی هسته‌ای می‌تواند تریتیوم تولید کند. ساده به نظر می‌رسد، اما این‌طور نیست. ساختار الکترونی دقیق و پیوندهای مولکولی محصولات تعیین می‌کنند که تریتیوم با چه بازدهی تشکیل شود و با چه سهولتی برای جمع‌آوری از محیط خارج شود.

تا امروز، این جزئیات میکروسکوپی سرسختانه دور از دسترس بودند. شبیه‌سازی‌های کلاسیک هنگام مدل‌سازی برهم‌کنش‌های پیچیده کوانتومی که استحکام پیوندها و رفتار الکترون‌ها را در شرایط رآکتور کنترل می‌کنند، به بن‌بست می‌رسیدند. به همین دلیل، یک گروه چندنهادی مسیر متفاوتی را انتخاب کرد. آن‌ها روش‌های شبیه‌سازی کوانتومی را که در اصل برای بررسی هندسه پروتئین در پژوهش‌های دارویی به کار می‌رفت، بازطراحی کردند و آن‌ها را برای مسائل اتم‌مقیاس مواد همجوشی آموزش دادند.

پژوهشگرانی از کلینیک کلیولند، آزمایشگاه ملی اوک ریج، مرکز پژوهشی آی‌بی‌ام در مرکز توماس جی. واتسون و دانشگاه ایالتی میشیگان این مدل‌های کوانتومی را اجرا کردند و با نتیجه‌ای غیرمنتظره بازگشتند: ۹ آرایش مولکولی متمایز که به فلی‌ب و شیمی تریتیوم مربوط می‌شوند. ۹ مورد. نه یک پاسخ واحد، بلکه فهرستی کوتاه از نامزدهای پایدار که آزمایشگران اکنون می‌توانند آن‌ها را هدف بگیرند.

چرا این موضوع مهم است؟ زیرا هر نامزد، قدرت پیوند، پایداری و بازده احتمالی متفاوتی برای تریتیوم دارد. انتخاب بهترین مسیرها از پیش، دامنه جست‌وجو را به‌شدت محدود می‌کند. به‌جای آزمون و خطای پرهزینه و زمان‌بر در آزمایش‌های سلول داغ، تیم‌های آزمایشگاهی می‌توانند امیدوارکننده‌ترین شیمی‌ها را در اولویت قرار دهند. این کار هم هزینه را کاهش می‌دهد و هم ریسک را کم می‌کند.

این دستاورد کلیدی نیست که بلافاصله تولید صنعتی تریتیوم را روشن کند. کار هنوز در مرحله شبیه‌سازی است و مدل‌ها باید در شرایط واقعی و مشابه رآکتور اعتبارسنجی شوند. با این حال، این تغییر معنادار است. رایانش کوانتومی از ابزاری تخصصی در فیزیک نظری، به شتاب‌دهنده‌ای عملی برای کشف مواد در یکی از فوری‌ترین چالش‌های انرژی عصر ما تبدیل شده است.

جمله کوتاه است. پیامدش بزرگ. اگر این ۹ پیکربندی از آزمون‌های آزمایشگاهی سربلند بیرون بیایند، طراحان همجوشی نقشه روشن‌تری برای ساخت پتوهای زاینده خواهند داشت؛ سامانه‌هایی که واقعا سوخت تولید کنند، نه فقط امید. و این گامی ملموس به سوی رآکتورهایی خواهد بود که نه‌تنها قدرتمندند، بلکه خودپایدار نیز هستند.