Quantenorientierte Supercomputer identifizieren neun FLiBe-Konfigurationen für Tritium in Fusionsreaktoren

Eine wesentliche Hürde bei der Energiegewinnung durch Kernfusion ist der Brennstoff.

Die meisten vorgeschlagenen Fusionsreaktoren – ringförmige Tokamak-Reaktoren – nutzen die Verschmelzung von Tritium und Deuterium als Energiequelle.

Bei beiden handelt es sich um Wasserstoffisotope: Tritium ist radioaktiv, während Deuterium stabil ist.

Wenn diese beiden Isotope fusionieren, entstehen ein Heliumkern, ein freies Neutron und 17.6 Megaelektronenvolt. Unter den Fusionsreaktionen zeichnet sich diese Kombination sowohl durch eine sehr hohe Reaktionsrate als auch durch eine sehr hohe Energieausbeute aus.

Leider ist Tritium auf der Erde nahezu nicht vorhanden.

Natürlich kommt es nach heutigem Kenntnisstand nur in der Atmosphäre vor, wo es durch Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung gebildet wird. Selbst dort ist es lediglich in Spuren vorhanden.

Können Forschende jedoch einen effizienten Weg finden, Tritium zu „züchten“, könnte es zu einer besser nutzbaren Energiequelle werden.

Quantenorientierte Supercomputer für die Tritiumzucht

Nun haben quantenorientierte Supercomputer erstmals neun Konfigurationen eines Materials identifiziert, das zur Tritiumzucht verwendet wird. Dies ist der jüngste Hinweis darauf, dass solche Hightech-Simulationen Physikerinnen und Physikern helfen könnten, eines der grössten Hindernisse für die Kernfusion zu überwinden.

Befürworterinnen und Befürworter der Fusionsenergie bezeichnen sie als „saubere“ Energiequelle, weil sie anders als fossile Brennstoffe keine Treibhausgasemissionen freisetzt und deutlich weniger radioaktiven Abfall erzeugt als ihr kontroverseres Gegenstück, die Kernspaltung.

Bislang ist der Durchbruch der Kernfusion jedoch ausgeblieben, da technologische Hindernisse sie weiterhin auf Laborumgebungen beschränken.

Erst Ende 2022 gelang Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am US-amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory bei der Fusion ein „Breakeven“: Eine Fusionsreaktion erzeugte mehr Energie, als zu ihrer Auslösung benötigt wurde.

Auch beim Aufrechterhalten des erforderlichen heissen Plasmas wurden jüngst neue Rekorde erzielt: 1,337 Sekunden.

Soll die Kernfusion tatsächlich eine Zukunft haben, muss das Tritiumproblem gelöst werden.

Forschende der Cleveland Clinic, des Oak Ridge National Laboratory, des IBM T.J. Watson Research Center und der Michigan State University setzen dafür nun auf Supercomputing.

Konkret verwendeten sie eine quantenorientierte Supercomputing-Technik, die die Cleveland Clinic bereits zur Simulation von Proteinkonfigurationen eingesetzt hat.

„Quantencomputer … sind wichtige Werkzeuge, die die Entdeckungs- und Entwicklungszyklen beschleunigen, die nötig sind, um ausreichend Tritium für den Betrieb von Fusionsreaktoren zu erzeugen“, erklärt Tom Beck, Computerchemiker am Oak Ridge National Laboratory.

FLiBe als Material für Fusionsreaktoren

Die leistungsstarken Computer ermittelten neun unterschiedliche molekulare Konfigurationen einer Substanz namens FLiBe, einem geschmolzenen Salz aus Lithiumfluorid und Berylliumfluorid.

FLiBe gilt als aussichtsreicher Kandidat für die Tritiumproduktion: Im Inneren eines Fusionsreaktors bildet es den „Brutmantel“, in dem Tritium bei extrem hohen Temperaturen entsteht.

Bislang geht es bei der Forschung vor allem darum zu prüfen, ob Quantencomputer tatsächlich verlässlich zur Lösung dieses Problems beitragen können. Die Ergebnisse sind vielversprechend, bedeuten jedoch nicht, dass die Forschenden die praktische Tritiumproduktion bereits geknackt haben.

Die Supercomputer führen bislang ausschliesslich Simulationen durch. Eine Prüfung im Labor steht weiterhin aus.

Dennoch verschaffte das Verfahren den Forschenden ein besseres Verständnis der elektronischen Struktur von FLiBe, des Verhaltens seiner Atome und der Stärke molekularer Bindungen innerhalb des Tritiums, das aus den jeweiligen Konfigurationen entstehen könnte.

Dadurch können Fusionsforschende mit diesem Arbeitsablauf Konfigurationen bestimmen, die vor realen Tests genauer untersucht werden sollten. So vermeiden sie zeitaufwendige und kostspielige Experimente, die keine Ergebnisse liefern.

„Diese Ergebnisse ergänzen die zunehmenden Belege dafür, dass quantenorientiertes Supercomputing inzwischen ein praktisches wissenschaftliches Werkzeug für Probleme ist, die Chemiker, Ingenieure und Materialwissenschaftler seit Langem beschäftigen“, sagt Jerry Chow, experimenteller Quantencomputing-Forscher bei IBM.

„Mit der Skalierung von Quantencomputern ist der weitere Weg vielversprechend.“

Ein Preprint der Studie ist auf arXiv verfügbar.

Dieser Artikel wurde von Rebecca Dyer auf Fakten geprüft und von Peter Dockrill redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.