通过核聚变迈向无碳能源之路
摘要:
聚变反应堆需要智能工程、强磁场和定制的快速计算机。TAE正在致力于研发零温室气体排放的聚变能源。
核聚变能源不会造成空气污染，没有核熔毁的威胁，温室气体排放为零，并且不会产生长期放射性废物。
当 TAE Technologies首席科学家Jesús Romero还是个孩子时，他的父亲每个星期天都会带一份报纸回家。报纸内夹着一份给儿童看的小报纸，上面有益智游戏。游戏通常是走迷宫，即帮助卡通动物找到正确的路径，闯过各种“危险”最终获得奖品。Romero当时很快发现，如果从迷宫的出口处开始进行逆向推测，问题会很容易解决。他讲述这个故事主要是作为引子，想引出TAE公司（位于加利福尼亚州）入口处的一张海报。海报人物是该公司已故技术联合创始人Norman Rostoker，他戴着牛仔帽，海报上还引用了他的一句话：“以结果为导向，心有远虑，方得始终。”
TAE 的终极目标是安全地利用核聚变能源。利用核聚变能源是许多人几十年来一直在努力的目标。但能真正利用核聚变能源的时间，很大程度上取决于技术是否能赶上科学的发展，而科学现在正呈指数级加速发展。一经实现，核聚变将提供低廉、绿色、几乎无尽的能源，为社会带来深刻的转变。
现有的核电站使用的是核裂变，即原子的分裂。在核聚变中，原子则是被聚合在一起。这项任务要艰巨得多，但释放的能量也多得多。包括太阳在内的恒星都是由核聚变驱动的。核聚变能源不会造成空气污染，没有核熔毁的威胁，温室气体排放为零，并且不会产生长期放射性废物。
TAE于2017年7月推出了其第五代核聚变装置Norman。图片所有权：TAE
现在流行的方法是让以下两种类型的氢原子产生核聚变反应：氘，在原子核中有一个质子和一个中子；氚，有一个质子和两个中子。质子带正电并相互排斥，核聚变需要足够的压力和热量才能让原子核高速碰撞。所需的热量约为数亿摄氏度，足以熔化任何可能含有等离子体的物质——等离子体是一种电离气体，电子和原子核在其中独立飞行。强磁场用于将等离子体集中在反应堆内，远离装置壁。
大多数氘氚反应堆都是环形圈（圆环形状的几何术语）。这些系统面临诸多难题和挑战，包括需要设计生产氘氚处理设施、氚极其有限的可用性以及超导磁体的尺寸和成本。
TAE团队意识到有一种不一样的实现方式。他们以结果为导向开始思考解决方案：真正安全的反应堆会是什么样子？他们得出结论，唯一的答案是使用氢硼聚变。该反应仅释放出三个氦核，也称为α粒子（这也是TAE的全名Tri Alpha Energy的由来），以及X射线，可以通过加热金属板使液态CO2蒸发并驱动涡轮机来捕获它们以发电。
碰撞过程
Norman Rostoker，曾任加州大学欧文分校物理学教授，他的学生Michl Binderbauer，以及公司初创阶段的每个人，在1990年代初期就致力于解决这个问题，并于1998年创立了TAE，Binderbauer现在是公司的首席执行官。TAE已申请和获得超过1,400项专利，并获得超过7.5亿美元的风险投资。他们已经进行了超过100,000次实验，现在在全球30多个国家/地区拥有约200名员工，目前正致力于第五代实验反应堆研究，该反应堆以已故的Rostoker命名，命名为Norman。
TAE的聚变平台是一个场反转配置 (FRC, field-reversed configuration)、20米长的直管，周围环绕着圆形磁铁，气体从每一端高速喷射。TAE计划最终使用氢和硼的混合物，但在达到足够的温度之前，他们将使用氢和氘。
气体流碰撞并合并，然后开始旋转。中央腔室外的一组八个加速器光束向等离子体发射中性粒子 - 氘，从而加热等离子体并使其保持旋转。等离子体旋转时会产生自己的磁场，帮助自己保持受约束状态。
当两个粒子飞过彼此时，它们正面撞击并聚变的机会非常渺茫。这就是为什么反应堆保持等离子体被约束和旋转的原因。“它可以使粒子发生碰撞的可能性增加，”Romero 说，“问题是等离子体不稳定并且想要扩散。”
场反转配置的详细呈现。图片所有权：TAE
现场工作
保持反应持续进行需要不断的测量和调整。腔室周围有300多个磁传感器，用于推断内部等离子体的形状和位置。拥有定制的现场可编程门阵列 (FPGA) 的计算机不断收集数据并使用它来控制磁铁以形成等离子体。整个检测-反应循环需要在10微秒或百万分之一秒内发生。
Norman使用七个基于FPGA的模块进行传感和控制。四个采集模块接收来自传感器的输入信息，并将信息浓缩为20个描述等离子体当前状态的数字，通过通信模块，这些信息被发送到两个控制模块，它们决定如何调整等离子体的状态并将其信号传递给磁铁。整个系统中的FPGA均使用MATLAB®和Simulink®进行编程。
“我们的工作就是涉及 FRC 控制的方方面面。”
Jesús Romero，TAE Technologies首席科学家
测量每个等离子体粒子是不可能的，因此系统在“状态空间”中找到等离子体的位置，并使用一小组变量对其进行描述，它本质上是等离子体的抽象模型。采集系统的部分工作是使用来自数百个磁传感器的输入，来找到等离子体在20维状态空间中的位置。为了证明它可以在规定的时间内做到这一点，他们请MathWorks为FPGA设计了一种算法，该算法将在10微秒内处理1000个数字与另外一个1000个数字的相乘。
“我进行FPGA的设计已经超过30年了，但让它们以如此快的速度运行仍是一个挑战，”MathWorks的技术顾问Jonathan Young这样表示。
由于FPGA具有并行电路，编程人员需要编排计算的时序，以便每一步都能及时接收到所有输入。Young使用Simulink直观地移动逻辑块，用虚拟的信号线连接它们，并观察它们的时序。这就像设计一个城市网络来减少交通拥堵。然后，MATLAB将算法转换为用于配置FPGA的代码。
频繁修改反应堆的能力使TAE能够快速进行操作调整并快速融入新想法。图片所有权：TAE
最后，数字下降到3微秒。Young说，“令人惊奇的是，如此快速地完成了这么多计算，而TAE要求在10微秒内完成计算，我们相信能够实现这一目标。”
采集和控制模块由Speedgoat使用Xilinx® FPGA设计。Speedgoat FPGA技术负责人Patrick Herzig说：“我们从未有过如此庞大的配置”。Norman使用了七个模块，而通常一个项目仅使用一个模块，TAE希望处理不只是来自磁传感器的诊断信号，还有其它信号。
Romero表示：“我们正在拓宽研究范围，希望能控制越来越多的参数和指标，比如等离子体密度。我们的工作基本上涉及FRC控制的方方面面。”
终极目标是绿色无污染
TAE正在稳步推进这一进程。尽管超高温等离子体面临着物理学方面的挑战，但FRC的一个优点是它们在机械方面比经典的环形反应堆更易于建造和维护。Romero回忆起当初邀请客户参观工厂的情形，当时他们向客户展示了一个空房间，并表示将在这里建成一个核聚变装置。“我们将在这里建造核聚变装置，几年后，一切都将到位，”他记得当时这样告诉客户。“客户的反应是，‘不可能。’一年后，我们邀请他们再来，亲自见证系统启动和运行，他们惊呆了。”
TAE先进的控制室。图片所有权：TAE
“我们致力于为向非碳经济的过渡提供全面的解决方案。”
Jesús Romero，TAE Technologies首席科学家
TAE现在已经证明他们可以实现对等离子体的主动控制。他们还证实了这些实验具有良好的可扩展性，随着能量的增加，温度不会停滞不动。可以说，对这一未知可能性的探索，最难的问题已经得到了解答。相较于可扩展性，一个想法从根本上是否可行才更为关键。Romero表示：“我们所遵循的原则可以称之为‘试错优先’。把最精彩的演出推迟到最后不太明智。”
TAE的下一个聚变装置 Copernicus， 目前正在研发中。它是一个反应堆规模的平台，设计运行温度约为1亿摄氏度，与氘氚聚变所需的温度大致相同（但是，Copernicus 将不会使用氚作为燃料）。然后，TAE 计划建造一个名为 DaVinci 的最终原型，以展示氢硼燃料循环的净能量增益，这意味着聚变反应可以产生的能量比投入其中的能量多。
运行一项简单的实验所需的电力都会超出分配给商业办公空间的电力，因此 TAE 必须成为电力管理专家，有策略地存储和部署电力。他们现在正在讨论将这些创新商业化，他们的终极目标不限于聚变能源反应堆。
“我们不仅仅从事发电业务，”Romero说。“我们致力于为向非碳经济的过渡提供全面的解决方案。是否能在发电领域独占鳌头无关紧要，只要还有燃油汽车的存在，问题就没有真正得到解决。”
文章和图片均为MathWorks版权所有
