Los investigadores han demostrado los primeros cálculos por computadora cuántica de un material de fusión clave, avanzando los esfuerzos para mejorar la producción de tritio en reactores de fusión comerciales.
Expertos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), la Clínica Cleveland e IBM han logrado un hito importante en la investigación de la producción de tritio al realizar los primeros cálculos informáticos cuánticos conocidos sobre un material esencial para las futuras plantas de energía de fusión.
Este trabajo muestra cómo la computación cuántica puede modelar interacciones moleculares complejas que no son posibles en la práctica utilizando métodos informáticos tradicionales.
El avance se centra en FLiBe, una sal fundida hecha de flúor, litio y berilio, que se considera uno de los principales materiales candidatos para la cría y extracción de tritio en reactores de fusión.
Al calcular con éxito nueve configuraciones moleculares diferentes para FLiBe, los investigadores han dado un paso importante hacia el diseño de un material que pueda producir el tritio necesario para sustentar la energía de fusión comercial.
La investigación, publicada en arXiv, respalda la misión Génesis del Departamento de Energía de EE. UU., cuyo objetivo es combinar computación de alto rendimiento, inteligencia artificial y tecnologías cuánticas para acelerar el descubrimiento científico.
El descubrimiento podría ayudar a superar uno de los mayores desafíos de la energía de fusión al mejorar la forma en que se produce el tritio y garantizar que haya suficiente combustible para los reactores nucleares de próxima generación.
Por qué la producción de tritio es esencial para la energía de fusión
Durante mucho tiempo se ha considerado que la fusión nuclear es una fuente potencial de abundante electricidad con bajas emisiones de carbono, pero producir suficiente combustible sigue siendo un obstáculo importante.
El tritio, uno de los isótopos de hidrógeno necesarios para la mayoría de los reactores de fusión planificados, existe en cantidades extremadamente pequeñas en la naturaleza y, en cambio, debe producirse dentro del propio reactor.
Muchos diseños de fusión propuestos se basan en mantas que contienen FLiBe para producir tritio cuando los neutrones de alta energía interactúan con los átomos de litio.
Pero comprender exactamente cómo se forma el tritio, se mueve y se combina con las sales fundidas bajo altas temperaturas, radiación y campos magnéticos ha resultado extremadamente difícil.
La optimización de este proceso requiere una comprensión precisa del comportamiento atómico y electrónico del material, que tradicionalmente se ha basado en costosos experimentos y aproximaciones computacionales, lo que se vuelve cada vez más difícil a medida que los sistemas se vuelven más complejos.
Las computadoras cuánticas abordan desafíos de materiales complejos
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación utilizó un flujo de trabajo informático centrado en lo cuántico para combinar procesadores cuánticos con supercomputadoras tradicionales.
En lugar de depender únicamente de la computación clásica, este enfoque asigna la parte mecánica cuántica del problema al hardware cuántico, y el sistema clásico gestiona el resto del cálculo.
Utilizando este enfoque híbrido, los científicos investigaron múltiples configuraciones moleculares de FLiBe tanto en presencia como en ausencia de tritio. Esto les permitió calcular con mayor precisión la estructura electrónica del material y determinar con qué fuerza se une el tritio a nivel molecular.
Los cálculos también revelaron cómo los átomos se mueven entre diferentes configuraciones, proporcionando información sobre los mecanismos de enlace y el comportamiento de los materiales que son difíciles de observar utilizando únicamente experimentos o simulaciones tradicionales.
Esta investigación se basa en métodos computacionales desarrollados previamente para modelar sistemas biológicos muy grandes y extiende esas capacidades a la investigación de materiales avanzados para aplicaciones de fusión.
Apoyando la misión Génesis del Departamento de Energía
Esta investigación forma parte de la misión Génesis del Departamento de Energía, un esfuerzo nacional destinado a integrar la computación cuántica, la inteligencia artificial, la computación de alto rendimiento e instalaciones científicas clave en toda la red nacional de laboratorios del DOE.
El programa reúne a investigadores de siete laboratorios nacionales, cuatro universidades, tres socios industriales y la Clínica Cleveland para acelerar los descubrimientos que podrían hacer posible la energía de fusión práctica.
IBM está aportando su experiencia en supercomputación cuántica a este esfuerzo, explorando cómo las CPU, GPU y equipos de procesamiento cuántico trabajan juntos para resolver problemas científicos computacionalmente inaccesibles.
Ampliando el futuro de la producción de tritio
En el estudio actual se modelan nueve configuraciones moleculares, pero la colaboración ya está trabajando para extender la técnica a simulaciones más grandes y complejas.
Los investigadores también pretenden reducir el tiempo necesario para transferir datos entre los recursos de computación clásica y cuántica, mejorando la eficiencia general.
A medida que el hardware cuántico siga madurando, el flujo de trabajo podría convertirse en una herramienta de diseño práctica para los científicos que desarrollan nuevos materiales de fusión.
Simulaciones más precisas podrían acelerar la innovación en el campo de la fusión al permitir a los investigadores evaluar materiales candidatos antes de realizar costosos experimentos.
Si estos avances computacionales continúan, podrían desempeñar un papel clave en la mejora de la producción de tritio, ayudando a los investigadores a desarrollar materiales de reproducción más eficientes y acercando la energía de fusión comercial un paso más a la realidad.
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