fr.wedoany.com Rapport : L'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des États-Unis, en collaboration avec IBM Quantum, la Cleveland Clinic et d'autres institutions, a publié un article démontrant pour la première fois l'utilisation du calcul quantique pour les calculs de structure électronique du comportement chimique du tritium dans le FLiBe, un matériau clé pour les couvertures de fusion. Cette étude illustre la capacité du cadre de calcul hybride quantique-classique à simuler avec une haute précision des systèmes complexes de ce type.
Les principales filières de fusion par confinement magnétique reposent actuellement sur la réaction deutérium-tritium (D-T). L'article indique qu'une centrale de fusion de 1 GW consommerait environ 0,5 kg de tritium par jour, alors que les stocks mondiaux actuels de tritium sont d'environ 25 kg. La fusion commerciale future nécessitera la production de tritium par réaction neutronique à partir du lithium présent dans la couverture, ainsi qu'une récupération efficace pour le réinjecter dans le plasma. Par conséquent, comprendre la génération, la migration et le comportement de liaison du tritium dans les matériaux de couverture est une question centrale incontournable pour l'ingénierie de la fusion.
Le sel fondu FLiBe (LiF-BeF₂) est considéré comme un matériau candidat important pour les réacteurs de fusion avancés. Il contient du lithium, qui peut produire du tritium par réaction neutronique, et son fonctionnement à l'état liquide lui permet d'assurer simultanément les fonctions de transfert de chaleur et de production de combustible. Cependant, dans l'environnement de sel fondu à haute température, le tritium peut exister sous différentes formes, telles que l'ion tritium (T⁺), la molécule de tritium (T₂) ou des structures complexes avec le fluor (F-T-F). Ces formes influencent directement le temps de séjour du tritium, l'efficacité d'extraction et le coût du cycle.
Résoudre le comportement du tritium dans le FLiBe est un défi computationnel. Les méthodes traditionnelles telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la dynamique moléculaire (MD) et les potentiels de fonction d'apprentissage automatique (MLFF) présentent des limitations de précision lorsqu'elles traitent des systèmes à forte corrélation électronique, comme les molécules de sel fondu complexes contenant du tritium et les amas d'ions chargés. Les méthodes de plus haute précision, comme l'interaction de configurations complète (FCI) ou les méthodes de clusters couplés, voient leur coût de calcul augmenter de manière exponentielle avec la taille du système, ce qui les rend inapplicables aux environnements réels des matériaux de fusion.
Cette recherche a été publiée sur la plateforme de prépublication arXiv, sous le titre « Quantum Computations on Fusion Blanket Molten Salts ». Les chercheurs se sont concentrés sur le mécanisme de liaison du tritium avec les matériaux de couverture, en utilisant un cadre de calcul de fonction d'onde intégrée quantique-classique pour effectuer des calculs sur neuf configurations moléculaires différentes du FLiBe. Au lieu de simuler directement la couverture macroscopique, ils ont utilisé l'algorithme « extended sample-based quantum diagonalization » (ext-SQD) pour confier les fragments complexes au processeur quantique IBM Heron, et ont finalement comparé les résultats avec ceux de la méthode FCI classique de haute précision.
Les résultats montrent que l'écart entre la méthode quantique ext-SQD et les résultats FCI est d'environ 0,7 kcal/mol, avec un écart absolu moyen d'environ 0,3 kcal/mol. Il s'agit de la première démonstration réussie de validation de calcul quantique-classique dans des systèmes d'ions chargés, en particulier dans les systèmes de sels fondus inorganiques.
Cette étude marque une étape importante, indiquant que la recherche sur les matériaux de fusion pourrait passer d'un modèle traditionnel basé sur l'expérimentation par essais et erreurs à une phase de conception computationnelle des matériaux reposant sur le calcul haute performance, les modèles d'IA et le calcul quantique. Auparavant, le développement des matériaux de couverture dépendait de longs cycles d'« essais et erreurs expérimentaux, tests d'irradiation neutronique et évaluation des performances macroscopiques ». À l'avenir, grâce à l'intégration du calcul haute performance, de l'IA et du calcul quantique, les chercheurs pourraient prédire avec précision, au niveau atomique, voire quantique, l'adéquation des combinaisons de sels fondus pour le relâchement du tritium. Parallèlement, cette étude révèle également que le cycle du combustible tritium passe d'un problème d'ingénierie des systèmes à un problème fondamental de science des matériaux.
Cet article ouvre une voie technologique pour l'utilisation du calcul quantique dans la recherche sur les matériaux de fusion. L'étude souligne également que l'échelle actuelle du calcul quantique est insuffisante pour couvrir les situations d'ingénierie à l'échelle macroscopique, et que des avancées futures dans les systèmes de calcul quantique à plus grande échelle et dans les algorithmes sous-jacents sont nécessaires. Cette collaboration interdisciplinaire entre l'ORNL, IBM Quantum et la Cleveland Clinic offre une direction prometteuse pour la convergence technologique.
