Proč je tritium takový problém
Většina navrhovaných fúzních reaktorů, tedy oněch charakteristických prstencových tokamaků, má být poháněna fúzí dvou izotopů vodíku, deuteria a tritia. Zatímco deuterium je stabilní a relativně snadno dostupné, tritium je radioaktivní a na Zemi se přirozeně vyskytuje jen v nepatrném množství v atmosféře, kde vzniká interakcí s kosmickým zářením.
Přitom právě kombinace deuteria s tritiem má při fúzi mimořádně vysokou reakční rychlost i energetický výtěžek. Jedna taková reakce uvolní jádro helia, volný neutron a energii 17,6 megaelektronvoltu. Jenže bez spolehlivého zdroje tritia zůstává tento potenciál jen teoretický.
Jak fúze zatím pokročila
Zastánci fúzní energie ji označují za čistý zdroj, protože při ní nevznikají skleníkové plyny jako u fosilních paliv a produkuje také mnohem méně radioaktivního odpadu než klasické jaderné štěpení. Přesto se fúze dlouho potýkala s technologickými bariérami, které ji držely pouze v laboratorních podmínkách.
Teprve na konci roku 2022 se vědcům z Lawrence Livermore National Laboratory v USA podařilo dosáhnout takzvaného bodu zvratu, kdy fúzní reakce vyprodukovala více energie, než bylo potřeba k jejímu spuštění. Následně padl i nový rekord v udržení horkého plazmatu, a to na 1 337 sekund. Aby však měla fúze reálnou budoucnost, musí vědci vyřešit právě otázku tritia.
Do hry vstupují kvantové počítače
Tým výzkumníků z Cleveland Clinic, Oak Ridge National Laboratory, IBM T. J. Watson Research Center a Michiganské státní univerzity se rozhodl problém řešit pomocí superpočítačů. Konkrétně využili techniku kvantově centrického superpočítání, kterou Cleveland Clinic dosud používala k simulaci struktury bílkovin.
„Kvantové počítače jsou klíčovým nástrojem, který urychluje objevování a návrh materiálů potřebných k produkci dostatečného množství tritia pro pohon fúzních reaktorů,“ vysvětluje výpočetní chemik Tom Beck z Oak Ridge National Laboratory.
Díky výkonu těchto počítačů se podařilo navrhnout devět různých molekulárních konfigurací látky zvané FLiBe, roztavené soli složené z fluoridu lithného a fluoridu berylnatého.
Co je vlastně FLiBe
FLiBe je považována za jednoho z hlavních kandidátů pro výrobu tritia. Uvnitř fúzního reaktoru by měla tvořit vrstvu, ve které při extrémně vysokých teplotách tritium vzniká.
Zatím jde spíše o ověření, zda se dá na kvantové počítače v tomto typu výzkumu skutečně spolehnout. Výsledky jsou nadějné, ale neznamenají, že je otázka výroby tritia definitivně vyřešená. Superpočítače totiž prozatím pouze simulují, reálné ověření musí proběhnout v laboratoři.
Co simulace přinesly
Celý proces umožnil výzkumníkům lépe pochopit elektronovou strukturu FLiBe, chování jednotlivých atomů a pevnost molekulárních vazeb v tritiu, které by z každé konfigurace mohlo vzniknout. Díky tomu mohou vědci zabývající se fúzí využít tento postup k tomu, aby si nejprve vytipovali konfigurace hodné dalšího zkoumání, než se pustí do nákladných a časově náročných experimentů, které by mohly skončit naprázdno.
„Tyto výsledky přidávají další důkaz, že kvantově centrické superpočítání je nyní praktickým vědeckým nástrojem pro problémy, které dlouhodobě trápí chemiky, inženýry i materiálové vědce,“ říká Jerry Chow, výzkumník IBM zaměřený na experimentální kvantové počítání. „Jak se kvantové počítače dále rozvíjejí, cesta vpřed vypadá slibně.“
Zdroje pro hlubší bádání
ScienceAlert: Co je jaderná fúze
Wikipedia: Tritium
Preprint studie na arXiv