คอมพิวเตอร์ควอนตัมและ AI ช่วยค้นหาเทริตียมเพื่อฟิวชันพลังงาน

การวิจัยใหม่จากทีมผู้เชี่ยวชาญของ Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ร่วมกับ Cleveland Clinic และ IBM เสนอแนวทางใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมและปัญญาประดิษฐ์เพื่อหาวัสดุที่เหมาะสมในการสกัด เทริตียม** – เชื้อเพลิงสำคัญสำหรับเครื่องปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน – ซึ่งอาจช่วยเร่งความก้าวหน้าไปสู่การผลิตพลังงานจากฟิวชันในระดับเชิงพาณิชย์ได้เร็วขึ้น

Overview

ฟิวชันนิวเคลียร์ ถูกมองว่าเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่สามารถแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลได้ แต่การสร้างสภาวะคล้ายดวงอาทิตย์ในห้องทดลองยังคงเป็นความท้าทายหลักหนึ่ง คือการผลิต เทริตียม อย่างต่อเนื่องและมีปริมาณเพียงพอสำหรับเครื่องปฏิกิริยาแบบใหม่ที่ต้องใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนกรัมมิลเลอร์หลายพันล้านเท่า

ตามข้อมูลของ Department of Energy (DoE) Genesis Mission การสกัดเทริตียมจากแหล่งทรัพยากรธรรมชาติเป็นไปได้ยาก เนื่องจากไอซูโทปนี้มีอายุครึ่งชีวิตสั้นและพบในธรรมชาติจำนวนจำกัด ดังนั้นการพัฒนาวิธีผลิตแบบอุตสาหกรรมจึงเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้ฟิวชันกลายเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริง

Research Collaboration

โครงการวิจัยนี้รวมเอาความเชี่ยวชาญจากสามองค์กรหลัก: ORNL ที่มีประสบการณ์ด้านวัสดุนิวเคลียร์, Cleveland Clinic ที่เคยใช้เทคนิคคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการจำลองโปรตีนขนาดใหญ่กว่า 12,000 อะตอม และ IBM ผู้ผลิต **Quantum Processing Unit (QPU) ระดับโลก

การทำงานร่วมกันเริ่มจากการกำหนดปัญหาที่ต้องแก้ไข – การคำนวณพลังงานพื้นฐานของอิเล็กตรอนในกลุ่มโมเลกุลของสารหลอมละลายที่ประกอบด้วย ฟลูออรีน (F), ลิเธียม (Li) และ เบริลเลียม (Be) หรือที่เรียกว่า FLiBe** ซึ่งเป็นสื่อกลางสำคัญในการเพาะพันธุ์เทริตียม

Role of Quantum Computing

ทีมงานใช้หลักการของ QPU เพื่อแบ่งปันส่วนของการคำนวณที่ซับซ้อนออกเป็นวงจรควอนตัม (quantum circuits) ที่สามารถประมวลผลได้เร็วกว่าเครื่องคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม โดยอาศัยเทคนิคเดียวกับที่ใช้ในการจำลองโครงสร้างโปรตีนขนาดใหญ่ของ Cleveland Clinic

ตามบล็อกโพสต์ของ IBM, การผสานการทำงานระหว่าง CPU, GPU และ QPU ทำให้สามารถคำนวณระดับอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องใช้เวลาประมวลผลมหาศาลบนคลัสเตอร์แบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การใช้ QPU เป็น "accelerator" เสมือนกับการใช้ GPU ในงาน AI ทำให้ผลลัพธ์แม่นยำกว่าและเร็วกว่า

Findings & Configurations

จากกระบวนการคำนวณที่รวมเทคโนโลยีหลายระดับ นักวิจัยได้ระบุ เก้า โครงสร้างของกลุ่มโมเลกุล FLiBe ที่มีศักยภาพสูงในการจับ เทริตียม ระดับโมเลกุลพื้นฐาน

• 9 potential FLiBe cluster configurations identified

ผลการค้นพบชี้ให้เห็นว่ามีรูปแบบโครงสร้างที่ทำให้ไอซูโทปเทริตียมถูกผูกติดอย่างแข็งแรงที่สุด ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญต่อการออกแบบระบบผลิตเชื้อเพลิงฟิวชันในอนาคต

Implications for Fusion Energy

การที่สามารถจำลองและคาดการณ์พฤติกรรมของ FLiBe อย่างแม่นยำโดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมหมายความว่า นักวิศวกรอาจออกแบบเครื่องปฏิกิริยาใหม่ ๆ ที่ใช้สารหลอมละลายนี้เป็น “เบรดเดอร์” (breeder) เพื่อผลิตเทริตียมในสถานที่เดียวกันกับการทำงานของเตาไฟฟิวชัน

จากคำให้การของ Jerry Chow, CTO ด้าน quantum‑centric supercomputing ของ IBM, ผลลัพธ์เหล่านี้เป็น “หลักฐานเพิ่มขึ้นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงศูนย์กลางกำลังกลายเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้งานได้จริงสำหรับปัญหาที่เคยท้าทายนักเคมีและวิศวกรหลายทศวรรษ”

Challenges Ahead

แม้ว่าการใช้ QPU จะทำให้การคำนวณบางส่วนสำเร็จเร็วขึ้น แต่ คอมพิวเตอร์ควอนตัม ยังไม่สามารถแก้ปัญหาทุกด้านของฟิวชันได้อย่างครบถ้วน ความท้าทายหลักยังคงอยู่ในระดับการสร้างและบำรุงรักษาเครื่องปฏิกิริยาที่ทำงานต่อเนื่องโดยไม่มีการหยุด

นอกจากนี้ การผลิตเทริตียมในเชิงพาณิชย์ต้องอาศัยระบบปลอดภัยสำหรับสารกัมมันตรังสีและโครงสร้างพื้นฐานที่รองรับการจัดเก็บระยะยาว ซึ่งยังคงอยู่ในขั้นตอนวิจัยและทดสอบหลายด้าน

Summary

งานวิจัยร่วมของ ORNL, Cleveland Clinic และ IBM แสดงให้เห็นว่าการผสมผสาน CPU, GPU และ QPU สามารถระบุโครงสร้าง FLiBe ที่เหมาะสมสำหรับการผลิตเทริตียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้จะยังไม่ใช่คำตอบสุดท้าย แต่ผลลัพธ์เป็นก้าวสำคัญในการทำให้ฟิวชันกลายเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ได้จริงในอนาคต.