Des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge, d’IBM et de la Cleveland Clinic ont montré qu’un flux de travail intégrant des ordinateurs quantiques, le calcul haute performance et l’intelligence artificielle pouvait simuler des réactions chimiques dans le sel fondu utilisé dans de futurs modèles de réacteurs à fusion. L’étude a été publiée sous forme de prépublication sur la plateforme arXiv le 29 juin, tandis qu’IBM Quantum en a publié les détails le 6 juillet 2026.
L’étude porte sur un problème fondamental des réacteurs à fusion : l’approvisionnement en tritium, un isotope radioactif et rare de l’hydrogène dont les réactions de fusion ont besoin avec le deutérium. Le tritium ne possède pas de sources naturelles importantes sur Terre, tandis que le monde entier n’en produit que quelques livres par an. Selon l’article, un réacteur à fusion d’une puissance d’un gigawatt pourrait consommer environ une livre de tritium par jour, ce qui signifie que toute future centrale devra produire son propre combustible pendant son fonctionnement.
Le rôle du sel fondu dans un réacteur à fusion
L’un des modèles proposés consiste à entourer le plasma chaud d’un réacteur tokamak d’une épaisse couverture de sel de lithium fondu. Lorsque les neutrons issus de la fusion heurtent des atomes de lithium-6, ceux-ci se désintègrent pour produire de l’hélium et du tritium. Le béryllium contribue à multiplier les neutrons, tandis que le mélange de fluor et de lithium reste liquide et stable aux températures du réacteur.
La couverture ne sert pas uniquement à produire le combustible ; elle est également censée protéger les aimants du réacteur contre les neutrons, refroidir la paroi face au plasma et transférer la chaleur pour faire fonctionner une turbine. Cependant, le bombardement neutronique modifie la chimie du sel, et la manière dont le tritium se lie à ses composants influence la possibilité de l’extraire. S’il se lie au fluor, il forme du fluorure de tritium, une substance corrosive et difficile à éliminer ; s’il reste un gaz libre, il peut en revanche s’échapper spontanément du sel.
Pourquoi la simulation nécessite-t-elle l’informatique quantique ?
Les chercheurs utilisent généralement la théorie de la fonctionnelle de la densité pour simuler la répartition des électrons sur des ordinateurs classiques. Cette méthode reste rapide et utile dans de nombreux cas, mais l’équipe de Tom Beck au Laboratoire d’Oak Ridge a constaté dans des travaux antérieurs qu’elle pouvait se tromper de jusqu’à 10 % dans le calcul de l’énergie libre du sel. Cette précision ne suffit pas pour prédire si le tritium se transformera en fluorure de tritium ou restera un gaz.
Pour y remédier, l’équipe a utilisé une méthode appelée embedding fondé sur la fonction d’onde, qui divise le problème en grappes plus petites. Les ordinateurs classiques traitent les parties les plus simples, tandis que l’informatique quantique utilise une méthode de diagonalisation quantique fondée sur l’échantillonnage pour les grappes dont l’intrication entre les atomes est la plus complexe ; les résultats sont ensuite réunis de nouveau sur les ordinateurs classiques.
Les chercheurs ont extrait neuf configurations du sel FLiBe, chacune contenant une petite grappe de 21 ions. Leur énergie a été calculée avec et sans tritium, puis les résultats ont été comparés à des méthodes classiques avancées de calcul des parties chimiques. Les calculs fondés sur l’informatique quantique correspondaient à ces méthodes, fournissant ainsi une preuve préliminaire de la validité de l’approche.
Un flux de travail combinant intelligence artificielle et informatique quantique
Les chercheurs souhaitent développer une boucle de calcul en trois étapes :
- Des agents d’intelligence artificielle proposent des sels candidats et les évaluent à partir d’une base de données du Laboratoire d’Oak Ridge regroupant 70 années de recherches sur les sels fondus. Les évaluations comprennent l’estimation du taux de production de tritium ainsi que la capacité du sel à rester liquide et à transférer la chaleur.
- Des superordinateurs simulent les meilleurs candidats atome par atome à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, en recourant à des modèles d’intelligence artificielle entraînés à reproduire la physique afin d’accélérer les opérations coûteuses.
- L’informatique quantique prend en charge les calculs chimiques de haute précision que la théorie de la fonctionnelle de la densité ne parvient pas à trancher, notamment la détermination de la manière dont le tritium se lie au sel.
Les prochaines étapes
Les chercheurs reconnaissent que le résultat reste limité. Résoudre entièrement le problème de l’énergie libre nécessiterait d’étudier une couverture de sel en mouvement d’un mètre d’épaisseur contenant un nombre immense de particules, une échelle qui dépasse les capacités de la chimie computationnelle dans un avenir prévisible. L’équipe prévoit également d’augmenter la taille des grappes au-delà de 21 ions et d’exécuter des centaines de configurations au lieu de neuf.
Les chercheurs du Laboratoire d’Oak Ridge espèrent que ces outils permettront aux ingénieurs de la fusion de concevoir et d’évaluer informatiquement les sels fondus avant de les mélanger et de les chauffer en laboratoire. La même méthodologie pourrait ensuite s’étendre à d’autres problèmes de chimie, mais l’étude actuelle ne démontre pas encore qu’elle puisse être utilisée pour concevoir un réacteur à fusion opérationnel ou produire du tritium à l’échelle industrielle.