La fusión nuclear ha sido durante décadas una promesa incumplida de energía limpia e ilimitada. A diferencia de la fisión nuclear, que genera residuos radiactivos peligrosos, la fusión no produce emisiones de gases de efecto invernadero y genera significativamente menos desechos radiactivos. Sin embargo, su desarrollo ha estado confinado a laboratorios de investigación debido a barreras tecnológicas formidables.

El combustible de los reactores de fusión propuestos, particularmente los reactores tokamak de forma toroidal, depende de la fusión de tritio y deuterio, ambos isótopos del hidrógeno. El deuterio es estable, pero el tritio es radiactivo. Cuando estos dos isótopos se fusionan, producen un núcleo de helio, un neutrón libre y 17,6 megaelectronvoltios de energía. Esta combinación tiene una tasa de reacción muy alta y un rendimiento energético muy elevado, lo que la hace ideal para la fusión.

El problema fundamental es que el tritio prácticamente no existe en la Tierra. El único lugar donde se produce naturalmente es en la atmósfera, donde se forma por la interacción con rayos cósmicos, y solo en cantidades traza. Para que la fusión sea viable como fuente de energía, los científicos necesitan encontrar una manera eficiente de "criar" tritio artificialmente.

Recién a finales de 2022, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Estados Unidos lograron el "punto de equilibrio" en fusión, demostrando que se producía más energía en una reacción de fusión de la que se necesitaba para iniciarla. Recientemente, se han establecido nuevos récords en el mantenimiento del plasma caliente requerido: 1.337 segundos. A pesar de estos avances, la producción de tritio sigue siendo el cuello de botella crítico.

Un equipo de investigadores de la Clínica Cleveland, el Laboratorio Nacional Oak Ridge, el Centro de Investigación IBM T.J. Watson y la Universidad Estatal de Míchigan ha abordado este desafío utilizando supercomputación cuántica. Específicamente, emplearon una técnica de supercomputación centrada en computación cuántica que la Clínica Cleveland ha estado utilizando para simular configuraciones de proteínas.

Las computadoras cuánticas identificaron nueve configuraciones moleculares diferentes de una sustancia llamada FLiBe, una sal fundida compuesta por fluoruro de litio y fluoruro de berilio. El FLiBe es un candidato estrella para la producción de tritio: dentro de un reactor de fusión, proporciona la "manta de reproducción" donde se forma el tritio bajo temperaturas extremadamente altas.

"Las computadoras cuánticas son herramientas clave que aceleran los ciclos de descubrimiento y diseño necesarios para producir suficiente tritio para alimentar reactores de fusión", explicó Tom Beck, químico computacional del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

El proceso permitió a los investigadores obtener una mejor comprensión de la estructura electrónica del FLiBe, el comportamiento atómico y la resistencia de los enlaces moleculares dentro del tritio que podría surgir de cada configuración. Esto significa que los científicos de fusión pueden usar este flujo de trabajo para identificar configuraciones que vale la pena investigar antes de probarlas en la vida real, ahorrándoles tiempo en experimentos difíciles y costosos que podrían no llevar a ningún resultado.

"Estos resultados se suman a la evidencia creciente de que la supercomputación centrada en computación cuántica es ahora una herramienta científica práctica para problemas que han desafiado durante mucho tiempo a químicos, ingenieros y científicos de materiales", afirmó Jerry Chow, investigador de computación cuántica experimental en IBM.

Es importante aclarar que la investigación se encuentra aún en fase de simulación. Los resultados son prometedores, pero los investigadores aún no han resuelto la producción real de tritio. Las configuraciones identificadas por las supercomputadoras cuánticas deberán ser probadas en laboratorios antes de poder ser implementadas en reactores de fusión reales.

"A medida que las computadoras cuánticas se escalen, el camino por delante es prometedor", agregó Chow. Un preimpreso de la investigación está disponible en arXiv, la plataforma de distribución de artículos científicos de acceso abierto.

Este avance representa un paso crucial en la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía comercial. Si los investigadores logran resolver el problema del tritio mediante técnicas de reproducción eficientes, la fusión podría convertirse en una fuente de energía limpia, segura y prácticamente ilimitada que transformaría el panorama energético global. Sin embargo, aún quedan años de investigación y desarrollo antes de que la fusión pueda contribuir significativamente a la matriz energética mundial.