La fusion nucléaire promet une énergie propre et pratiquement illimitée, mais elle se heurte à un défi majeur : le combustible. Les réacteurs tokamak, les plus courants dans les projets expérimentaux, fonctionnent en fusionnant le deutérium et le tritium, deux isotopes de l’hydrogène qui, en se combinant, libèrent un noyau d’hélium et un neutron avec une énergie d’environ 14 MeV (mégaélectronvolts).
Le problème réside dans la rareté du tritium sur Terre. Ce dernier ne se forme naturellement dans l’atmosphère qu’en quantités infimes, sous l’effet des rayons cosmiques. Pour que la fusion nucléaire devienne une source d’énergie viable, les chercheurs doivent donc élaborer une méthode efficace pour produire du tritium de manière artificielle et durable.
Une avancée prometteuse grâce à l’ordinateur quantique
C’est dans ce contexte que la recherche conjointe de la Cleveland Clinic, du Laboratoire National Oak Ridge, du Centre de Recherche T.J. Watson d’IBM et de l’Université d’État du Michigan, tous situés aux États-Unis, a suscité un grand intérêt. Pour la première fois, des scientifiques ont utilisé un ordinateur quantique pour identifier les configurations moléculaires du matériau servant de “couverture reproductrice” de tritium dans un réacteur de fusion nucléaire.
FLiBe : la salve qui pourrait sauver la fusion
Le matériau mis en avant par cette machine quantique est le FLiBe, une salve fondue constituée de fluorure de lithium et de fluorure de béryllium. Dans un réacteur tokamak, les neutrons émis par le plasma de fusion frappent cette salve, qui recouvre les parois internes de la chambre à vide, et c’est ce processus qui permet de produire le tritium. Trouver la configuration optimale de FLiBe est crucial pour assurer une production de combustible à l’échelle industrielle.
Cette approche permet de filtrer préalablement les options les moins prometteuses, économisant ainsi temps et argent.
La technique employée par ces chercheurs est connue sous le nom de calcul quantique axé sur la superinformatique, déjà utilisée par la Cleveland Clinic pour simuler des configurations de protéines complexes. Appliquer cette technique à la chimie des matériaux de fusion représente une innovation significative.
Résultats et validation en laboratoire
Cette stratégie a abouti à l’identification de neuf configurations moléculaires distinctes du matériau FLiBe, chacune ayant sa propre structure électronique, son comportement atomique et sa force de liaison. Tom Beck, chimiste computationnel au Laboratoire Oak Ridge, a souligné que les ordinateurs quantiques sont des outils essentiels pour accélérer les cycles de découverte et de conception nécessaires à la production suffisante de tritium pour alimenter les réacteurs de fusion.
Cependant, il convient d’être prudent. Ces neuf configurations ne sont pour l’instant que des simulations, nécessitant encore validation en laboratoire avant une application dans un réacteur réel. Cette procédure permet de rejeter d’emblée les options moins prometteuses, économisant ainsi temps et argent dans des expériences souvent infructueuses. Jerry Chow, chercheur chez IBM, a ajouté que ces résultats confirment que le calcul quantique est déjà une solution pratique pour résoudre des problèmes qui ont longtemps défié chimistes et ingénieurs.
Perspectives d’avenir
Pour l’heure, la fusion nucléaire demeure confrontée à un problème de combustible sans solution définitive. Toutefois, pour la première fois, un ordinateur quantique a proposé des matériaux candidats concrets pour commencer à s’attaquer à ce défi colossal.
Pour en savoir plus, consultez Science Alert.
Image | Fusion for Energy (F4E)