ORNL США совместно с IBM впервые использовали квантовые вычисления для моделирования поведения трития в термоядерных материалах

Репортаж от Wedoany，Окриджская национальная лаборатория США (ORNL) совместно с IBM Quantum, Кливлендской клиникой и другими организациями опубликовала статью, в которой впервые применила квантовые вычисления для расчета электронной структуры химического поведения трития в ключевом материале термоядерного бланкета FLiBe, продемонстрировав способность квантово-классической гибридной вычислительной платформы проводить высокоточное моделирование таких сложных систем.

Современные основные магнитные термоядерные установки в основном полагаются на реакцию дейтерий-тритий (D-T). В статье отмечается, что термоядерная электростанция мощностью 1 ГВт потребляет около 0,5 кг трития в день, в то время как мировые запасы трития составляют около 25 кг. Для коммерческого термоядерного синтеза в будущем потребуется наработка трития из лития в бланкете с помощью нейтронных реакций и его эффективное извлечение для повторной инжекции в плазму. Таким образом, понимание процессов образования, миграции и связывания трития в материалах бланкета является ключевой проблемой термоядерной инженерии.

Расплавленная соль FLiBe (LiF-BeF₂) считается важным перспективным материалом для передовых термоядерных реакторов. Она содержит литий, который может производить тритий в результате нейтронных реакций, а ее жидкое состояние позволяет одновременно выполнять функции теплопередачи и воспроизводства топлива. Однако в высокотемпературной среде расплавленной соли тритий может существовать в различных формах: ионы трития (T⁺), молекулы трития (T₂) или сложные структуры с фтором (F-T-F). Эти формы напрямую влияют на время удержания трития, эффективность его извлечения и стоимость цикла.

Моделирование поведения трития в FLiBe является вычислительной проблемой. Традиционные методы, такие как теория функционала плотности (DFT), моделирование молекулярной динамики (MD) и машинно-обучаемые потенциальные функции (MLFF), имеют ограничения по точности при работе со сложными молекулами расплавленных солей, содержащих тритий, и заряженными ионными кластерами — системами с сильной электронной корреляцией. Более точные методы, такие как полное конфигурационное взаимодействие (FCI) или метод связанных кластеров, имеют экспоненциально растущую вычислительную стоимость с увеличением размера системы, что делает их неприменимыми для реальных термоядерных материалов.

Данное исследование опубликовано на платформе препринтов arXiv под названием «Квантовые вычисления для расплавленных солей термоядерного бланкета» (Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts). Исследователи сосредоточились на механизмах связывания трития с материалами бланкета, используя квантово-классическую вычислительную платформу с встроенной волновой функцией для расчета девяти различных молекулярных конфигураций FLiBe. Вместо прямого моделирования макроскопического бланкета они применили алгоритм «расширенной выборки на основе квантовой диагонализации» (ext-SQD), передавая сложные фрагменты для решения квантовому процессору IBM Heron, и в конечном итоге сравнили результаты с высокоточными классическими расчетами FCI.

Результаты показали, что отклонение квантового метода ext-SQD от результатов FCI составляет около 0,7 ккал/моль, а среднее абсолютное отклонение — около 0,3 ккал/моль. Это первая в отрасли успешная верификация квантово-классических вычислений для систем с заряженными ионами, особенно для неорганических расплавленных солей.

Это исследование знаменует собой переход от традиционной модели разработки термоядерных материалов, основанной на экспериментальных пробах и ошибках, к этапу вычислительного дизайна материалов на основе высокопроизводительных вычислений, моделей ИИ и квантовых вычислений. Ранее разработка материалов бланкета опиралась на длительный цикл «экспериментальные пробы и ошибки — нейтронное облучение — оценка макроскопических свойств». В будущем, благодаря интеграции высокопроизводительных вычислений, ИИ и квантовых вычислений, исследователи смогут с высокой точностью прогнозировать пригодность комбинаций расплавленных солей для высвобождения трития на атомном и даже квантовом уровне. В то же время исследование показывает, что проблема топливного цикла трития переходит от макроскопической системной инженерии к фундаментальной проблеме материаловедения.

Данная статья открывает технологический путь для применения квантовых вычислений в исследованиях термоядерных материалов. В то же время исследование отмечает, что современные масштабы квантовых вычислений пока недостаточны для охвата инженерных ситуаций макроскопического уровня, и в будущем потребуются дальнейшие прорывы в создании более крупных квантовых вычислительных систем и базовых алгоритмов. Междисциплинарное сотрудничество ORNL, IBM Quantum и Кливлендской клиники предлагает многообещающее направление технологической интеграции.