باستخدام الكمبيوتر الكمي إلى جانب الكمبيوتر العملاق، طور العلماء مسارًا رائعًا لنمذجة الفيزياء داخل مفاعل الاندماج. وقال الباحثون إن التجربة الأولى في العالم يمكن أن تساعد في تمهيد الطريق لتطوير طاقة نووية نظيفة ووفيرة وحل أزمة الطاقة العالمية.
باستخدام الهجين الحوسبة الكمومية و الذكاء الاصطناعي (AI) ، قام العلماء في IBM ومختبر Oak Ridge الوطني (ORNL) بوضع مخطط لكيفية صنع التريتيوم، وهو نظير نادر للغاية للهيدروجين وهو أمر بالغ الأهمية لعملية الاندماج.
على الرغم من أن بحثهم – الذي تم تحميله في 29 يونيو على خادم ما قبل الطباعة arXiv – لم يخضع لمراجعة النظراء، إلا أن الباحثين يقولون إنها المرة الأولى التي تجتمع فيها أنواع مختلفة من عناصر الحوسبة معًا لاقتراح الطريقة الأكثر فعالية لإنشاء هذه المادة.
مفاعلات الاندماج هي مصادر طاقة تجريبية تنتج الطاقة عن طريق دمج النوى الذرية. يتم بعد ذلك تسخير الحرارة الناتجة في التفاعل النووي اللاحق كطاقة. لا تنتج هذه الطريقة أي منتجات ثانوية للكربون أو نفايات مشعة طويلة العمر، مما يجعلها واحدة من أنظف الأشكال المحتملة لإنتاج الطاقة بكميات كبيرة.
إنه المتوقع أنه، على نطاق واسع، يمكن لمفاعل اندماجي واحد أن ينتج حوالي 4 ملايين مرة من الطاقة التي تنتجها منشأة لحرق الفحم، وحوالي أربعة أضعاف كمية الطاقة التي ينتجها مفاعل انشطار نووي حديث.
أدت المحاولات الحالية لبناء مفاعل اندماجي قابل للتطبيق إلى العديد من النتائج التجارب المعملية التي تثبت نجاح التكنولوجيا، مع مفاعلات الحبس المغناطيسي، مثل توكاماك، التي تعتبر على نطاق واسع المتسابق الأمامي. لكن لا تزال هناك العديد من التحديات الهندسية قبل أن يتم تشغيل المفاعلات التجارية الأولى.
تحويل مياه البحر إلى وقود
الوقود الأساسي لمفاعلات الاندماج النووي هو نظير الهيدروجين المسمى الديوتيريوم، والذي يوجد عادة في مياه البحر. إنه مُقدَّر أن هناك 33 جرامًا من الديوتيريوم في كل متر مكعب من مياه البحر.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
لكن الديوتيريوم ليس سوى نصف المعادلة. يتطلب الاندماج النووي أيضًا التريتيوم – وهو نظير هيدروجين أثقل – والاندماج المنطلق من جرام واحد فقط (0.04 أونصة) من وقود الديوتيريوم-التريتيوم يعادل الطاقة من حوالي 2400 جالون (9100 لتر) من النفط، وفقًا لـ وزارة الطاقة الأمريكية.
لسوء الحظ، التريتيوم، وهو نظير مشع، نادر للغاية؛ ويتم إنتاج 44 رطلاً (20 كيلوجرامًا) منه فقط على الأرض كل عام، كما أن نصف عمره البالغ 12 عامًا يجعل من الصعب استخدامه في محطات الطاقة النووية.
وبدلا من ذلك، يجب على العلماء أن ينتجوا التريتيوم في المفاعلات النووية بقصف ذرات الليثيوم بالنيوترونات. يتم بعد ذلك تسخينها بشكل مفرط وربطها بمغناطيسات قوية في حلقة دوارة من البلازما داخل التوكاماك، وهي غرفة اندماج خاصة مصممة لتشكيل وتسخين البلازما باستخدام المجالات المغناطيسية.
رسم تخطيطي يوضح عملية الاندماج النووي.
(حقوق الصورة: Designua | Shutterstock)
يضيف العلماء المزيد من الديوتيريوم ثم يخلطون التريتيوم والديوتيريوم معًا، مما يؤدي إلى اندماجهم في الهيليوم. قوة هذا التفاعل تولد حرارة تتحول إلى طاقة.
ويكمن عنق الزجاجة الحالي في إنتاج ما يكفي من التريتيوم للحفاظ على الاندماج لفترة كافية لإنتاج الطاقة. لكن النمذجة فيزياء الجسيمات وقد أثبتت التفاعلات الكيميائية المشاركة في عملية إنشاء التريتيوم أنها تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية.
ومع ذلك، يقول العلماء في الدراسة الجديدة إنهم عالجوا عنق الزجاجة هذا من خلال محاكاة تسعة تكوينات جزيئية لملح سائل يحتوي على الفلور والليثيوم والبريليوم (FLiBe)، وهي إحدى المواد المرشحة الرئيسية لاستخراج التريتيوم.
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لنمذجة التفاعلات داخل مفاعل الاندماج. وقالوا إنه إذا تم تطوير FLiBe، فيمكن أن يوفر مصدرًا غير محدود تقريبًا للوقود لمفاعلات الاندماج النووي، لكن الكيمياء المعنية معقدة بشكل لا يصدق.
إزالة الغموض عن الكيمياء المعقدة
وقال باحثون في شركة IBM لموقع Live Science: إن “بطانية من الملح المصهور” مصنوعة من FLiBe يتم لفها حول التفاعل النووي داخل مفاعل الاندماج. وهذا يوفر مصدرًا للوقود ودرعًا حراريًا للجهاز.
ولإنتاج كمية كافية من التريتيوم، كان على الباحثين حساب نسبة التريتيوم الفيزياء متورطًا أثناء عملية تسمى “القصف النيوتروني” تعمل باستمرار على تغيير كيمياء البطانية. يعد تصميم الملح الذي يتحمل المتطلبات المتنافسة ويستمر في إطلاق التريتيوم مشكلة رئيسية في بناء هذا النوع من المفاعلات.
وأوضح الباحثون: “إذا التصق التريتيوم بالفلور الموجود في الملح، فإنه يشكل فلوريد التريتيوم، وهو مادة أكالة وتصعب إزالتها”. “إذا ارتبط بذرة تريتيوم أخرى لتكوين غاز، فإنه يخرج من تلقاء نفسه. والتنبؤ بالاتجاه الذي سيسير به التفاعل يعني نمذجة التفاعل بين التريتيوم والملح بدقة عالية وهو ما يمثل تحديًا للطرق الكلاسيكية.”
نظرًا لأنه لا يوجد كمبيوتر عادي يمكنه إجراء الحسابات اللازمة، استخدم الفريق مزيجًا من الذكاء الاصطناعي الذي يعمل على الكمبيوتر العملاق Frontier في ORNL، جنبًا إلى جنب مع خوارزميات الحوسبة الكمومية التي تعمل على IBM Quantum Heron. وحدة المعالجة الكمومية (QPU) في نيويورك. أظهر سير العمل الناتج دليلاً على مفهوم تفريغ حسابات الكيمياء المعقدة إلى كمبيوتر كمي.
وقال العلماء في الدراسة إن سير العمل يعتمد على تقنية تسمى التضمين القائم على الدالة الموجية، والتي تقسم العملية الحسابية إلى مجموعات أسهل في الحساب. لقد استخدموا أجهزة كمبيوتر كلاسيكية لحل المجموعات الأصغر وتمرير الأجزاء الأكثر صعوبة إلى كمبيوتر كمي. ثم قامت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بربط الجزيء ببعضه مرة أخرى.
وهذا هو الأسلوب الذي يدرس المؤلف المشارك كينيث ميرز، عالم كيمياء حيوية وباحث رئيسي في مركز أبحاث كليفلاند كلينيك، وكان رائدًا في الأبحاث السابقة. وفي وقت سابق من هذا العام، وبالتعاون مع شركة IBM ومعهد الأبحاث الوطني الياباني RIKEN، استخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية احسب بنية بروتين مكون من 12635 ذرة.
دمج الكم والذكاء الاصطناعي
في الدراسة الجديدة، اختبر الباحثون نموذجهم مقابل التكوينات الجزيئية المعروفة التي تم حلها بالفعل بواسطة نظام كلاسيكي غير هجين، وحددوا أنه تم الحفاظ على الدقة مع إضافة الحسابات الكمومية.
يجب أن يكون إثبات المفهوم هذا بمثابة مسار مباشر لتوسيع نطاق النماذج المستخدمة للتنبؤ بإنتاج التريتيوم داخل مفاعلات الاندماج، مما قد يؤدي إلى حل ما قد يكون أكبر عقبة أمام إنتاج طاقة الاندماج على نطاق واسع.
سير العمل الأوسع الذي حدده العلماء في أ مشاركة مدونة فنية تضمنت ثلاث مراحل. أولاً، اقترح عملاء الذكاء الاصطناعي وفحصوا العديد من الأملاح المرشحة من قاعدة بيانات ORNL، ولكل مرشح، قدرت الحسابات الصفات المختلفة في عملية تربية التريتيوم، بما في ذلك كمية الوقود التي يمكن أن ينتجها الملح تحت قصف النيوترونات.
ثم انتقلت الأملاح الواعدة إلى حاسوب عملاق، والذي قام بتصميمها ذرة بذرة، باستخدام عملية نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتقريب كيفية ترتيب إلكترونات الجزيء لنفسها. تعتبر هذه عمليات محاكاة باهظة الثمن، لذلك استخدم العلماء “بدائل الذكاء الاصطناعي” المدربة على إعادة إنتاج الفيزياء لتشغيلها بسرعة كافية لتكون مفيدة. جلبت المرحلة الثالثة الكمبيوتر الكمي لمعرفة مكان ارتباط التريتيوم، وهو ما يعد عيبًا في DFT.
في المستقبل، سيقوم فريق البحث بتصميم أنظمة أكبر للملح المنصهر ودراسة المزيد من التكوينات الجزيئية قبل تقييم ما إذا كان الذكاء الاصطناعي يمكنه تقليل الوقت الذي سيستغرقه العثور على مادة ملح منصهر واعدة.
وقال العلماء لموقع Live Science إن الهدف الأوسع هو بناء مسار حسابي موثوق لاكتشاف مواد الاندماج، والذي يمكن أن يساعد الباحثين على التنبؤ بمدى نجاح المادة الشاملة في توليد التريتيوم، وما إذا كان من الممكن استرداد هذا التريتيوم، وكيف يمكن أن تعمل المادة في البيئة القاسية لمفاعل الاندماج.
Das, S., Santos, TJPD, Bhowmik, S., Bazayeva, M., Li, Z., Shajan, A., Kaliakin, D., Liang, F., Bryantsev, VS, Geist, A., Gomez, AM, Pellegrini, T., Walkup, R., Seelam, SR, Motta, M., Merz, JKM, & Beck, T. (2026، 29 يونيو). الحسابات الكمومية على الأملاح المنصهرة بطانية الانصهار. arXiv.org. https://arxiv.org/abs/2606.30402
هل يمكنك مطابقة هذه الأجهزة القديمة مع صورها؟ اكتشف معنا مسابقة الحوسبة!
مرتبط
اكتشاف المزيد من موقع مدسن medicine
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
