Революція у Термоядерній Енергетиці: Квантові Обчислення та Суперкомп’ютери Разом Відкривають Нові Горизонти

(Фото: Bartlomiej Wroblewski через Getty Images)

• Facebook
• X
• Reddit
• Pinterest
• Flipboard

Вчені здійснили прорив у моделюванні фізики термоядерних реакторів, об’єднавши потужності квантового комп’ютера та суперкомп’ютера. Це пілотне дослідження, перше у своєму роді у світі, може відкрити шлях до створення чистого та майже невичерпного джерела ядерної енергії, допомагаючи вирішити глобальну енергетичну кризу. Використовуючи гібридний підхід, що поєднує квантові обчислення та штучний інтелект (ШІ), фахівці з IBM та Національної лабораторії Ок-Рідж (ORNL) розробили модель виробництва тритію — надзвичайно рідкісного ізотопу водню, критично важливого для термоядерного синтезу. Хоча результати дослідження, опубліковані 29 червня на препринтовому сервері arXiv, ще не пройшли рецензування, дослідники стверджують, що це перший випадок, коли різнорідні обчислювальні ресурси були задіяні для визначення найефективнішого способу отримання цього матеріалу. Термоядерні реактори — це експериментальні джерела енергії, що генерують її шляхом злиття атомних ядер. Тепло, що виділяється під час реакції, потім перетворюється на електроенергію. Цей метод не виробляє вуглецевих викидів або довгоживучих радіоактивних відходів, що робить його однією з найчистіших потенційних форм масового виробництва енергії. За прогнозами, один термоядерний реактор у масштабі зможе виробляти приблизно в 4 мільйони разів більше енергії, ніж вугільна електростанція, і приблизно в чотири рази більше енергії, ніж сучасний ядерний реактор на основі поділу. Поточні спроби створення ефективного термоядерного реактора призвели до численних лабораторних експериментів, які підтверджують працездатність технології. Реактори з магнітним утриманням, такі як токамаки, вважаються лідерами у цій галузі. Однак, перш ніж перші комерційні реактори зможуть запрацювати, залишається вирішити ще багато інженерних завдань.

Перетворення Морської Води на Паливо

Базовим паливом для термоядерних реакторів є ізотоп водню — дейтерій, який доволі поширений у морській воді. За оцінками, в одному кубічному метрі морської води міститься близько 33 грамів дейтерію. Проте дейтерій — це лише половина рівняння. Для ядерного синтезу також потрібен тритій — важчий ізотоп водню. Енергія, що вивільняється від злиття лише 1 грама палива дейтерій-тритій, дорівнює енергії приблизно 9100 літрів нафти, за даними Міністерства енергетики США. На жаль, тритій, радіоактивний ізотоп, надзвичайно рідкісний. Щорічно на Землі його виробляється лише близько 20 кілограмів, а його період напіврозпаду (12 років) ускладнює його використання на атомних електростанціях. Натомість вчені змушені ретельно виробляти тритій у ядерних реакторах, бомбардуючи атоми літію нейтронами. Потім він нагрівається та утримується потужними магнітами у вихровому плазмовому кільці всередині токамака — спеціальної термоядерної камери, призначеної для формування та нагрівання плазми за допомогою магнітних полів.

(Зображення: Designua | Shutterstock) Потім вчені додають більше дейтерію та “зіштовхують” тритій і дейтерій, змушуючи їх зливатися в гелій. Сила цієї реакції створює тепло, яке перетворюється на енергію. Наразі головною перешкодою є виробництво достатньої кількості тритію для підтримки реакції синтезу протягом достатнього часу, щоб генерувати енергію. Однак моделювання процесів взаємодії частинок та хімічних реакцій, що відбуваються під час утворення тритію, виявилося складнішим завданням для класичних суперкомп’ютерів. У новому дослідженні вчені, однак, стверджують, що подолали цю проблему, симулюючи дев’ять молекулярних конфігурацій рідкої солі, що містить фтор, літій та берилій (FLiBe) — одного з провідних кандидатів матеріалів для вилучення тритію. Це вперше, коли квантові комп’ютери були використані для моделювання реакцій всередині термоядерного реактора. Якщо цей підхід буде вдосконалений, FLiBe може стати майже невичерпним джерелом палива для термоядерних реакторів, але хімічні процеси, що беруть участь у його отриманні, надзвичайно складні.

Розгадування Таємниць Складної Хімії

“Ковдра з розплавленої солі” з FLiBe, як пояснюють дослідники IBM, огортає ядерну реакцію всередині реактора, забезпечуючи як джерело палива, так і теплове екранування пристрою. Для отримання достатньої кількості тритію вченим довелося розрахувати фізичні процеси, що відбуваються під час “нейтронного бомбардування”, яке постійно змінює хімічний склад “ковдри”. Розробка солі, яка витримує конкуруючі вимоги та продовжує вивільняти тритій, є ключовим завданням у створенні такого типу реактора. “Якщо тритій зв’язується з фтором у солі, утворюється фторид тритію, який є корозійним і важко видаляється”, — пояснюють дослідники. “Якщо він зв’язується з іншим атомом тритію, утворюючи газ, він виділяється самостійно. Передбачення того, як піде реакція, означає моделювання взаємодії між тритієм і сіллю з високою точністю, що є складним завданням для класичних методів”. Оскільки жоден звичайний комп’ютер не може виконати необхідні обчислення, команда використала комбінацію ШІ, що працював на суперкомп’ютері Frontier у ORNL, разом із квантовими обчислювальними алгоритмами, що виконувалися на квантовому процесорному блоці IBM Quantum Heron (QPU) у Нью-Йорку. Отриманий робочий процес продемонстрував концепцію передачі складних хімічних обчислень на квантовий комп’ютер. Цей робочий процес базувався на техніці, відомій як “вбудовування на основі хвильової функції”, яка фрагментує обчислення на менші, простіші для розрахунку кластери. Вчені використовували класичні комп’ютери для розв’язання менших кластерів і передавали складніші частини квантовому комп’ютеру. Потім класичні комп’ютери “зшивали” молекулу назад. Цей метод раніше був розроблений одним зі співавторів дослідження, біохіміком Кеннетом Мерзом, який також є головним дослідником у Cleveland Clinic Research. Раніше цього року у співпраці з IBM та японським національним дослідницьким інститутом RIKEN він використовував квантові комп’ютери для розрахунку структури білка з 12 635 атомів.

Поєднання Квантових Технологій та ШІ

У новому дослідженні вчені протестували свою модель на відомих молекулярних конфігураціях, які вже були розв’язані невикористовуючи гібридний класичний підхід, і виявили, що точність зберігалася з додаванням квантових обчислень. Ця перевірена концепція має слугувати прямим шляхом для масштабування моделей, що використовуються для прогнозування виробництва тритію в термоядерних реакторах, потенційно вирішуючи найбільшу перешкоду на шляху до великомасштабного виробництва термоядерної енергії. Ширший робочий процес, описаний вченими у технічному блозі, складався з трьох етапів. По-перше, агенти ШІ пропонували та відбирали численні кандидатські солі з бази даних ORNL, і для кожного кандидата розрахунки оцінювали різні якості процесу виробництва тритію, включаючи кількість палива, яке сіль вироблятиме під нейтронним бомбардуванням.
• Вчені навчили модель ШІ за допомогою квантового комп’ютера IBM — і вона правильно відповіла на запитання, які не могла розв’язати базова модель.
• Новий центр обробки даних вперше частково працюватиме на клітинах людського мозку.
• Зустрічайте найменший у світі ШІ-суперкомп’ютер — його творці стверджують, що він має “інтелект рівня доктора наук” і поміщається у кишеню. Найперспективніші солі потім передавалися на суперкомп’ютер, який моделював їх атом за атомом, використовуючи метод теорії функціоналу густини (DFT) для наближеного визначення розташування електронів у молекулі. Це дорогі симуляції, тому вчені використовували “замінники ШІ”, навчені відтворювати фізику, для їх швидкого виконання. Третій етап залучав квантовий комп’ютер для визначення місць зв’язування тритію, що є слабким місцем DFT. У майбутньому команда дослідників буде моделювати більші системи з розплавлених солей та вивчатиме більше молекулярних конфігурацій, перш ніж оцінювати, чи зможе ШІ скоротити час, необхідний для пошуку перспективного матеріалу з розплавленої солі. Ширша мета, як розповіли вчені Live Science, полягає у створенні надійного обчислювального шляху для відкриття матеріалів для термоядерного синтезу, який допоможе дослідникам прогнозувати, наскільки добре матеріал “ковдри” виробляє тритій, чи можна цей тритій вилучити, і як матеріал поводитиметься в екстремальних умовах термоядерного реактора. Чи зможете ви зіставити ці стародавні пристрої з їхніми зображеннями? Дізнайтеся за допомогою нашої вікторини з обчислень! ТЕМИ ***

Порада від Business News:

Ця новина є надзвичайно важливою для всіх, хто цікавиться майбутнім енергетики. Відкриття нового методу моделювання процесів у термоядерних реакторах за допомогою квантових комп’ютерів та ШІ може прискорити розробку чистого та майже невичерпного джерела енергії. Це означає потенційно нижчі ціни на енергоносії та значний крок до вирішення проблеми зміни клімату.

Sourse: www.livescience.com