Реальна «вузька шийка»
Ми звикли говорити про енергію термоядерного синтезу так, ніби це наступний рахунок за комунальні послуги. Чиста. Нескінченна. Святий Грааль фізики.
Але поки що це не працює. В основному через брак палива. А саме трітія. Радіоактивного ізотопу водню. Рідкісного. Нестабільний. Він розпадається за дванадцять років.
Природа виробляє їх у мікроскопічних кількостях. Усього 44 фунти на рік на всій планеті Земля. На такому обсязі реактор не запустити. У жодному разі.
Вчені зазвичай утворюють тритій, обстрілюючи нейтронами літій усередині існуючих ядерних реакторів. Це працює, але із застереженнями. А ось хімічні процеси усередині таких реакторів? Хаос. Класичні суперкомп’ютери не справляються з їх моделюванням. Математика занадто заплутана, а електрони відмовляються перебувати у спокої.
На сцену виходить «гібридний звір»
Команда з IBM та Національної лабораторії Оук-Рідж (ORNL) вирішила піти на хитрість. Або, можливо, зробити прорив. Залежить від того, кого ви запитаєте.
Вони не використовували комп’ютер одного типу. Вони застосували стратегію «зграї гієнів». Суперкомп’ютер з урахуванням ІІ (Frontier) виконував важку роботу з моделювання загальної структури. Найскладніші завдання квантової механіки вони передали на аутсорсинг квантовому процесору IBM Heron, розташованому в Нью-Йорку.
Це сталося 29 червня. Результати з’явилися на сервері препринтів arXiv. Поки що без рецензування, але значущі.
Що саме вони моделювали? FLiBe. Рідку сіль, що складається з фтору, літію та берилію. Вона має бути «обкладкою» навколо термоядерної реакції. Вона захищає стінки реактора і народжує більше тритію при попаданні нейтронів. На папері звучить чудово.
Проблема в тому, що тритій примхливий.
Хімічна проблема
Тритій може зв’язатися із фтором. Погана звістка. Вийде фторид тритію. Він корозійно активний і впертий. Він прилипає. Його важко очистити.
Або тритій може зв’язатися сам із собою. Гарна новина. Він виділяється як газу. Його збирають.
Що відбувається насправді? Ми не знали цього точно. Точність, необхідна передбачення цих атомних взаємодій, перевищує можливості стандартних серверів. Дослідники самі визнали це. Класичні методи виявляються недостатніми.
«Якщо тритій пов’язують із фтором… він стає корозійно-активним і впертим. Для передбачення цього необхідно з високою точністю моделювати їхню взаємодію.»
Тож вони розбили обчислення на частини. Техніка називається вбудовування на основі хвильових функцій. Кеннет Мерц із Клівлендської клініки допоміг закласти основи цього методу. Нещодавно він використовував подібні підходи для картування білка, що складається з більш ніж 12 000 атомів. Тепер вони застосували його до розплавленої солі.
ІІ пропонує кандидатні солі з бази даних. Суперкомп’ютер моделює їхню структуру, використовуючи теорію функціоналу щільності (DFT). Ця частина процесу дорога та повільна, тому ІІ-замінники прискорюють її. Нарешті квантовий комп’ютер перевіряє місця зв’язування. Те місце, де DFT дає збої.
Підтвердження концепції
Вони протестували модель. Вони порівняли свою гібридну модель із відомими класичними рішеннями.
Чи збіглося? Так. Точність збереглася.
Це величезний прорив. Якщо FLiBe працює так, як задумано, морська вода може стати необмеженим джерелом палива. Дейтерій береться із води. Тритій народжується у сольовій обкладці. Для старту потрібні лише невеликі запаси. Один грам суміші дейтерію і тритію еквівалентний приблизно 240 галонів нафти.
Чотири рази більше енергії, ніж у сучасної ядерної фізики. У мільйони разів більше, ніж біля вугілля.
Інженерні перепони досі існують. Токамаки з магнітним утриманням примхливі. Утримання плазми у стабільному стані – це справжнє мистецтво. Але цей крок усуває одну сліпу зону. Тепер ми знаємо, як поводиться тритій. Залишилося лише створити обладнання, здатне витримати спеку.
Мерц та його команда планують надалі моделювати більші системи. Вони хочуть перевірити, чи може ІІ скоротити процес відкриття на місяці. Або навіть на роки.
Чому це важливо?
Тому що нам потрібна енергія. Стара енергомережа спалює вугілля. Нова обіцяє сонце та вітер, але стикається з проблемами зберігання. Термоядерний синтез – це міст. Він просто чекає, доки ми розберемося з хімією.
Тепер ми маємо інструменти. Комп’ютер не дав готовий реактор. Але він дав нам картку. І вперше пункт призначення видається досяжним.
