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聚變反應堆需要智能工程、強磁場和定制的快速計算機。TAE正在致力于研發(fā)零溫室氣體排放的聚變能源。
當 TAE Technologies首席科學家Jesús Romero還是個孩子時，他的父親每個星期天都會帶一份報紙回家。報紙內夾著一份給兒童看的小報紙，上面有益智游戲。游戲通常是走迷宮，即幫助卡通動物找到正確的路徑，闖過各種“危險”最終獲得獎品。Romero當時很快發(fā)現(xiàn)，如果從迷宮的出口處開始進行逆向推測，問題會很容易解決。他講述這個故事主要是作為引子，想引出TAE公司（位于加利福尼亞州）入口處的一張海報。海報人物是該公司已故技術聯(lián)合創(chuàng)始人Norman Rostoker，他戴著牛仔帽，海報上還引用了他的一句話：“以結果為導向，心有遠慮，方得始終?！?/p>
TAE 的終極目標是安全地利用核聚變能源。利用核聚變能源是許多人幾十年來一直在努力的目標。但能真正利用核聚變能源的時間，很大程度上取決于技術是否能趕上科學的發(fā)展，而科學現(xiàn)在正呈指數(shù)級加速發(fā)展。一經實現(xiàn)，核聚變將提供低廉、綠色、幾乎無盡的能源，為社會帶來深刻的轉變。
現(xiàn)有的核電站使用的是核裂變，即原子的分裂。在核聚變中，原子則是被聚合在一起。這項任務要艱巨得多，但釋放的能量也多得多。包括太陽在內的恒星都是由核聚變驅動的。核聚變能源不會造成空氣污染，沒有核熔毀的威脅，溫室氣體排放為零，并且不會產生長期放射性廢物。
核聚變能源不會造成空氣污染，沒有核熔毀的威脅，溫室氣體排放為零，并且不會產生長期放射性廢物。
TAE于2017年7月推出了其第五代核聚變裝置Norman。圖片所有權：TAE
現(xiàn)在流行的方法是讓以下兩種類型的氫原子產生核聚變反應：氘，在原子核中有一個質子和一個中子；氚，有一個質子和兩個中子。質子帶正電并相互排斥，核聚變需要足夠的壓力和熱量才能讓原子核高速碰撞。所需的熱量約為數(shù)億攝氏度，足以熔化任何可能含有等離子體的物質——等離子體是一種電離氣體，電子和原子核在其中獨立飛行。強磁場用于將等離子體集中在反應堆內，遠離裝置壁。
大多數(shù)氘氚反應堆都是環(huán)形圈（圓環(huán)形狀的幾何術語）。這些系統(tǒng)面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，包括需要設計生產氘氚處理設施、氚極其有限的可用性以及超導磁體的尺寸和成本。
TAE團隊意識到有一種不一樣的實現(xiàn)方式。他們以結果為導向開始思考解決方案：真正安全的反應堆會是什么樣子？他們得出結論，唯一的答案是使用氫硼聚變。該反應僅釋放出三個氦核，也稱為α粒子（這也是TAE的全名Tri Alpha Energy的由來），以及X射線，可以通過加熱金屬板使液態(tài)CO2蒸發(fā)并驅動渦輪機來捕獲它們以發(fā)電。
碰撞過程
Norman Rostoker，曾任加州大學歐文分校物理學教授，他的學生Michl Binderbauer，以及公司初創(chuàng)階段的每個人，在1990年代初期就致力于解決這個問題，并于1998年創(chuàng)立了TAE，Binderbauer現(xiàn)在是公司的首席執(zhí)行官。TAE已申請和獲得超過1,400項專利，并獲得超過7.5億美元的風險投資。他們已經進行了超過100,000次實驗，現(xiàn)在在全球30多個國家/地區(qū)擁有約200名員工，目前正致力于第五代實驗反應堆研究，該反應堆以已故的Rostoker命名，命名為Norman。
TAE的聚變平臺是一個場反轉配置 (FRC, field-reversed configuration)、20米長的直管，周圍環(huán)繞著圓形磁鐵，氣體從每一端高速噴射。TAE計劃最終使用氫和硼的混合物，但在達到足夠的溫度之前，他們將使用氫和氘。
氣體流碰撞并合并，然后開始旋轉。中央腔室外的一組八個加速器光束向等離子體發(fā)射中性粒子 - 氘，從而加熱等離子體并使其保持旋轉。等離子體旋轉時會產生自己的磁場，幫助自己保持受約束狀態(tài)。
當兩個粒子飛過彼此時，它們正面撞擊并聚變的機會非常渺茫。這就是為什么反應堆保持等離子體被約束和旋轉的原因?！八梢允沽Ｗ影l(fā)生碰撞的可能性增加，”Romero 說，“問題是等離子體不穩(wěn)定并且想要擴散。”
場反轉配置的詳細呈現(xiàn)。圖片所有權：TAE
現(xiàn)場工作
保持反應持續(xù)進行需要不斷的測量和調整。腔室周圍有300多個磁傳感器，用于推斷內部等離子體的形狀和位置。擁有定制的現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 的計算機不斷收集數(shù)據(jù)并使用它來控制磁鐵以形成等離子體。整個檢測-反應循環(huán)需要在10微秒或百萬分之一秒內發(fā)生。
Norman使用七個基于FPGA的模塊進行傳感和控制。四個采集模塊接收來自傳感器的輸入信息，并將信息濃縮為20個描述等離子體當前狀態(tài)的數(shù)字，通過通信模塊，這些信息被發(fā)送到兩個控制模塊，它們決定如何調整等離子體的狀態(tài)并將其信號傳遞給磁鐵。整個系統(tǒng)中的FPGA均使用MATLAB?和Simulink?進行編程。
測量每個等離子體粒子是不可能的，因此系統(tǒng)在“狀態(tài)空間”中找到等離子體的位置，并使用一小組變量對其進行描述，它本質上是等離子體的抽象模型。采集系統(tǒng)的部分工作是使用來自數(shù)百個磁傳感器的輸入，來找到等離子體在20維狀態(tài)空間中的位置。為了證明它可以在規(guī)定的時間內做到這一點，他們請MathWorks為FPGA設計了一種算法，該算法將在10微秒內處理1000個數(shù)字與另外一個1000個數(shù)字的相乘。
“我們的工作就是涉及 FRC 控制的方方面面?！?/p>
?Jesús Romero，TAE Technologies首席科學家
“我進行FPGA的設計已經超過30年了，但讓它們以如此快的速度運行仍是一個挑戰(zhàn)，”MathWorks的技術顧問Jonathan Young這樣表示。
由于FPGA具有并行電路，編程人員需要編排計算的時序，以便每一步都能及時接收到所有輸入。Young使用Simulink直觀地移動邏輯塊，用虛擬的信號線連接它們，并觀察它們的時序。這就像設計一個城市網絡來減少交通擁堵。然后，MATLAB將算法轉換為用于配置FPGA的代碼。
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頻繁修改反應堆的能力使TAE能夠快速進行操作調整并快速融入新想法。圖片所有權：TAE
最后，數(shù)字下降到3微秒。Young說，“令人驚奇的是，如此快速地完成了這么多計算，而TAE要求在10微秒內完成計算，我們相信能夠實現(xiàn)這一目標?！?/p>
采集和控制模塊由Speedgoat使用Xilinx? FPGA設計。Speedgoat FPGA技術負責人Patrick Herzig說：“我們從未有過如此龐大的配置”。Norman使用了七個模塊，而通常一個項目僅使用一個模塊，TAE希望處理不只是來自磁傳感器的診斷信號，還有其它信號。
Romero表示：“我們正在拓寬研究范圍，希望能控制越來越多的參數(shù)和指標，比如等離子體密度。我們的工作基本上涉及FRC控制的方方面面?！?/p>
終極目標是綠色無污染
TAE正在穩(wěn)步推進這一進程。盡管超高溫等離子體面臨著物理學方面的挑戰(zhàn)，但FRC的一個優(yōu)點是它們在機械方面比經典的環(huán)形反應堆更易于建造和維護。Romero回憶起當初邀請客戶參觀工廠的情形，當時他們向客戶展示了一個空房間，并表示將在這里建成一個核聚變裝置?！拔覀儗⒃谶@里建造核聚變裝置，幾年后，一切都將到位，”他記得當時這樣告訴客戶。“客戶的反應是，‘不可能。’一年后，我們邀請他們再來，親自見證系統(tǒng)啟動和運行，他們驚呆了。”
TAE先進的控制室。圖片所有權：TAE
TAE現(xiàn)在已經證明他們可以實現(xiàn)對等離子體的主動控制。他們還證實了這些實驗具有良好的可擴展性，隨著能量的增加，溫度不會停滯不動?？梢哉f，對這一未知可能性的探索，最難的問題已經得到了解答。相較于可擴展性，一個想法從根本上是否可行才更為關鍵。Romero表示：“我們所遵循的原則可以稱之為‘試錯優(yōu)先’。把最精彩的演出推遲到最后不太明智?！?/p>
TAE的下一個聚變裝置 Copernicus， 目前正在研發(fā)中。它是一個反應堆規(guī)模的平臺，設計運行溫度約為1億攝氏度，與氘氚聚變所需的溫度大致相同（但是，Copernicus 將不會使用氚作為燃料）。然后，TAE 計劃建造一個名為 DaVinci 的最終原型，以展示氫硼燃料循環(huán)的凈能量增益，這意味著聚變反應可以產生的能量比投入其中的能量多。
運行一項簡單的實驗所需的電力都會超出分配給商業(yè)辦公空間的電力，因此 TAE 必須成為電力管理專家，有策略地存儲和部署電力。他們現(xiàn)在正在討論將這些創(chuàng)新商業(yè)化，他們的終極目標不限于聚變能源反應堆。
“我們不僅僅從事發(fā)電業(yè)務，”Romero說?！拔覀冎铝τ跒橄蚍翘冀洕倪^渡提供全面的解決方案。是否能在發(fā)電領域獨占鰲頭無關緊要，只要還有燃油汽車的存在，問題就沒有真正得到解決?！?/p>
“我們的工作就是涉及 FRC 控制的方方面面?！?/p>
?Jesús Romero，TAE Technologies首席科學家
