Исследователи из Окриджской национальной лаборатории (ORNL), Кливлендской клиники и IBM первыми в мире задействовали квантовые мощности для моделирования термоядерного топлива. Они рассчитали молекулярную структуру материала, от которого зависит будущее чистой энергетики.
В центре внимания оказалась FLiBe — расплавленная соль из фтора, лития и бериллия. Физики делают на неё главную ставку: именно в этой среде планируют производить и накапливать тритий. Этот изотоп водорода — основа топливного цикла для большинства строящихся термоядерных установок.
Команда смоделировала девять молекулярных состояний FLiBe. Для этого учёные объединили классические суперкомпьютеры с квантовыми процессорами. Традиционные алгоритмы с такой вычислительной нагрузкой уже не справляются.
Теперь физики детально видят, как тритий взаимодействует с расплавленной солью на уровне атомов. Эти расчёты лягут в основу новых реакторов и помогут кратно увеличить выработку дефицитного топлива.
Проблема дефицита топлива
Нехватка трития — главный тормоз коммерческого термоядерного синтеза. В природе изотопа почти нет, поэтому будущим станциям придётся нарабатывать его самостоятельно.
Реакторы будут буквально окружать оболочкой из расплавленной соли FLiBe, которая и станет своеобразной «фабрикой» по производству топлива.
Квантовые системы идеально подходят для анализа электронов — именно они отвечают за атомные связи. Удивительно, но для работы с солью физики взяли алгоритм из биологии. Ранее с его помощью успешно моделировали сложнейшие белки из десятков тысяч атомов, а теперь метод адаптировали под нужды материаловедения.
Масштаб проекта впечатляет. Как отмечает Том Бек из Директората вычислительных наук ORNL, над оптимизацией производства трития бьётся целый консорциум. В него вошли эксперты из семи лабораторий Минэнерго США, четырёх университетов и трёх крупных корпораций.
По словам Бека, синергия квантовых машин IBM, искусственного интеллекта и классических экзафлопсных вычислений — единственный надёжный способ радикально ускорить научные открытия и проектирование новых материалов.
Развитие гибридных технологий
Расчёты шли в гибридном формате. Квантовые чипы брали на себя самые ресурсоёмкие блоки задачи, а классические суперкомпьютеры обрабатывали остальные данные.
Так, учёные смогли вычислить электронную структуру FLiBe до и после добавления трития, а также измерить силу связей в топливе. Выполнить такие тонкие замеры на атомном уровне обычными методами аппроксимации просто невозможно.
Соавтор работы Кеннет Мерц из Кливлендской клиники подтверждает: перенос биологических алгоритмов в физику полностью себя оправдал.
В ближайших планах консорциума — ускорить обмен данными между квантовыми и классическими узлами, а также взять в работу более масштабные молекулярные системы.
Вскоре этот алгоритм станет доступен коммерческим стартапам: создатели новых термоядерных установок смогут самостоятельно тестировать материалы для своих реакторов.
источник:https://dzen.ru/a/alDFbZSdZ3fZV2ut
