Исследователи из Окриджской национальной лаборатории, IBM и Cleveland Clinic показали, что рабочий процесс, объединяющий квантовые компьютеры с высокопроизводительными вычислениями и искусственным интеллектом, может моделировать химические реакции в расплавленной соли, используемой в будущих конструкциях термоядерных реакторов. Исследование было опубликовано в виде препринта на платформе arXiv 29 июня, а IBM Quantum опубликовала подробности 6 июля 2026 года.
Исследование сосредоточено на одной из основных проблем термоядерных реакторов: обеспечении тритием — редким радиоактивным изотопом водорода, необходимым для термоядерных реакций с дейтерием. На Земле нет значительных природных источников трития, а во всём мире ежегодно производится лишь несколько фунтов этого вещества. Согласно материалу, термоядерный реактор мощностью один гигаватт может потреблять около одного фунта трития в день, а это означает, что любой будущей станции потребуется производить собственное топливо во время работы.
Роль расплавленной соли в термоядерном реакторе
Одна из конструкций предполагает окружить горячую плазму в токамаке толстым слоем расплавленной литиевой соли. Когда нейтроны, образующиеся в результате синтеза, сталкиваются с атомами лития-6, атомы расщепляются, производя гелий и тритий. Бериллий помогает умножать число нейтронов, а смесь фтора и лития остаётся жидкой и стабильной при температурах реактора.
Оболочка нужна не только для производства топлива: предполагается, что она будет защищать магниты реактора от нейтронов, охлаждать обращённую к плазме стенку и передавать тепло для работы турбины. Однако нейтронная бомбардировка изменяет химический состав соли, а способ связывания трития с её компонентами влияет на возможность его извлечения. Если тритий связывается с фтором, образуется трифторид трития — едкое и трудноудаляемое вещество; если же он остаётся свободным газом, то может самопроизвольно выходить из соли.
Почему для моделирования нужны квантовые вычисления?
Исследователи обычно используют теорию функционала плотности для моделирования расположения электронов на классических компьютерах. Этот метод по-прежнему быстр и полезен во многих случаях, однако команда Тома Бика из Окриджской национальной лаборатории обнаружила в предыдущих работах, что он может ошибаться при расчёте свободной энергии соли на величину до 10%. Такой точности недостаточно, чтобы предсказать, превратится ли тритий в трифторид трития или останется газом.
Чтобы справиться с этой проблемой, команда использовала метод, называемый волново-функционально-зависимым встраиванием, при котором задача разбивается на более мелкие кластеры. Классические компьютеры обрабатывают более простые части, тогда как квантовые вычисления используют основанный на выборке метод квантовой диагонализации для наиболее сложных кластеров с точки зрения запутанности между атомами; затем результаты снова объединяются на классических компьютерах.
Исследователи выделили девять конфигураций соли FLiBe, каждая из которых содержала небольшой кластер из 21 иона. Их энергию рассчитывали с тритием и без него, а затем сравнивали результаты с передовыми классическими методами расчёта химических компонентов. Расчёты с использованием квантовых вычислений совпали с результатами этих методов, что стало предварительным подтверждением применимости подхода.
Рабочий процесс, объединяющий искусственный интеллект и квантовые вычисления
Исследователи хотят разработать вычислительный цикл из трёх этапов:
- Агенты искусственного интеллекта предлагают соли-кандидаты и проверяют их на основе базы данных Окриджской национальной лаборатории, содержащей 70 лет исследований расплавленных солей. Проверки включают оценку коэффициента производства трития, способности соли оставаться жидкой и способности переносить тепло.
- Высокопроизводительные компьютеры моделируют лучших кандидатов атом за атомом с использованием теории функционала плотности, привлекая модели искусственного интеллекта, обученные воспроизводить физику, для ускорения дорогостоящих операций.
- Квантовые вычисления выполняют высокоточные химические расчёты, которые теория функционала плотности не может окончательно решить, особенно определяя, как тритий связывается с солью.
Следующие шаги
Исследователи признают, что результат пока ограничен. Полное решение задачи свободной энергии потребует изучения движущейся солевой оболочки толщиной один метр, содержащей огромное количество частиц, — масштаба, выходящего за пределы возможностей вычислительной химии в обозримом будущем. Команда также планирует увеличить размер кластеров за пределы 21 иона и запустить сотни конфигураций вместо девяти.
Исследователи Окриджской национальной лаборатории надеются, что эти инструменты позволят инженерам термоядерной энергетики проектировать расплавленные соли и оценивать их с помощью компьютеров до того, как смешивать и нагревать их в лаборатории. Впоследствии сама методология может быть распространена на другие химические задачи, однако нынешнее исследование пока не доказывает возможность её использования для проектирования практического термоядерного реактора или промышленного производства трития.