Forscher des Oak Ridge National Laboratory, von IBM und der Cleveland Clinic haben gezeigt, dass ein Arbeitsablauf, der Quantencomputer mit Hochleistungsrechnen und künstlicher Intelligenz verbindet, chemische Reaktionen in geschmolzenem Salz simulieren kann, das in künftigen Konzepten für Fusionsreaktoren verwendet wird. Die Studie wurde am 29. Juni als Vorabveröffentlichung auf der Plattform arXiv veröffentlicht, während IBM Quantum ihre Einzelheiten am 6. Juli 2026 veröffentlichte.
Die Studie konzentriert sich auf ein grundlegendes Problem bei Fusionsreaktoren: die Bereitstellung von Tritium, einem radioaktiven und seltenen Wasserstoffisotop, das Fusionsreaktionen mit Deuterium benötigen. Auf der Erde gibt es keine bedeutenden natürlichen Tritiumquellen, und weltweit werden jährlich nur wenige Pfund davon erzeugt. Dem Artikel zufolge könnte ein Fusionsreaktor mit einer Leistung von einem Gigawatt etwa ein Pfund Tritium pro Tag verbrauchen. Das bedeutet, dass jedes künftige Kraftwerk seinen Brennstoff während des Betriebs erzeugen müsste.
Die Rolle geschmolzenen Salzes in einem Fusionsreaktor
Ein Konzept sieht vor, das heiße Plasma in einem Tokamak-Reaktor mit einem dicken Mantel aus geschmolzenem Lithiumsalz zu umgeben. Wenn bei der Fusion entstehende Neutronen auf Lithium-6-Atome treffen, spalten sich die Atome und erzeugen Helium und Tritium. Beryllium trägt zur Vervielfachung der Neutronen bei, während das Gemisch aus Fluor und Lithium bei den Reaktortemperaturen flüssig und stabil bleibt.
Der Mantel dient nicht nur der Brennstofferzeugung. Er soll auch die Reaktormagnete vor Neutronen schützen, die plasmazugewandte Wand kühlen und Wärme zur Versorgung einer Turbine übertragen. Der Neutronenbeschuss verändert jedoch die Chemie des Salzes, und die Art und Weise, wie Tritium an seine Bestandteile gebunden ist, beeinflusst seine Extrahierbarkeit. Bindet es sich an Fluor, entsteht Tritiumfluorid, eine korrosive und schwer zu entfernende Substanz. Bleibt es dagegen als freies Gas bestehen, kann es möglicherweise von selbst aus dem Salz entweichen.
Warum benötigt die Simulation Quantencomputing?
Forscher verwenden gewöhnlich die Dichtefunktionaltheorie, um die Anordnung von Elektronen auf klassischen Computern zu simulieren. Diese Methode bleibt in vielen Fällen schnell und nützlich, doch das Team von Tom Beck am Oak Ridge National Laboratory stellte in früheren Arbeiten fest, dass sie die freie Energie des Salzes um bis zu 10 % falsch berechnen kann. Diese Genauigkeit reicht nicht aus, um vorherzusagen, ob sich Tritium in Tritiumfluorid umwandelt oder als Gas bestehen bleibt.
Um damit umzugehen, verwendete das Team eine Methode namens wellenfunktionsbasiertes Embedding, bei der das Problem in kleinere Cluster aufgeteilt wird. Klassische Computer bearbeiten die einfacheren Teile, während das Quantencomputing für die hinsichtlich der Verschränkung zwischen den Atomen komplexeren Cluster die stichprobenbasierte Methode der quantenmechanischen Diagonalisierung einsetzt. Anschließend werden die Ergebnisse auf klassischen Computern wieder zusammengeführt.
Die Forscher entnahmen dem Salz FLiBe neun Konfigurationen, wobei jede Konfiguration einen kleinen Cluster mit 21 Ionen enthielt. Ihre Energie wurde mit und ohne Tritium berechnet, anschließend wurden die Ergebnisse mit fortgeschrittenen klassischen Methoden zur Berechnung der chemischen Anteile verglichen. Die auf Quantencomputing basierenden Berechnungen stimmten mit diesen Methoden überein und liefern damit einen ersten Beleg für die Eignung des Ansatzes.
Ein Arbeitsablauf, der künstliche Intelligenz und Quantencomputing verbindet
Die Forscher wollen eine dreistufige Rechenschleife entwickeln:
- KI-Agenten schlagen Kandidatensalze vor und prüfen sie anhand einer Datenbank des Oak Ridge National Laboratory, die 70 Jahre Forschung zu geschmolzenen Salzen umfasst. Zu den Prüfungen gehören die Schätzung der Tritiumerzeugungsrate sowie der Fähigkeit des Salzes, flüssig zu bleiben und Wärme zu übertragen.
- Hochleistungscomputer simulieren die besten Kandidaten Atom für Atom mithilfe der Dichtefunktionaltheorie. Dabei kommen KI-Modelle zum Einsatz, die darauf trainiert wurden, die Physik nachzubilden und so die rechenintensiven Vorgänge zu beschleunigen.
- Quantencomputing übernimmt hochpräzise chemische Berechnungen, die die Dichtefunktionaltheorie nicht eindeutig lösen kann, insbesondere die Bestimmung, wie Tritium an das Salz gebunden ist.
Die nächsten Schritte
Die Forscher räumen ein, dass das Ergebnis noch begrenzt ist. Die vollständige Lösung des Problems der freien Energie würde die Untersuchung eines sich bewegenden, einen Meter dicken Salzmantels mit einer enormen Zahl von Teilchen erfordern – ein Umfang, der die Fähigkeiten der Computerchemie in absehbarer Zukunft übersteigt. Außerdem plant das Team, die Größe der Cluster auf mehr als 21 Ionen zu erhöhen und Hunderte statt neun Konfigurationen zu berechnen.
Die Forscher des Oak Ridge National Laboratory hoffen, dass diese Werkzeuge Fusionsingenieuren ermöglichen werden, geschmolzene Salze am Computer zu entwerfen und zu bewerten, bevor sie im Labor gemischt und erhitzt werden. Dieselbe Methodik könnte später auf andere chemische Probleme ausgeweitet werden. Die aktuelle Studie beweist jedoch noch nicht, dass sie zum Entwurf eines praktischen Fusionsreaktors oder zur Tritiumerzeugung im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann.