Kvantdator modellerar fusionsbränslematerial för första gången – viktigt steg mot framtidens fusionskraft

Forskare har för första gången använt en kvantdator för att modellera flera molekylära strukturer hos ett av de viktigaste materialen för framtidens fusionsreaktorer. Genombrottet kan ge forskare en betydligt djupare förståelse för hur materialet beter sig på atomnivå och på sikt bidra till effektivare produktion av fusionsbränsle.

Studien fokuserar på det smälta saltet FLiBe, en blandning av fluor, litium och beryllium som betraktas som ett av de mest lovande materialen för att producera det radioaktiva bränslet tritium i framtida fusionskraftverk. Resultaten visar hur kvantdatorer kan användas för att lösa materialproblem som är mycket svåra för även dagens kraftfullaste superdatorer.

Nytt verktyg för fusionsteknik

Kärnfusion beskrivs ofta som framtidens energikälla eftersom processen kan producera enorma mängder energi utan de koldioxidutsläpp som uppstår vid förbränning av fossila bränslen.

Ett av de största tekniska hindren är dock att producera och hantera tritium, en väteisotop som tillsammans med deuterium används som bränsle i de flesta planerade fusionsreaktorer.

Här spelar FLiBe en central roll. Materialet fungerar både som kylmedel och som ett så kallat ”breeding blanket”, där neutroner från fusionen reagerar med litium och bildar nytt tritium som sedan kan återanvändas som bränsle. För att optimera denna process behöver forskarna förstå materialets kemi i detalj – något som hittills varit mycket svårt att beräkna.

Nio molekylära konfigurationer beräknades

Forskargruppen, som består av forskare från Oak Ridge National Laboratory, Cleveland Clinic och IBM, använde kvantdatorer tillsammans med avancerad superdatorberäkning för att analysera nio olika molekylära konfigurationer av FLiBe.

Det är första gången som denna typ av kvantkemiska beräkningar har genomförts för materialet.

Forskarna använde en så kallad kvantcentrerad superdatorstrategi, där kvantdatorn löser de mest beräkningskrävande delarna medan traditionella superdatorer hanterar övriga moment. På så sätt utnyttjas styrkorna hos båda typerna av datorer.

Kvantdatorer passar atomnivån

Kemiska processer på atomnivå följer kvantmekanikens lagar, vilket gör dem mycket svåra att simulera med vanliga datorer när systemen blir stora.

Kvantdatorer arbetar däremot själva enligt kvantmekaniska principer och kan därför i många fall beskriva molekylers elektroniska struktur betydligt effektivare.

Forskarna menar att just materialforskning är ett av de områden där kvantdatorer kan få störst praktisk betydelse under de kommande åren.

Kan påskynda utvecklingen av fusionskraft

Mer detaljerade modeller av FLiBe kan hjälpa forskare att bättre förstå hur materialet förändras under de extrema temperaturer och neutronflöden som råder i en fusionsreaktor.

Den kunskapen kan i sin tur användas för att utveckla mer hållbara material, effektivare tritiumproduktion och säkrare reaktorer.

Även om kommersiell fusion fortfarande ligger flera år fram i tiden betraktas förbättrade materialmodeller som en viktig pusselbit för att tekniken ska bli praktiskt genomförbar.

Visar kvantdatorernas växande möjligheter

Studien är också ett exempel på hur kvantdatorer börjar användas för verkliga vetenskapliga problem utanför rena demonstrationsprojekt.

Forskarna bakom arbetet använder redan samma kvantcentrerade beräkningsmetoder för betydligt större system, bland annat simuleringar av proteiner med över 12 000 atomer. Erfarenheterna från dessa projekt kan på sikt bana väg för nya genombrott inom materialvetenskap, kemi, läkemedelsutveckling och energiforskning.

Även om dagens kvantdatorer fortfarande har begränsningar visar resultaten att tekniken snabbt blir ett allt viktigare komplement till traditionell högpresterande superdatorberäkning – särskilt inom områden där atomära och molekylära processer står i centrum.