Но прежде чем приступить к его реализации, необходимо преодолеть огромные технологические трудности. Некоторые из них связаны с материалами.

Для термоядерных реакторов требуются материалы, которые могут выдерживать экстремальные условия на границе с плазмой.

В конструкции экспериментального европейского реактора ITER, который строится во Франции, есть компонент под названием дивертор. Он отбирает тепло и золу, образующиеся в результате термоядерной реакции, и направляет их на определенные поверхности для охлаждения.

Материалы дивертора, обращенные к плазме, выдерживают высокие температуры и постоянно подвергаются бомбардировке нейтронами, электронами, заряженными ионами и высокоэнергетическим излучением.

В проекте ИТЭР дивертор сделан из вольфрама, металла с высокой термостойкостью. Но рассматривались и другие варианты — углеродные волокна или керамические материалы. До сих пор нет уверенности, что вольфрам — лучший выбор для будущих реакторов.

Теория и вычислительные методы могут помочь найти оптимальный материал для дивертора и сделать термоядерный синтез реальностью. Ученые из лаборатории MARVEL в EPFL предложили метод масштабного скрининга потенциальных материалов и список наиболее перспективных из них.

Чтобы реалистично смоделировать динамику на границе плазма-материал, потребовалось бы просчитать поведение тысяч атомов в течение нескольких миллисекунд. При нынешних вычислительных мощностях это невозможно, — говорит Андреа Федригуччи, аспирант и первый автор статьи.

Поэтому ученые решили выбрать несколько ключевых свойств материала, обращенного к плазме, которые позволят оценить его эффективность в диверторе.

Сначала исследователи обратились к базе данных неорганических кристаллических структур Полинга и создали рабочий процесс для поиска тех из них, что обладают достаточной устойчивостью к температурам реактора. Это можно определить по их теплоемкости, теплопроводности, температуре плавления и плотности.

Поскольку температура поверхности слоя материала зависит от его толщины, команда также вычислила максимальную толщину, при которой материалы не расплавятся. Материалы были проранжированы в соответствии с этой характеристикой. Если максимальную толщину рассчитать не удалось, использовался метод оптимизации по Парето для ранжирования материалов по упомянутым свойствам.

В результате был составлен первый шорт-лист из 71 кандидата. На этом этапе пришлось использовать старинный метод, не связанный с вычислениями.

Я изучил литературу по каждому из материалов, чтобы проверить, не были ли они уже протестированы и отброшены или не было ли у них свойств, которые препятствуют их использованию в термоядерном реакторе. Например, склонность к эрозии или ухудшение тепловых свойств под воздействием плазмы и нейтронной бомбардировки, — заявил Федригуччи.

В результате исследования пришлось отказаться от некоторых инновационных материалов, предложенных для применения в термоядерных реакторах, например, высокоэнтропийных сплавов.

Из 21 материала с помощью DFT-процесса были рассчитаны два ключевых свойства, важных для плазменного синтеза: поверхностная энергия связывания (мера легкости извлечения атома с поверхности) и энергия образования водородного интерстиция (косвенный показатель растворимости трития в кристаллической структуре).

По словам Федригуччи, если материал дивертора чрезмерно эродирует в течение срока службы, атомы рассеиваются в плазме, снижая ее температуру.

Кроме того, химическая реакция материала с тритием может привести к уменьшению количества трития, доступного для термоядерного синтеза, а также к накоплению запасов трития свыше безопасных пределов.

В итоговый рейтинг по ключевым свойствам вошли:

• вольфрам в металлической (W) и карбидной формах (WC и W2C);
• алмаз и графит;
• нитрид бора;
• молибден, тантал и рений.

Были и сюрпризы — например, особая фаза нитрида тантала или другие керамики на основе бора и азота, которые ранее не испытывались для этого применения.

В будущем группа планирует использовать нейронные сети для более точного моделирования процессов, происходящих с материалами в реакторе, включая взаимодействие с нейтронами.

Результаты опубликованы в издании PRX Energy.