یکی از موانع اصلی در بهرهبرداری از انرژی همجوشی هستهای، منبع سوخت آن است.
اکثر راکتورهای همجوشی پیشنهادی (راکتورهای توکامک به شکل دونات) با همجوشی تریتیوم و دوتریوم کار میکنند.
هر دو ایزوتوپهای هیدروژن هستند، اما تریتیوم رادیواکتیو و دوتریوم پایدار است.
واکنش همجوشی بین این دو ایزوتوپ یک هسته هلیوم، یک نوترون آزاد و ۱۷.۶ مگا الکترون ولت انرژی تولید میکند. این ترکیب به لحاظ همجوشی دارای نرخ واکنش بسیار بالا و بازده انرژی بسیار بالایی است.
متأسفانه، تریتیوم تقریباً در زمین وجود ندارد.
تنها جایی که شناخته شده است که به طور طبیعی وجود دارد، در جو است، جایی که توسط تعامل با پرتوهای کیهانی تولید میشود. حتی در آنجا نیز فقط در مقادیر جزئی وجود دارد.
با این حال، اگر دانشمندان بتوانند راهی مؤثر برای “پرورش” تریتیوم پیدا کنند، میتواند به منبع انرژی قابلقبولتری تبدیل شود.
اکنون، برای اولین بار، سوپرکامپیوترهای متمرکز بر کوانتوم برای شناسایی نه پیکربندی از مادهای که برای پرورش تریتیوم استفاده میشود، به کار رفتهاند – این شواهد جدید نشان میدهد که این شبیهسازیهای پیشرفته میتوانند به فیزیکدانان کمک کنند تا یکی از بزرگترین موانع همجوشی را از بین ببرند.
حامیان انرژی همجوشی میگویند که این یک منبع انرژی “پاک” است، زیرا مانند سوختهای فسیلی گازهای گلخانهای آزاد نمیکند و پسماند رادیواکتیو بسیار کمتری نسبت به همتای بحثبرانگیز خود، شکافت هستهای تولید میکند.
اما تا به حال، همجوشی در حال دست و پنجه نرم کردن برای شروع بوده است، با موانع تکنولوژیکی که تاکنون آن را به محیطهای آزمایشگاهی محدود کرده است.
تنها در پایان سال ۲۰۲۲ بود که دانشمندان در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور ایالات متحده به “نقطه تعادل” برای همجوشی دست یافتند، به این معنی که انرژی بیشتری در یک واکنش همجوشی تولید شد نسبت به آنچه که برای شروع آن نیاز بود.
سابقههای جدیدی نیز به تازگی در حفظ پلاسما داغ مورد نیاز ثبت شده است: ۱۳۳۷ ثانیه.
اما اگر همجوشی آینده واقعی داشته باشد، دانشمندان باید مشکل تریتیوم را حل کنند.
محققان در کلینیک کلیولند، آزمایشگاه ملی اوک ریج، مرکز تحقیقات IBM T.J. Watson و دانشگاه ایالت میشیگان اکنون به سوپرکامپیوترها روی آوردهاند.
به طور خاص، آنها از یک تکنیک سوپرکامپیوتری متمرکز بر کوانتوم استفاده کردهاند که کلینیک کلیولند برای شبیهسازی پیکربندیهای پروتئینی استفاده کرده است.
“کامپیوترهای کوانتومی… ابزارهای کلیدی هستند که چرخههای کشف و طراحی لازم برای تولید تریتیوم کافی برای سوخت راکتورهای همجوشی را تسریع میکنند،” تام بک، شیمیدان محاسباتی آزمایشگاه ملی اوک ریج توضیح میدهد.
این کامپیوترهای قدرتمند نه پیکربندی مولکولی مختلف از مادهای به نام FLiBe، یک نمک مذاب ساخته شده از فلورید لیتیوم و فلورید بریلیوم، ارائه کردهاند.
FLiBe یک نامزد اصلی برای تولید تریتیوم است: درون یک راکتور همجوشی، این ماده “پوشش پرورشدهنده” را فراهم میکند که در آن تریتیوم تحت دماهای بسیار بالا تشکیل میشود.
تا کنون، این تحقیق بیشتر در مورد این است که آیا میتوان به کامپیوترهای کوانتومی اعتماد کرد تا به حل این مشکل کمک کنند. نتایج امیدوارکننده هستند، اما این بدان معنا نیست که محققان هنوز تولید واقعی تریتیوم را کشف کردهاند.
در حال حاضر، سوپرکامپیوترها فقط شبیهسازی انجام میدهند. آنها هنوز باید در آزمایشگاه آزمایش شوند.
اما این فرآیند به محققان کمک کرده است تا درک بهتری از ساختار الکترونیکی FLiBe، رفتار اتمی و قدرت پیوند مولکولی درون تریتیومی که ممکن است از هر پیکربندی به وجود آید، پیدا کنند.
این به این معنی است که دانشمندان همجوشی میتوانند از این روند برای شناسایی پیکربندیهایی که ارزش بررسی دارند استفاده کنند قبل از اینکه آنها را در دنیای واقعی آزمایش کنند و از هدر رفتن زمان بر روی آزمایشات دشوار و پرهزینه که به هیچجا نمیرسند، جلوگیری کنند.
“این نتایج به شواهد فزایندهای اضافه میشود که سوپرکامپیوترهای متمرکز بر کوانتوم اکنون یک ابزار علمی عملی برای مشکلاتی هستند که مدتها شیمیدانها، مهندسان و دانشمندان مواد را به چالش کشیدهاند،” میگوید جری چاو، محقق کوانتوم کامپیوتر آزمایشی در IBM.
“با گسترش کامپیوترهای کوانتومی، مسیر پیش رو امیدوارکننده است.”
