تحدد أجهزة الكمبيوتر الكمومية كيمياء وقود الاندماج النووي في التخصص الأول: ScienceAlert

عائق كبير أمام تسخير الطاقة عبر الاندماج النووي هو مصدر الوقود.

يتم تشغيل معظم مفاعلات الاندماج المقترحة (مفاعلات توكاماك على شكل كعكة الدونات) عن طريق اندماج التريتيوم والديوتيريوم.

كلاهما نظير للهيدروجين، لكن التريتيوم مشع، والديوتيريوم مستقر.

وينتج عن تفاعل الاندماج بين هذين النظيرين نواة هيليوم واحدة، ونيوترون سائب، و17.6 ميجا إلكترون فولت. وفيما يتعلق بالاندماج، فإن هذا المزيج الخاص لديه معدل تفاعل مرتفع جدًا، وإنتاج طاقة مرتفع جدًا.

للأسف، التريتيوم هو أقرب إلى عدم وجود على الأرض.

المكان الوحيد المعروف أنه يحدث بشكل طبيعي هو الغلاف الجوي، حيث يتم إنتاجه عن طريق التفاعل مع الأشعة الكونية. وحتى ذلك الحين، فإنه يحدث فقط بكميات ضئيلة.

ومع ذلك، إذا تمكن العلماء من إيجاد طريقة فعالة “لتكاثر” التريتيوم، فقد يصبح مصدرًا للطاقة أكثر قابلية للتطبيق.

الآن، ولأول مرة، تم استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتمحورة حول الكم لتحديد تسعة تكوينات للمادة المستخدمة لإنتاج التريتيوم – وهو أحدث دليل على أن هذه المحاكاة عالية التقنية يمكن أن تساعد الفيزيائيين على إزالة أحد أكبر العوائق التي تحول دون الاندماج.

المدافعون عن طاقة الاندماج نقول إنه مصدر طاقة “نظيف”، لأنه لا يطلق انبعاثات غازات الدفيئة مثل الوقود الأحفوري، وينتج نفايات مشعة أقل بكثير من نظيرتها الأكثر إثارة للجدل، الانشطار النووي.

ولكن حتى الآن، كان الانصهار تخبط في الاقلاع، مع وجود عوائق تكنولوجية تقيدها حتى الآن في البيئات المختبرية.

إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ مشاركة الويب” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>

كان فقط في نهاية عام 2022 أن العلماء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني الأمريكي حققوا “نقطة التعادل” للاندماج النووي، وهذا يعني ذلك تم إنتاج المزيد من الطاقة في تفاعل الاندماج مما هو مطلوب لبدء تشغيله فعليًا.

سجلات جديدة أيضا في الآونة الأخيرة تم ضبط مدة الحفاظ على البلازما الساخنة المطلوبة: 1,337 ثانية.

ولكن إذا كان للاندماج أي مستقبل حقيقي، فيجب على العلماء حل مشكلة التريتيوم.

وقد تحول الآن الباحثون في كليفلاند كلينك، ومختبر أوك ريدج الوطني، ومركز أبحاث آي بي إم تي جي واتسون، وجامعة ولاية ميشيغان إلى الحوسبة الفائقة.

على وجه التحديد، استخدموا تقنية الحوسبة الفائقة المتمحورة حول الكم والتي تستخدمها عيادة كليفلاند لمحاكاة تكوينات البروتين.

“إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية … هي أدوات أساسية تعمل على تسريع دورات الاكتشاف والتصميم اللازمة لإنتاج ما يكفي من التريتيوم لتزويد مفاعلات الاندماج بالوقود،” توم بيك، الكيميائي الحسابي في مختبر أوك ريدج الوطني. يشرح.

لقد توصلت أجهزة الكمبيوتر القوية هذه إلى تسعة تكوينات جزيئية مختلفة لمادة تسمى فليبي، ملح منصهر مصنوع من فلوريد الليثيوم وفلوريد البريليوم.

يعتبر FLiBe مرشحًا نجميًا لإنتاج التريتيوم: داخل مفاعل الاندماج، فهو يوفر “بطانية التكاثر” حيث يتشكل التريتيوم تحت درجات حرارة شديدة الحرارة.

حتى الآن، يدور البحث حول معرفة ما إذا كان يمكن الاعتماد على أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالفعل للمساعدة في حل هذه المشكلة. النتائج واعدة، لكن هذا لا يعني أن الباحثين قد تمكنوا من إنتاج التريتيوم الفعلي حتى الآن.

حتى الآن، تقوم أجهزة الكمبيوتر العملاقة بإجراء عمليات محاكاة فقط. لا يزال يتعين عليهم اختبارها في المختبر.

لكن هذه العملية سمحت للباحثين بالحصول على فكرة أفضل عن البنية الإلكترونية لـ FLiBe، والسلوك الذري، وقوة الترابط الجزيئي داخل التريتيوم الذي يمكن أن ينشأ من كل تكوين.

وهذا يعني أن علماء الاندماج يمكنهم استخدام سير العمل هذا لتحديد التكوينات التي تستحق التحقيق قبل اختبارها في الحياة الواقعية، مما يوفر عليهم إضاعة الوقت في تجارب صعبة ومكلفة لا تؤدي إلى أي شيء.

متعلق ب: مفاعلات الاندماج قد تنتج جسيمات المادة المظلمة، كما يظهر الفيزيائيون

“تضيف هذه النتائج إلى الأدلة المتزايدة على أن الحوسبة الفائقة المتمحورة حول الكم أصبحت الآن أداة علمية عملية للمشكلات التي طالما واجهت الكيميائيين والمهندسين وعلماء المواد”. يقول جيري تشاو، تجريبي الحوسبة الكمومية باحث في IBM.

“مع توسع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، فإن الطريق أمامنا واعد.”

نسخة أولية من البحث متاحة على arXiv.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة ريبيكا داير وتم تحريره بواسطة بيتر دوكريل. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.