محققان برای اولین بار با کامپیوتر کوانتومی راهی برای تولید سوخت رآکتورهای همجوشی پیدا کردند

در مسیر دستیابی به منبع پایدار و پاک انرژی از طریق فرایند همجوشی هسته‌ای همیشه موانعی فنی و مهندسی بزرگی وجود داشته که یکی از جدی‌ترین آن‌ها، تأمین سوخت مصرفی رآکتورها است. در جریان همکاری علمی میان چندین مرکز تحقیقاتی بزرگ جهان، دانشمندان برای اولین‌بار موفق شدند با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی، ۹ پیکربندی مولکولی جدید را برای ماده سازنده سوخت همجوشی شناسایی کنند.

به گزارش ساینس‌آلرت، اکثر طرح‌های پیشنهادی برای ساخت رآکتورهای تجاری همجوشی، به‌ویژه رآکتورهای حلقوی موسوم به توکامک، بر پایه ترکیب دو ایزوتوپ هیدروژن یعنی دوتریوم و تریتیوم طراحی شده‌اند. دوتریوم یک ایزوتوپ پایدار است که به میزان فراوان در آب دریاها یافت می‌شود، اما تریتیوم ایزوتوپی رادیواکتیو و بسیار نادر است که نیمه‌عمر کوتاهی دارد و به‌طور طبیعی روی زمین وجود ندارد.

تنها منبع طبیعی تولید تریتیوم، لایه‌های بالایی جو زمین است که در اثر برخورد پرتوهای کیهانی به وجود می‌آید و مقدار آن نیز بسیار ناچیز است؛ بنابراین برای اینکه بتوان انرژی همجوشی را به یک منبع انرژی پایدار تبدیل کرد، فیزیک‌دانان مجبور هستند روشی کارآمد و تجاری برای تکثیر و پرورش تریتیوم در درون خود رآکتورها ابداع کنند.

فرایند همجوشی هسته‌ای میان این دو ایزوتوپ زمانی رخ می‌دهد که هسته‌های دوتریوم و تریتیوم در دمای فوق‌العاده بالا با یکدیگر برخورد کنند. حاصل این واکنش، تولید یک هسته هلیوم، یک نوترون آزاد پرانرژی و تولید انرژی زیادی معادل 17.6 مگاالکترون‌ولت است. این ترکیب خاص بالاترین نرخ واکنش و بیشترین بازدهی انرژی را در میان تمام روش‌های همجوشی دارد و به همین دلیل، حل بحران کمبود تریتیوم نقشی مهمی در آینده این صنعت ایفا می‌کند.

استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای حل معضل انرژی همجوشی

محققان کلینیک کلیولند، آزمایشگاه ملی Oak Ridge، مرکز تحقیقاتی تی‌جی واتسون IBM و دانشگاه ایالتی میشیگان برای غلبه بر این بن‌بست به سراغ فناوری‌های نوین پردازش اطلاعات رفتند. آن‌ها یک روش شبیه‌سازی کوانتومی را که پیش‌از‌این در کلینیک کلیولند برای شبیه‌سازی چیدمان و پیکربندی‌های پیچیده پروتئینی در داروسازی استفاده می‌شد، برای بررسی رفتارهای اتمی در فیزیک هسته‌ای به کار گرفتند.

«تام بک»، شیمیدان ارشد در آزمایشگاه ملی اوک‌ریج، معتقد است که کامپیوتر‌های کوانتومی کلید اصلی برای شتاب‌بخشی به چرخه‌های کشف و طراحی مواد مورد نیاز برای تولید تریتیوم کافی محسوب می‌شوند. خروجی این ابرکامپیوتر‌های قدرتمند، شناسایی و مدل‌سازی دقیق ۹ پیکربندی مولکولی مجزا برای ماده‌ای مهم به نام FLiBe است؛ نمک مذابی که از ترکیب لیتیوم فلوراید و بریلیوم فلوراید به دست می‌آید و کاندیدای اصلی در این فرایند است.

طبق پیش‌نویس مقاله محققان، در طراحی رآکتورهای همجوشی، نمک مذاب فلیب به عنوان یک «پوشش زاینده» در دیواره‌های داخلی رآکتور قرار می‌گیرد تا نوترون‌های آزاد حاصل از واکنش پلاسمای همجوشی با آن برخورد کنند. برخورد نوترون‌ها به هسته‌های لیتیوم موجود در این نمک مذاب تحت دمای بسیار بالا، فرایند شیمیایی تولید تریتیوم را آغاز می‌کند. با‌این‌حال، تا پیش‌از‌این، درک دقیق رفتارهای الکترونیکی و قدرت پیوندهای مولکولی تریتیوم حاصل از این فرایند به دلیل محدودیت‌های شبیه‌سازی ناممکن بود.

این دستاورد جدید علمی به معنای آغاز فوری تولید صنعتی تریتیوم نیست و سیستم‌ها هنوز در فاز شبیه‌سازی‌های کامپیوتری قرار دارند که باید در آزمایشگاه‌های واقعی نیز مورد بررسی و تأیید قرار گیرند؛ اما شبیه‌سازی کوانتومی به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد تا پیش از انجام آزمایش‌های فیزیکی بسیار گران‌قیمت، خطرناک و زمان‌بر، بهترین ساختارهای مولکولی را با پایداری بالاتر شناسایی کنند.