Máy tính lượng tử tạo ra vật liệu cực hiếm cho công nghệ nhiệt hạch

Theo các nhà nghiên cứu, thí nghiệm đầu tiên trên thế giới này có thể mở đường cho việc phát triển nguồn năng lượng hạt nhân sạch, dồi dào và góp phần giải quyết khủng hoảng năng lượng toàn cầu.

Lò phản ứng nhiệt hạch (Tokanmak) mô phỏng chính xác những gì diễn ra bên trong lõi mặt trời, tạo ra nguồn nhiệt khổng lồ.

Bằng cách kết hợp các phương pháp tính toán lượng tử và trí tuệ nhân tạo (AI), các nhà khoa học của IBM và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL - Mỹ) đã xây dựng lộ trình sản xuất triti, một đồng vị hydro cực kỳ hiếm nhưng đóng vai trò then chốt trong quá trình nhiệt hạch.

Mặc dù nghiên cứu của họ — được đăng tải ngày 29/6 trên máy chủ preprint arXiv — chưa qua bình duyệt, các nhà nghiên cứu cho biết, đây là lần đầu tiên các thành phần tính toán khác nhau được kết hợp để đề xuất phương pháp hiệu quả nhất tạo ra vật liệu này.

Lò phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng thử nghiệm tạo ra điện bằng cách kết hợp các hạt nhân nguyên tử. Nhiệt sinh ra từ phản ứng hạt nhân sau đó được khai thác làm năng lượng.

Phương pháp này không tạo ra sản phẩm phụ carbon hay chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài, khiến nó trở thành một trong những hình thức sản xuất năng lượng đại trà sạch nhất tiềm năng hiện nay.

Dự báo, khi được triển khai quy mô lớn, một lò phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra lượng năng lượng gấp khoảng 4 triệu lần so với nhà máy nhiệt điện than và gấp khoảng bốn lần so với lò phản ứng phân hạch hạt nhân hiện đại.

Những nỗ lực hiện tại nhằm xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch khả thi đã dẫn đến nhiều thí nghiệm chứng minh công nghệ này hoạt động, với các lò phản ứng giam giữ từ trường như tokamak được xem là ứng viên hàng đầu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật cần vượt qua trước khi các lò phản ứng thương mại đầu tiên có thể đi vào hoạt động.

Nhiên liệu cơ bản cho lò phản ứng nhiệt hạch là một đồng vị hydro gọi là deuterium, thường có trong nước biển. Ước tính có khoảng 33g deuterium trong mỗi mét khối nước biển.

Tuy nhiên, deuterium chỉ là một nửa của phương trình. Phản ứng nhiệt hạch còn cần triti — một đồng vị hydro nặng hơn. Chỉ cần 1g nhiên liệu deuterium-triti giải phóng năng lượng tương đương khoảng 9.100 lít dầu.

Đáng tiếc, triti là đồng vị phóng xạ cực kỳ hiếm, mỗi năm chỉ có 20 kg được sản xuất trên Trái Đất, và chu kỳ bán rã 12 năm khiến nó khó sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân.

Do đó, các nhà khoa học phải sản xuất triti một cách tỉ mỉ trong các lò phản ứng hạt nhân bằng cách bắn phá các nguyên tử lithium bằng neutron. Sau đó, triti được nung nóng cực độ và giữ bằng nam châm mạnh trong một vòng plasma xoáy bên trong tokamak — một buồng nhiệt hạch đặc biệt dùng từ trường để định hình và làm nóng plasma.

Các nhà khoa học bổ sung thêm deuterium rồi cho triti và deuterium va chạm, khiến chúng kết hợp thành heli. Lực của phản ứng hợp hạch này tạo ra nhiệt lượng khổng lồ.

Máy tính lượng tử và AI hỗ trợ quá trình sản xuất Triti - một đồng vị cực nặng và cực hiếm của hydro.

Điểm nghẽn hiện tại nằm ở việc tạo đủ triti để duy trì phản ứng nhiệt hạch đủ lâu nhằm sản xuất năng lượng. Tuy nhiên, việc mô phỏng và các phản ứng hóa học liên quan đến quá trình tạo triti đã vượt quá khả năng của các siêu máy tính truyền thống.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học cho biết họ đã giải quyết điểm nghẽn này bằng cách mô phỏng 9 cấu hình phân tử của một loại muối lỏng chứa fluor, lithium và beryllium (FLiBe) - một trong những vật liệu ứng viên hàng đầu để chiết xuất triti.

Vì không máy tính thông thường nào có thể thực hiện các phép tính cần thiết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết hợp AI chạy trên siêu máy tính Frontier tại ORNL cùng các thuật toán tính toán lượng tử chạy trên QPU của IBM Quantum Heron tại New York.

Đây là lần đầu tiên máy tính lượng tử được sử dụng để mô phỏng các phản ứng bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Nếu được hoàn thiện, FLiBe có thể cung cấp nguồn nhiên liệu gần như vô tận cho các lò phản ứng nhiệt hạch, nhưng các phản ứng hóa học liên quan lại vô cùng phức tạp.

Nhật Bản khánh thành lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới.