de.wedoany.com-Bericht: Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat gemeinsam mit IBM Quantum, der Cleveland Clinic und weiteren Einrichtungen eine Studie veröffentlicht, in der erstmals Quantencomputing für die Elektronenstrukturberechnung des chemischen Verhaltens von Tritium in FLiBe, einem Schlüsselmaterial für Fusionsblankets, eingesetzt wurde. Die Arbeit demonstriert die Fähigkeit eines hybriden Quanten-Klassik-Computing-Rahmens, derart komplexe Systeme mit hoher Präzision zu simulieren.
Die derzeit vorherrschende magnetische Fusionstechnologie basiert hauptsächlich auf der Deuterium-Tritium (D-T)-Reaktion. Die Studie weist darauf hin, dass ein 1-GW-Fusionskraftwerk täglich etwa 0,5 kg Tritium verbraucht, während der weltweite Tritiumbestand derzeit bei etwa 25 kg liegt. Zukünftige kommerzielle Fusionsreaktoren sind darauf angewiesen, dass Lithium im Blanket durch Neutronenreaktionen Tritium erbrütet, das dann effizient zurückgewonnen und wieder in das Plasma eingespeist wird. Daher ist das Verständnis der Erzeugung, Migration und Bindung von Tritium in Blanketmaterialien eine zentrale Herausforderung der Fusionsentwicklung.
FLiBe (LiF-BeF₂)-Schmelzsalz gilt als vielversprechendes Kandidatenmaterial für fortschrittliche Fusionsreaktoren. Es enthält Lithium, das durch Neutronenreaktionen Tritium erbrüten kann, und sein flüssiger Betrieb ermöglicht gleichzeitig Wärmeübertragung und Brennstofferbrütung. Allerdings kann Tritium in der heißen Schmelzsalzumgebung in verschiedenen Formen vorliegen, wie als Tritiumion (T⁺), Tritiummolekül (T₂) oder als komplexe Struktur mit Fluor (F-T-F). Diese Formen beeinflussen direkt die Verweilzeit des Tritiums, die Extraktionseffizienz und die Kreislaufkosten.
Die Berechnung des Tritiumverhaltens in FLiBe ist rechnerisch eine Herausforderung. Herkömmliche Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT), Molekulardynamik (MD)-Simulationen und maschinelle Lernpotentialfunktionen (MLFF) stoßen bei der Behandlung komplexer, Tritium-haltiger Schmelzsalzmoleküle und geladener Ionencluster, die starke Elektronenkorrelationen aufweisen, an Genauigkeitsgrenzen. Präzisere Methoden wie die vollständige Konfigurationswechselwirkung (FCI) oder Coupled-Cluster-Verfahren haben Rechenkosten, die mit der Systemgröße exponentiell ansteigen, was ihre Anwendung auf reale Fusionsmaterialumgebungen erschwert.
Die Studie wurde auf der Preprint-Plattform arXiv veröffentlicht und trägt den Titel „Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts“. Die Forscher konzentrierten sich auf den Bindungsmechanismus von Tritium mit Blanketmaterialien und verwendeten einen hybriden Quanten-Klassik-Einbettungs-Wellenfunktions-Rahmen, um neun verschiedene FLiBe-Molekülkonfigurationen zu berechnen. Anstatt das makroskopische Blanket direkt zu simulieren, nutzten sie den „extended sample-based quantum diagonalization“ (ext-SQD)-Algorithmus, um komplexe Fragmente an den IBM Heron-Quantenprozessor zu übergeben und die Ergebnisse schließlich mit klassischen hochpräzisen FCI-Ergebnissen zu vergleichen.
Die Ergebnisse zeigen eine Abweichung der ext-SQD-Quantenmethode von den FCI-Ergebnissen von etwa 0,7 kcal/mol, mit einer mittleren absoluten Abweichung von etwa 0,3 kcal/mol. Dies ist der erste erfolgreiche Nachweis einer Quanten-Klassik-Berechnungsvalidierung in der Branche für geladene Ionensysteme, insbesondere für anorganische Schmelzsalzsysteme.
Diese Forschung markiert einen potenziellen Wandel in der Entwicklung von Fusionsmaterialien, weg vom traditionellen, auf Experimente und Versuch und Irrtum angewiesenen Modell hin zu einer materialgenomischen Berechnungsentwurfsphase, die auf Hochleistungsrechnen, KI-Modellen und Quantencomputing basiert. In der Vergangenheit war die Entwicklung von Blanketmaterialien auf lange Zyklen von „Experiment und Irrtum – Neutronenbestrahlungstests – makroskopische Leistungsbewertung“ angewiesen. In Zukunft könnten Forscher durch die Integration von Hochleistungsrechnen, KI und Quantencomputing die Eignung von Schmelzsalzkombinationen für die Tritiumfreisetzung präzise auf atomarer oder sogar quantenmechanischer Ebene vorhersagen. Gleichzeitig zeigt die Studie, dass sich der Tritium-Brennstoffkreislauf von einem makroskopischen Systemtechnikproblem zu einem grundlegenden materialwissenschaftlichen Problem entwickelt.
Die Studie eröffnet einen technologischen Weg für den Einsatz von Quantencomputing in der Fusionsmaterialforschung. Gleichzeitig weist die Arbeit darauf hin, dass der derzeitige Umfang des Quantencomputings noch nicht ausreicht, um makroskopische technische Gegebenheiten abzudecken, und dass zukünftig größere Quantencomputersysteme und weitere Durchbrüche bei den zugrundeliegenden Algorithmen erforderlich sind. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen ORNL, IBM Quantum und der Cleveland Clinic bietet eine vielversprechende Richtung für die technologische Integration.
