Fúziós energia: az álom nyomában
A fúziós energiatermelés az atommagok egyesítéséből származó hőt alakítja át energiává – mindezt káros szén-dioxid-kibocsátás és hosszú életű radioaktív hulladék nélkül. Ha sikerülne megvalósítani ezt üzemi szinten, már egyetlen reaktor akár négymilliószor akkora energiát szolgáltathatna, mint egy szénerőmű, és négyszer annyit, mint egy modern hasadási reaktor. Bár laboratóriumi sikerek már bizonyítják a technológia életképességét – főleg a tokamak típusú, mágneses elven működő berendezésekben –, még rengeteg mérnöki kihívás vár megoldásra, mielőtt az első kereskedelmi reaktorok elindulhatnának.
Tengervízből fűtőanyag
A fúziós reaktor egyik alapanyaga a deutérium, amely minden köbméter tengervízben körülbelül 33 gramm mennyiségben előfordul. De ez csak az egyenlet fele. A másik nélkülözhetetlen elem a trícium, egy nehezebb, radioaktív hidrogénizotóp, amely viszont rendkívül ritka: az egész Földön évente mindössze 20 kilogramm keletkezik belőle, és 12 éves felezési ideje miatt rendkívül nehéz kezelni. Az viszont kulcsfontosságú: már 1 gramm deutérium–trícium üzemanyagban annyi energia rejlik, mint 9100 liter olajban.
Sőt, a tríciumot mesterségesen kell előállítani, mégpedig úgy, hogy nukleáris reaktorban lítiumatomokat bombáznak neutronokkal. Ezután a friss tríciumot egy erős mágnesek által összefogott, örvénylő plazmagyűrűbe – egy tokamak-reaktorba – vezetik, ahol a deutériummal fuzionálva héliummá alakul, és rengeteg hőt termel.
A jelenlegi fő akadály az, hogy nincs elegendő trícium, így a fúziós láncreakció nem tarthat elég ideig a tényleges energiatermeléshez. A trícium előállításához és visszanyeréséhez szükséges kémiai és fizikai reakciókat azonban hagyományos szuperszámítógépekkel lehetetlen pontosan modellezni.
FLiBe: az új szent grál?
A kutatók most kilencféle folyékony, sóalapú anyag (FLiBe – fluorid, lítium, berillium) molekuláris konfigurációját modellezték, amelyek jelenleg a vezető jelöltek az üzemanyag-újrahasznosításban. Egy olvadt só takaró (vagy “blanket”) borítja be a fúziós reakcióteret. Ez egyszerre hővédő réteg és nyersanyagforrás.
A folyamat egyik kulcsa, hogy a neutronbombázás közepette a só szerkezete állandóan változik. Optimális esetben a keletkező trícium nem fluorhoz (mert ez trícium-fluoridot hoz létre, ami mérgező és nehezen eltávolítható), hanem inkább egy másik tríciumatomhoz kötődik, és gázként magától távozik a rendszerből. A reakciók pontos irányát azonban hihetetlenül nehéz előrejelezni.
MI és kvantum együtt: új számítási korszak
A kvantumszámítógép, az IBM Quantum Heron, és az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium Frontier szuperszámítógépe együttműködve hullámfüggvény-alapú algoritmusokkal számolták ki, hogy az adott sóban mikor, hol és hogyan alakul ki a trícium. Az MI előszűrte az adatbázisban található sójelölteket, modellezte a molekulák elektroneloszlását, és csak a legnehezebb, legbonyolultabb részfeladatokat adta át a kvantumszámítógépnek, amely képes volt kiszámolni a sorsdöntő reakciókat.
A beépített munkaelosztás, ahol az egyszerűbb részeket klasszikus gép, a komolyabbakat kvantumgép dolgozta fel, új szintet teremt a bonyolult kémiai rendszerek modellezésében. Az IBM, a RIKEN és a Cleveland Clinic munkáján alapuló eljárást most először alkalmazták fúziós reaktorkörnyezetben.
Kvantumugrás a fúziós energia felé
Az új eljárás végül bizonyította, hogy a hibrid (MI+kvantum) modell megtartja a pontosságot, amikor a már ismert molekulákkal vetették össze. Most először kínál valós lehetőséget arra, hogy nagy léptékben is előrejelezhető legyen, mely anyagokból állítható elő ipari mennyiségű trícium.
A munkafolyamat három lépésben működik: először az MI gyorsan átvizsgálja a sójelölteket, majd a szuperszámítógép futtat költséges szimulációkat, végül a kvantumalgoritmus eldönti, pontosan hol képződik a trícium. A következő lépésben a csapat még nagyobb, összetettebb, olvadt sóból álló rendszereket fog modellezni, hogy még közelebb kerüljenek a gyakorlatban is alkalmazható, fenntartható fúziós energiatermeléshez.
A hosszú távú cél: egy megbízható, digitális kutatási útvonal létrehozása, amellyel előrejelezhető, mennyi trícium nyerhető ki az adott anyagból, milyen mértékben nyerhető vissza, illetve hogyan viselkedik minden egyes jelölt anyag a fúziós reaktor extrém viszonyaiban.
