Les ordinateurs quantiques seront peut-être la clé de la production d'énergie avec la fusion contrôlée !

La fusion contrôlée fait rêver depuis des décennies et on pourrait croire que les progrès sont lents avec des promesses toujours remises au lendemain. En réalité, les défis à relever étaient considérables et, en fait, beaucoup estiment que les avancées se sont produites avec la même loi de Moore que pour les microprocesseurs des ordinateurs.

Ce qui a pris du retard depuis près d'une décennie, c'est la construction d'Iter, qui ne peut de toute façon pas aller plus vite que la musique sans risquer d'introduire des problèmes. Aucun autre projet alternatif ne semble être un concurrent sérieux à ce jour.

De toute façon, Iter n'étant pas le prototype du réacteur de production d'électricité avec un rendement suffisant, mais juste une machine destinée à montrer que c'est possible, il ne faut pas s'attendre à un début de décarbonation massive de l'industrie en utilisant la fusion contrôlée avant, au mieux, les années 2050. Il nous faut déjà agir avant et autrement pour limiter les dégâts causés par le réchauffement climatique.

Le problème du tritium

Parmi les problèmes à résoudre avec Iter, il y a celui de son carburant. La réaction de fusion envisagée fait intervenir des noyaux de deutérium, que l'on sait exister massivement dans les océans, avec des noyaux de tritium qui, eux, sont instables car radioactifs et avec une courte durée de vie.

En fait, il n'existe pas de source naturelle de tritium. Il faut donc le produire en petites quantités avec des réacteurs à fission nucléaire classiques. Heureusement, il y a une astuce.

La réaction de fusion des noyaux de tritium avec du deutérium produit des neutrons très énergétiques qui, en frappant des noyaux ordinaires de lithium présents en grande quantité sur Terre, les fragmentent pour donner du lithium.

Il suffirait donc d'un peu de tritium produit par fission pour démarrer la réaction et une source tritigène sur les parois d'un tokamak comme Iter pour produire le tritium entretenant la réaction de fusion.

On a envisagé pour cela un écoulement d'un fluide contenant du lithium, mais comment exactement ?

Dans un futur tokamak, les neutrons libérés par le plasma lors de la fusion pourraient bombarder la couverture de sels fondus environnante pour produire du tritium. Ces nouveaux travaux utilisent des ordinateurs quantiques pour modéliser l'interaction entre le tritium et des amas d'atomes au sein des sels fondus. © IBM

Pour répondre à cette question, il faudrait pouvoir simuler les propriétés et le comportement de molécules contenant du lithium dans les conditions du plasma d'un tokamak, à savoir avec forte chaleur, un puissant rayonnement neutronique et de forts champs magnétiques.

C'est très gourmand en calcul, même pour des superordinateurs et c'est pourquoi un travail sous forme de prépublication sur arXiv, que l'on doit conjointement à des équipes de l'Oak Ridge National Laboratory, de la Cleveland Clinic et d'IBM aux États-Unis, est si intéressant.

Des molécules quantiques dans des tokamaks

Les chercheurs ont utilisé une approche hybride combinant processeurs quantiques, supercalculateurs classiques et intelligence artificielle, qui n'est pas sans points communs avec ce que le CEA et Quandela font avec l'ordinateur quantique photonique Lucy au Très Grand Centre de calcul (TGCC) du centre CEA de Bruyères-le-Châtel (Essonne) : associer la puissance de calcul classique du HPC à des processeurs quantiques agissant comme des accélérateurs de calcul pour des algorithmes complexes.

Mais qu'ont donc fait les chercheurs états-uniens ? Ils ont apporté une preuve de principe qu'avec une puce quantique complétée par une approche hybride, il était possible de calculer en un temps raisonnable neuf configurations moléculaires du FLiBe, un sel fondu composé de fluor, de lithium et de béryllium.

Il est alors devenu possible d'étudier la structure électronique des molécules du FLiBe, sa stabilité et la manière dont différentes configurations moléculaires capturent le tritium.

Le travail présenté ne résout pas encore le problème de l'approvisionnement en tritium, mais montre que le calcul quantique pourrait aider à concevoir de meilleurs matériaux pour les couvertures productrices de combustible des réacteurs à fusion.

Les prochaines étapes consisteront à simuler des systèmes moléculaires plus grands, à accélérer les échanges entre calculateurs quantiques et classiques et, à terme, à proposer un outil directement utilisable par les ingénieurs de la fusion.