En utilisant un ordinateur quantique et un superordinateur, les scientifiques ont développé une voie révolutionnaire pour modéliser la physique à l’intérieur d’un réacteur à fusion. Cette première expérience mondiale pourrait contribuer à ouvrir la voie au développement d’une énergie nucléaire propre et abondante et à résoudre la crise énergétique mondiale, ont déclaré les chercheurs.
Utiliser l’hybride informatique quantique et intelligence artificielle (IA), des scientifiques d’IBM et du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont expliqué comment fabriquer du tritium, un isotope extrêmement rare de l’hydrogène essentiel au processus de fusion.
Bien que leurs recherches – téléchargées le 29 juin sur le serveur de préimpression arXiv – n’aient pas été évaluées par des pairs, les chercheurs affirment que c’est la première fois que différents types d’éléments informatiques se réunissent pour proposer le moyen le plus efficace de créer ce matériau.
Réacteurs à fusion sont des sources d’énergie expérimentales qui créent de l’énergie en fusionnant des noyaux atomiques. La chaleur produite lors de la réaction nucléaire ultérieure est ensuite exploitée sous forme d’énergie. Cette méthode ne produit aucun sous-produit carboné ni déchet radioactif à vie longue, ce qui en fait l’une des formes potentielles les plus propres de production d’énergie de masse.
C’est projeté qu’à grande échelle, un seul réacteur à fusion pourrait produire environ 4 millions de fois plus d’énergie qu’une installation alimentée au charbon et environ quatre fois plus d’énergie qu’un réacteur nucléaire à fission moderne.
Les tentatives actuelles visant à construire un réacteur à fusion viable ont abouti à de nombreuses expériences en laboratoire qui prouvent que la technologie fonctionne, avec des réacteurs à confinement magnétique, tels que les tokamaks, largement considérés le favori. Mais de nombreux défis techniques restent à relever avant que les premiers réacteurs commerciaux puissent être mis en service.
Transformer l’eau de mer en carburant
Le combustible de base des réacteurs à fusion nucléaire est un isotope de l’hydrogène appelé deutérium, que l’on trouve couramment dans l’eau de mer. C’est estimé qu’il y a 33 grammes de deutérium dans chaque mètre cube d’eau de mer.
Mais le deutérium ne représente que la moitié de l’équation. La fusion nucléaire nécessite également du tritium – un isotope de l’hydrogène plus lourd – et la fusion libérée par seulement 1 gramme (0,04 once) de combustible deutérium-tritium équivaut à l’énergie d’environ 2 400 gallons (9 100 litres) de pétrole, selon le Département américain de l’énergie.
Malheureusement, le tritium, un isotope radioactif, est extrêmement rare ; seulement 44 livres (20 kilogrammes) sont produits sur Terre chaque année, et sa demi-vie de 12 ans rend difficile son utilisation dans les centrales nucléaires.
Au lieu de cela, les scientifiques doivent produire minutieusement du tritium dans des réacteurs nucléaires en bombardant des atomes de lithium avec des neutrons. Il est ensuite surchauffé et lié à de puissants aimants pour former un anneau tourbillonnant de plasma dans un tokamak, une chambre de fusion spéciale conçue pour façonner et chauffer le plasma à l’aide de champs magnétiques.
Les scientifiques ajoutent davantage de deutérium, puis mélangent le tritium et le deutérium, les faisant fusionner en hélium. La force de cette réaction crée de la chaleur qui est transformée en énergie.
Le goulot d’étranglement actuel réside dans la création de suffisamment de tritium pour maintenir la fusion suffisamment longtemps pour produire de l’énergie. Mais modéliser le physique des particules et les réactions chimiques impliquées dans le processus de création du tritium se sont avérées dépassant les capacités des superordinateurs classiques.
Dans la nouvelle étude, cependant, les scientifiques affirment avoir résolu ce goulot d’étranglement en simulant neuf configurations moléculaires d’un sel liquide contenant du fluor, du lithium et du béryllium (FLiBe) – l’un des principaux matériaux candidats pour l’extraction du tritium.
C’est la première fois que des ordinateurs quantiques sont utilisés pour modéliser des réactions à l’intérieur d’un réacteur à fusion. S’il est perfectionné, FLiBe pourrait fournir une source quasi illimitée de combustible pour les réacteurs à fusion nucléaire, ont-ils déclaré, mais la chimie impliquée est incroyablement complexe.
Démystifier la chimie complexe
Une « couverture de sel fondu » faite de FLiBe est enroulée autour de la réaction nucléaire à l’intérieur d’un réacteur à fusion, ont déclaré des chercheurs d’IBM à Live Science. Cela fournit à la fois une source de carburant et un bouclier thermique pour l’appareil.
Pour créer suffisamment de tritium, les chercheurs ont dû calculer la physique impliqué tandis qu’un processus appelé « bombardement neutronique » modifiait constamment la chimie de la couverture. Concevoir un sel qui résiste à des demandes concurrentes et continue à libérer du tritium est un problème clé dans la construction de ce type de réacteur.
« Si le tritium s’accroche au fluor présent dans le sel, il forme du fluorure de tritium, qui est corrosif et difficile à éliminer », ont expliqué les chercheurs. « S’il se lie à un autre atome de tritium pour former un gaz, il bouillonne tout seul. Prédire le sens de la réaction signifie modéliser l’interaction entre le tritium et le sel avec une précision et une exactitude élevées, ce qui constitue un défi pour les méthodes classiques. »
Parce qu’aucun ordinateur ordinaire ne peut effectuer les calculs nécessaires, l’équipe a utilisé une combinaison d’IA exécutée sur le superordinateur Frontier de l’ORNL et d’algorithmes d’informatique quantique exécutés sur un IBM Quantum Heron. unité de traitement quantique (QPU) à New York. Le flux de travail qui en a résulté a démontré une preuve de concept pour transférer des calculs chimiques complexes vers un ordinateur quantique.
Ce flux de travail reposait sur une technique appelée intégration basée sur la fonction d’onde, qui fragmente le calcul en clusters plus faciles à calculer, ont indiqué les scientifiques dans l’étude. Ils ont utilisé des ordinateurs classiques pour résoudre les plus petits clusters et ont transmis les morceaux les plus difficiles à un ordinateur quantique. Les ordinateurs classiques ont ensuite recousu la molécule.
Il s’agit d’une méthode étudiée par le co-auteur Kenneth Merzbiochimiste et chercheur principal à la Cleveland Clinic Research, a été pionnier dans des recherches antérieures. Plus tôt cette année, en collaboration avec IBM et l’institut national de recherche japonais RIKEN, il a utilisé des ordinateurs quantiques pour calculer la structure d’une protéine de 12 635 atomes.
Fusionner le quantique et l’IA
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont testé leur modèle par rapport à des configurations moléculaires connues déjà résolues par un système classique non hybride et ont déterminé que la précision était maintenue grâce à l’ajout de calculs quantiques.
Cette preuve de concept devrait servir de voie directe pour mettre à l’échelle les modèles utilisés pour prédire la production de tritium dans les réacteurs à fusion, résolvant potentiellement ce qui pourrait être le plus grand obstacle à la production d’énergie de fusion à grande échelle.
Le flux de travail plus large décrit par les scientifiques dans un article de blog technique comportait trois étapes. Tout d’abord, les agents d’IA ont proposé et examiné de nombreux sels candidats à partir de la base de données ORNL, et pour chaque candidat, des calculs ont estimé diverses qualités du processus de sélection du tritium, notamment la quantité de carburant que le sel produirait sous un bombardement neutronique.
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Les sels les plus prometteurs ont ensuite été transmis à un superordinateur, qui les a modélisés atome par atome, en utilisant le processus de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour approximer la façon dont les électrons d’une molécule s’organiseraient. Ce sont des simulations coûteuses, c’est pourquoi les scientifiques ont utilisé des « remplaçants de l’IA » formés pour reproduire la physique afin de les exécuter suffisamment rapidement pour être utiles. La troisième étape a fait appel à l’ordinateur quantique pour déterminer où le tritium se lierait, ce qui constitue une lacune pour le DFT.
À l’avenir, l’équipe de recherche modélisera des systèmes de sels fondus plus vastes et étudiera davantage de configurations moléculaires avant d’évaluer si l’IA peut réduire le temps nécessaire pour trouver un matériau de sels fondus prometteur.
L’objectif plus large, ont déclaré les scientifiques à Live Science, est de construire une voie informatique fiable pour la découverte de matériaux de fusion qui puisse aider les chercheurs à prédire dans quelle mesure un matériau de couverture engendre le tritium, si ce tritium peut être récupéré et comment le matériau peut fonctionner dans l’environnement extrême d’un réacteur à fusion.
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