Реальная «узкое горлышко»
Мы привыкли говорить об энергии термоядерного синтеза так, будто это следующий счет за коммунальные услуги. Чистая. Бесконечная. Святой Грааль физики.
Но пока это не работает. В основном из-за нехватки топлива. А именно трития. Радиоактивного изотопа водорода. Редкого. Нестабильного. Он распадается за двенадцать лет.
Природа производит его в микроскопических количествах. Всего 44 фунта в год на всей планете Земля. На таком объеме реактор не запустить. Ни в коем случае.
Ученые обычно создают тритий, обстреливая нейтронами литий внутри существующих ядерных реакторов. Это работает, но с оговорками. А вот химические процессы внутри таких реакторов? Хаос. Классические суперкомпьютеры не справляются с их моделированием. Математика слишком запутана, а электроны отказываются находиться в покое.
На сцену выходит «гибридный зверь»
Команда из IBM и Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) решила пойти на хитрость. Или, возможно, совершить прорыв. Зависит от того, кого вы спросите.
Они не использовали компьютер одного типа. Они применили стратегию «стаи гиенов». Суперкомпьютер на базе ИИ (Frontier) выполнял тяжелую работу по моделированию общей структуры. А самые сложные задачи квантовой механики они передали на аутсорсинг квантовому процессору IBM Heron, расположенному в Нью-Йорке.
Это произошло 29 июня. Результаты появились на сервере препринтов arXiv. Пока еще без рецензирования, но значимые.
Что именно они моделировали? FLiBe. Жидкую соль, состоящую из фтора, лития и бериллия. Она должна служить «обкладкой» вокруг термоядерной реакции. Она защищает стенки реактора и рождает больше трития при попадании нейтронов. На бумаге звучит отлично.
Проблема в том, что тритий капризен.
Химическая проблема
Тритий может связаться с фтором. Дурная весть. Получится фторид трития. Он коррозионно-активен и упрям. Он прилипает. Его трудно очистить.
Или тритий может связаться сам с собой. Хорошая новость. Он выделяется в виде газа. Его собирают.
Что происходит на самом деле? Мы не знали этого точно. Точность, необходимая для предсказания этих атомных взаимодействий, превосходит возможности стандартных серверов. Исследователи сами признали это. Классические методы оказываются недостаточными.
«Если тритий связывается с фтором… он становится коррозионно-активным и упрямым. Для предсказания этого необходимо с высокой точностью моделировать их взаимодействие.»
Поэтому они разбили вычисление на части. Техника называется встраивание на основе волновых функций. Кеннет Мерц из Кливлендской клиники помог заложить основы этого метода. Недавно он использовал схожие подходы для картирования белка, состоящего более чем из 12 000 атомов. Теперь они применили его к расплавленной соли.
ИИ предлагает кандидатные соли из базы данных. Суперкомпьютер моделирует их структуру, используя теорию функционала плотности (DFT). Эта часть процесса дорогая и медленная, поэтому ИИ-заменители ускоряют её. Наконец, квантовый компьютер проверяет места связывания. То самое место, где DFT дает сбои.
Подтверждение концепции
Они протестировали модель. Они сравнили свою гибридную модель с известными классическими решениями.
Совпало ли? Да. Точность сохранилась.
Это огромный прорыв. Если FLiBe работает так, как задумано, морская вода может стать неограниченным источником топлива. Дейтерий берется из воды. Тритий рождается в солевой обкладке. Для старта нужны лишь небольшие запасы. Один грамм смеси дейтерия и трития эквивалентен примерно 240 галлонам нефти.
Четыре раза больше энергии, чем у современной ядерной физики. В миллионы раз больше, чем у угля.
Инженерные преграды все еще существуют. Токамаки с магнитным удержанием капризны. Удержание плазмы в стабильном состоянии — это настоящее искусство. Но этот шаг устраняет одну слепую зону. Теперь мы знаем, как ведет себя тритий. Осталось лишь создать оборудование, способное выдержать жару.
Мерц и его команда планируют в дальнейшем моделировать более крупные системы. Они хотят проверить, может ли ИИ сократить процесс открытия на месяцы. Или даже на годы.
Почему это важно?
Потому что нам нужна энергия. Старая энергосеть сжигает уголь. Новая обещает солнце и ветер, но сталкивается с проблемами хранения. Термоядерный синтез — это мост. Он просто ждет, пока мы разберемся с химией.
Теперь у нас есть инструменты. Компьютер не дал нам готовый реактор. Но он дал нам карту. И впервые пункт назначения выглядит достижимым.
