量子计算推动使用熔盐的聚变燃料研究
realtime news Jul 06, 2026 11:37
IBM、橡树岭国家实验室（ORNL）和克利夫兰诊所利用量子-AI工作流对熔盐建模，这为聚变反应堆中的氚生产带来了突破性进展。
来自IBM、橡树岭国家实验室（ORNL）和克利夫兰诊所的研究人员使用量子中心超算技术对熔盐的化学性质进行了建模——这是解决聚变能量最紧迫挑战之一：氚生产的重要一步。这一突破于2026年6月29日发布在预印本服务器上，展示了量子-AI工作流如何提高设计聚变反应堆材料所需关键模拟的准确性。
聚变反应堆，如世界范围内正在开发的托卡马克设计，需要氚（氢的一种稀有同位素）作为燃料。然而，地球上的天然氚资源极少，现有核裂变反应堆每年仅能生产几磅氚——远远不能满足一座商业聚变电厂的需求，而该电厂每天可能消耗约一磅氚。为了维持运行，未来的聚变电站必须通过包围等离子核心的锂基熔盐“增殖包层”自行生产氚。
挑战在于化学过程。当聚变反应产生的高能中子撞击熔盐中的锂-6原子时，会生成氚。然而，高效提取氚取决于复杂的分子相互作用，这些相互作用难以用经典计算方法进行建模。这些相互作用决定了氚是与氟等其他元素结合形成腐蚀性副产物，还是保持自由状态以气体形式被提取。研究这些反应的实验耗能且成本高昂，因此计算精度至关重要。
利用量子中心超算技术，研究人员模拟了氚在一种称为FLiBe（氟化锂-氟化铍）的熔盐混合物中的行为。他们的方法结合了经典密度泛函理论（DFT）用于较简单的计算，以及量子对角化技术用于更复杂的分子簇计算。结果与最佳经典方法的精度相匹配，这标志着聚变材料科学的重要进展。
重要性分析
熔盐在聚变反应堆中具有多重作用，包括中子吸收、氚增殖、热传递和辐射屏蔽。优化其设计对于确保反应堆高效、安全运行至关重要。美国能源部2026年6月的《聚变路线图更新》将FLiBe列为这些应用的首选材料。
商业对熔盐的兴趣也在增加。2026年3月，Molten Salt Solutions与Type One Energy和Gauss Fusion签署协议，供应富集锂-6，表明研究与工业供应链之间的协同作用。同时，Commonwealth Fusion Systems继续优化其ARC级反应堆设计，该设计采用熔盐进行中子捕获和热提取，目标是在2030年代实现并网部署。
量子-AI工作流
由IBM及其合作伙伴测试的新工作流是更广泛计算策略的一部分。它使用AI筛选候选熔盐配方，利用经典超级计算机进行模拟，并在经典方法不足时用量子计算机进行高精度计算。这种迭代循环精炼了设计，与传统的试验和错误实验相比节省了时间和资源。
“氚回收是聚变工程挑战的重要组成部分，”ORNL科学参与部门负责人Tom Beck说。研究团队的下一步是扩大量子模拟规模，以处理更大的离子簇和更复杂的配置，从而更接近模拟全规模增殖包层的运行行为。
展望未来
尽管当前工作聚焦于熔盐，底层的量子-AI技术对其他化学和材料科学领域也有更广泛的影响。研究人员希望最终为聚变工程师提供能够完全在计算机中设计和验证反应堆材料的工具，从而缩短商业化时间。
随着ITER和Commonwealth的ARC级反应堆等实验性聚变项目的推进，氚生产和材料科学的突破对于将聚变从科学实验转变为实际能源来源至关重要。这一最新进展凸显了量子计算在克服聚变能源工程障碍中的日益重要作用。
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