Национальная Окриджская лаборатория и Кливлендская клиника смоделировали на квантовом компьютере IBM химический состав материалов для термоядерного реактора. Исследователи использовали суперкомпьютеры с квантовым ядром для моделирования расплавленных солей, что является первым шагом к решению ключевой проблемы в области термоядерной энергетики.
Квантовые технологии помогли сделать важный шаг к реализации термоядерной энергетики — с их помощью физики смоделировали появление трития — топлива для термоядерного реактора. В новой работе, опубликованной на arXiv 29 июня, используются квантовые вычисления для моделирования расплавленной соли — соли в жидкой фазе.
Окутывая реакцию термоядерного синтеза подобно одеялу, расплавленная соль может производить редкое топливо, необходимое для поддержания этой реакции — тритий. Химические процессы извлечения трития из расплавленной соли настолько сложны, что исследователи не могли точно смоделировать их с помощью классических вычислительных методов. В то же время эксперименты с расплавленной солью сложны и дорогостоящи, требуют огромных затрат энергии и специализированного оборудования.
Национальная лаборатория Ок-Ридж, Кливлендская клиника и IBM продемонстрировали, как гибридные методы, использующие квантовые вычисления и искусственный интеллект, могут дать лучшие результаты, ускоряя темпы исследований в области термоядерного синтеза. Эта работа демонстрирует преимущества и потенциал партнерства между национальными лабораториями Министерства энергетики США и частными предприятиями.
«Когда мы начали эту работу, может быть, пять месяцев назад, я не ожидал, что придём к нашим результатам так скоро», — рассказал Том Бек, руководитель отдела научного взаимодействия Национального центра вычислительных наук в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Как получить энергию с помощью термоядерного синтеза?
Два нейтрона и протон образуют тритий — более тяжелый радиоактивный изотоп водорода. Это первый ингредиент в рецепте термоядерной энергии: тритий перегревают, связывают мощными магнитами в вращающееся кольцо плазмы внутри "сосуда", называемого токамаком, затем добавляют дейтерий. Это другой более распространенный изотоп водорода с одним нейтроном.
Тритий и дейтерий сталкивают друг с другом с такой силой, что они сливаются в гелий. В результате получается огромное количество энергии — термоядерный синтез — это та же реакция, которая заставляет светить Солнце. Используя эту реакцию, можно производить энергию в огромных масштабах без отходов или риска расплавления активной зоны, связанных с ядерным делением.
Однако производство топлива для термоядерной энергетики представляет собой сложную задачу. Дейтерий добывается из океана, а тритий не имеет значительных природных источников на Земле. Современные атомные электростанции, работающие на основе деления ядра, производят тритий в небольших количествах, а весь мир производит его всего несколько килограммов в год. Одна термоядерная электростанция мощностью в один гигаватт будет сжигать примерно полкило трития в день.
Все мировые запасы позволят этому реактору работать всего несколько недель, поэтому будущая термоядерная электростанция должна производить собственный тритий во время своей работы. Вот тут-то и пригодится толстый слой расплавленной соли лития.
Когда нейтрон вылетает из термоядерной реакции и сталкивается с атомом лития-6 в соли, он расщепляет атом на гелий и новый тритий. Бериллий в смеси умножает свободные нейтроны, поэтому слой производит достаточно топлива для поддержания реакции. Фтор и литий соединяются в соль, которая остается жидкой и стабильной при высокой температуре реактора.
Производство топлива — лишь одна из задач расплавленной соли. Один и тот же материал должен защищать магниты реактора от нейтронного излучения, охлаждать стенку, обращенную к плазме, и отводить тепло для вращения турбины. При этом он должен делать все это, пока нейтронная бомбардировка изменяет его химический состав. Разработка соли, которая выдерживает эти противоречивые нагрузки и продолжает выделять тритий, является одной из центральных проблем материаловедения при создании термоядерных реакторов такого типа.
«Извлечение трития — огромная часть инженерной задачи термоядерного синтеза», — сказал Бек.
В новой работе, проведенной Окриджской национальной лабораторией, Кливлендской клиникой и IBM, изучается процесс извлечения трития, который зависит от поведения трития после расщепления атомов лития.
Если тритий связывается с фтором в соли, он образует фторид трития, который является коррозионным и трудноудаляемым. Если же он остается в виде газа, он самостоятельно выделяется в виде пузырьков. Предсказание направления его движения требует моделирования химических процессов в соли с точностью, которая бросает вызов классическим методам.
Для таких сложных задач термоядерной энергетики можно использовать квантово-центричные суперкомпьютерные вычисления. Химики, такие как Бек, используют теорию функционала плотности (DFT) для решения подобных задач на классических компьютерах. DFT аппроксимирует расположение электронов в молекуле, ее электронную структуру. DFT — быстрый и часто полезный метод.
Однако для химии в расплавленных солях DFT сталкивается со значительными трудностями. В более ранних работах группа Бека обнаружила, что DFT может давать погрешность в определении свободной энергии соли до 10%. Свободная энергия — это величина, определяющая молекулярное связывание. Эти 10% погрешности далеко не достаточны для того, чтобы предсказать, закрепится ли тритий в коррозионно-активном фториде трития или будет свободно дрейфовать в виде газа.
Химию сложно моделировать, потому что природа в таком масштабе квантовая и управляется множеством сложных взаимодействующих переменных. Электроны в молекуле могут располагаться и взаимодействовать множеством различных способов, создавая целый зоопарк возможных расположений, который расширяется по мере роста размера молекулы. Большие молекулы создают пространства возможностей, слишком большие даже для самых мощных классических суперкомпьютеров, чтобы их эффективно исследовать. Квантово-центрированные суперкомпьютеры предлагают новую парадигму решения задач в химии, которая может помочь решить эту проблему.
Кеннет Мерц, доктор философии, соавтор научного препринта и руководитель лаборатории Мерца в Кливлендской клинике, в начале 2026 года руководил работой совместно с RIKEN и IBM, в которой квантовые и классические компьютеры использовались для расчета электронной структуры белка, состоящего из 12 635 атомов. Этот рабочий процесс основывался на методе, называемом встраиванием на основе волновой функции (EWF), который разбивает вычисление на вычислительно разрешимые части, называемые «кластерами».
Классические компьютеры решают задачи для меньших кластеров. Затем квантовый компьютер использует метод, называемый квантовой диагонализацией на основе выборки (SQD), для решения более сложных кластеров — тех, которые включают большую запутанность между атомами. Затем классические компьютеры снова объединяют молекулу.
«Я думаю, это огромный вклад», — сказал Бек о работе Мерца.
Без него кластеры соли были бы слишком большими, чтобы "поместиться" в современном квантовом оборудовании.
В новой работе исследователи выделили девять конфигураций расплавленной соли FLiBe из своих симуляций, каждая из которых представляла собой небольшой кластер из 21 иона, и вычислили их энергии с тритием и без него. Затем ученые сравнили результаты с ведущими классическими методами решения задачи о фрагментах, и квантово-ориентированные расчеты совпали с ними.
Это мощное подтверждение работоспособности концепции для будущих вычислений. Однако для решения полной задачи о свободной энергии требуется изучение большого, бурлящего слоя расплавленной соли толщиной в один метр, а это порядка триллиона триллиона частиц. В обозримом будущем это останется за пределами возможностей вычислительной химии, но симуляции могут приблизиться к свойствам объемной жидкости за счет увеличения числа атомов.
Чтобы точно воспроизвести поведение трития в FLiBe в рабочем процессе, потребуется больше элементов.
Как может помочь ИИ? И как квантовая механика может работать вместе с ИИ в исследованиях термоядерного синтеза?
Квантово-химические расчеты, представленные в этой статье, являются частью более масштабного рабочего процесса. Долгосрочная цель — это циклический рабочий процесс, осуществляемый с помощью агентов искусственного интеллекта в три этапа.
На первом этапе ИИ-агенты предлагают и проверяют множество потенциальных солей из базы данных ORNL, содержащей результаты 70-летних исследований расплавленных солей. Для каждой потенциальной соли выполняется класс вычислений, называемый нейтронной физикой, который оценивает коэффициент воспроизводства трития, количество топлива, которое соль фактически произведет под воздействием нейтронов, а также сохраняет ли она жидкую фазу и достаточно ли хорошо отводит тепло для использования.
На втором этапе наиболее перспективные соли отправляются "в суперкомпьютеры", которые моделируют их атом за атомом с помощью теории функционала плотности (DFT). Эти симуляции дорогостоящи. Поэтому в рабочем процессе используются ИИ-заменители, обученные воспроизводить физические процессы, чтобы выполнять их достаточно быстро и эффективно.
Третий этап задействует квантовый компьютер там, где DFT не справляется: высокоточная химия, определяющая места связывания трития. Именно этот квантовый шаг проверяется в данной статье. В будущих экспериментах результаты будут использоваться для уточнения следующего раунда кандидатов, и цикл повторится.
Этот цикл помогает в решении сложной задачи оптимизации, сказал Эл Гайст, корпоративный научный сотрудник и технический директор проекта Frontier Exascale Computing Project в ORNL и соавтор статьи.
Токамак должен извлекать как можно больше трития из соли, даже если поведение этой соли меняется под воздействием интенсивного нейтронного излучения, тепла и магнитных полей. Ни один отдельный расчет не может найти наилучшее решение. Но ИИ-квантово-химический рабочий процесс может предложить соль, предсказать, как она производит тритий и течет, а затем точно определить химические процессы, при которых тритий отделяется от смеси. ЦПУ, графические процессоры и квантовые процессоры смогут работать вместе, чтобы решить одну из величайших нерешенных проблем в инженерии.
Что дальше?
Бек подчеркнул, что темпы прогресса в этой работе стали для него неожиданностью — и во многом это заслуга сотрудников IBM и Кливлендской клиники, сказал он. Бек пришел в ORNL как специалист по высокопроизводительным вычислениям с глубоким интересом к квантовым вычислениям. Работая с IBM, он узнал, на что способны квантовые компьютеры сегодня, и с какой скоростью они совершенствуются.
Команда уже планирует масштабировать квантовый этап в рабочем процессе. План состоит в том, чтобы увеличить кластеры до размеров более 21 иона, приблизив их к размерам самых больших молекул, которые уже обрабатывались методами EWF, и запустить сотни конфигураций, которые требуются для расчета полной свободной энергии связывания.
Авторы ожидают, что тот же набор инструментов позволит решать не только задачи с расплавленными солями, но и другие сложные задачи в химии. Подобно тому, как работа Мерца с белками в итоге поддержала исследования в области термоядерного синтеза, эти исследования, вероятно, поддержат проекты, которые еще не рассматривались.
Квантовая сеть IBM является ключевым местом для налаживания подобных связей и обмена идеями. Исследователи из ORNL надеются предоставить инженерам-термоядерщикам способ проектировать и проверять расплавленную соль на компьютере, прежде чем смешивать и перегревать ее в лаборатории. Это должно помочь сократить разрыв между идеей термоядерного синтеза и реактором, способным работать на собственной энергии.
Сегодня по всему миру ведется строительство нескольких экспериментальных термоядерных реакторов. Исследователи надеются, что вскоре они, подобно квантовым вычислениям, перейдут от стадии концептуальной технологии к практическому применению.
