오크리지 국립연구소, IBM, Cleveland Clinic의 연구진은 양자 컴퓨터를 고성능 컴퓨팅 및 인공지능과 통합한 워크플로가 미래 핵융합로 설계에 사용되는 용융염에서 화학 반응을 시뮬레이션할 수 있음을 보였다. 이 연구는 6월 29일 arXiv에 초기 연구 형태로 게재됐으며, IBM Quantum은 2026년 7월 6일 세부 내용을 공개했다.
이 연구는 핵융합로의 근본적인 문제인 삼중수소 공급에 초점을 맞춘다. 삼중수소는 중수소와의 핵융합 반응에 필요한 방사성 희귀 수소 동위원소다. 지구에는 삼중수소의 중요한 자연 공급원이 없으며, 전 세계에서 매년 생산되는 양도 불과 몇 파운드에 그친다. 기사에 따르면, 1기가와트급 핵융합로는 하루에 약 1파운드의 삼중수소를 소비할 수 있으므로 미래의 모든 발전소는 가동 중에 자체 연료를 생산해야 한다.
핵융합로에서 용융염의 역할
한 설계안은 토카막 핵융합로의 뜨거운 플라스마를 두꺼운 용융 리튬염 블랭킷으로 둘러싸는 방식을 제안한다. 핵융합으로 생성된 중성자가 리튬-6 원자와 충돌하면 원자가 분열해 헬륨과 삼중수소를 생성한다. 베릴륨은 중성자를 증식시키며, 플루오린과 리튬의 혼합물은 반응기 온도에서 액체 상태와 안정성을 유지한다.
블랭킷의 역할은 연료 생산에만 국한되지 않는다. 블랭킷은 중성자로부터 반응기 자석을 보호하고, 플라스마와 마주 보는 벽을 냉각하며, 터빈을 가동할 열을 전달해야 한다. 그러나 중성자 충격은 염의 화학적 성질을 변화시키고, 삼중수소가 구성 성분과 결합하는 방식은 추출 가능성에 영향을 준다. 삼중수소가 플루오린과 결합하면 부식성이 있고 제거하기 어려운 삼중수소 플루오린화물이 형성되지만, 자유 기체로 남으면 염에서 저절로 빠져나갈 수 있다.
시뮬레이션에 양자 컴퓨팅이 필요한 이유
연구진은 보통 전통적인 컴퓨터에서 전자 배열을 시뮬레이션하기 위해 밀도범함수이론을 사용한다. 이 방법은 여전히 많은 경우 빠르고 유용하지만, 오크리지 국립연구소의 톰 벡 연구팀은 이전 연구에서 이 방법이 염의 자유 에너지를 최대 10%까지 잘못 계산할 수 있음을 발견했다. 삼중수소가 삼중수소 플루오린화물로 전환될지 기체로 남을지를 예측하기에는 이 정확도가 충분하지 않다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 파동함수 기반 임베딩이라는 기법을 사용해 문제를 더 작은 클러스터로 나눴다. 전통적인 컴퓨터는 더 단순한 부분을 처리하고, 양자 컴퓨팅은 원자 간 얽힘이 더 복잡한 클러스터에 대해 샘플 기반 양자 대각화 방법을 사용한 뒤, 결과를 다시 전통적인 컴퓨터에서 통합한다.
연구진은 FLiBe 염에서 9개의 구성을 추출했으며, 각 구성에는 21개의 이온으로 이루어진 작은 클러스터가 포함됐다. 삼중수소가 있을 때와 없을 때의 에너지를 계산한 다음, 화학적 부분을 계산하는 고급 고전적 방법과 결과를 비교했다. 양자 컴퓨팅 기반 계산은 해당 방법들과 일치했으며, 이는 이 접근법의 타당성을 보여주는 초기 증거를 제공한다.
인공지능과 양자 컴퓨팅을 결합한 워크플로
연구진은 3단계 계산 루프를 개발하고자 한다.
- 인공지능 에이전트가 후보 염을 제안하고, 오크리지 국립연구소의 70년에 걸친 용융염 연구 데이터베이스를 바탕으로 이를 선별한다. 선별에는 삼중수소 생산 비율과 염이 액체 상태를 유지하고 열을 전달하는 능력의 추정이 포함된다.
- 고성능 컴퓨터가 밀도범함수이론을 사용해 최적의 후보를 원자 단위로 시뮬레이션하며, 물리학을 재현하도록 훈련된 인공지능 모델을 활용해 계산 비용이 큰 과정을 가속한다.
- 양자 컴퓨팅이 밀도범함수이론으로 확정하기 어려운 고정밀 화학 계산을 맡으며, 특히 삼중수소가 염과 결합하는 방식을 결정한다.
다음 단계
연구진은 결과가 아직 제한적이라는 점을 인정한다. 자유 에너지 문제를 완전히 해결하려면 두께가 1미터이고 막대한 수의 입자를 포함하는 이동식 염 블랭킷을 연구해야 하는데, 이는 가까운 미래에 계산화학의 능력을 넘어서는 범위다. 또한 연구팀은 클러스터 규모를 21개 이온 이상으로 늘리고, 9개가 아닌 수백 개의 구성을 실행할 계획이다.
오크리지 국립연구소 연구진은 이러한 도구를 통해 핵융합 엔지니어들이 용융염을 실험실에서 혼합하고 가열하기 전에 컴퓨터로 설계하고 평가할 수 있기를 기대한다. 같은 방법론은 이후 다른 화학 문제에도 확장될 수 있지만, 현재 연구는 아직 이를 실제 핵융합로 설계나 산업 규모의 삼중수소 생산에 사용할 수 있음을 입증하지 못했다.