掌握太陽(yáng)的力量

當TAE Technologies首席科學(xué)家Jesús Romero還是個(gè)孩子時(shí)，他的父親每個(gè)星期天都會(huì )帶一份報紙回家。報紙內夾著(zhù)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(dòng)物找到正確的路徑，闖過(guò)各種“危險”最終獲得獎品。Romero當時(shí)很快發(fā)現，如果從迷宮的出口處開(kāi)始進(jìn)行逆向推測，問(wèn)題會(huì )很容易解決。他講述這個(gè)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(shù)聯(lián)合創(chuàng )始人Norman Rostoker，他戴著(zhù)牛仔帽，海報上還引用了他的一句話(huà)：“以結果為導向，心有遠慮，方得始終?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202205/434528.htm

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(lái)一直在努力的目標。但能真正利用核聚變能源的時(shí)間，很大程度上取決于技術(shù)是否能趕上科學(xué)的發(fā)展，而科學(xué)現在正呈指數級加速發(fā)展。一經(jīng)實(shí)現，核聚變將提供低廉、綠色、幾乎無(wú)盡的能源，為社會(huì )帶來(lái)深刻的轉變。

現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(wù)要艱巨得多，但釋放的能量也多得多。包括太陽(yáng)在內的恒星都是由核聚變驅動(dòng)的。核聚變能源不會(huì )造成空氣污染，沒(méi)有核熔毀的威脅，溫室氣體排放為零，并且不會(huì )產(chǎn)生長(cháng)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

現在流行的方法是讓以下兩種類(lèi)型的氫原子產(chǎn)生核聚變反應：氘，在原子核中有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子；氚，有一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。質(zhì)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。所需的熱量約為數億攝氏度，足以熔化任何可能含有等離子體的物質(zhì)——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(chǎng)用于將等離子體集中在反應堆內，遠離裝置壁。

大多數氘氚反應堆都是環(huán)形圈（圓環(huán)形狀的幾何術(shù)語(yǔ)）。這些系統面臨諸多難題和挑戰，包括需要設計生產(chǎn)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(shí)現方式。他們以結果為導向開(kāi)始思考解決方案：真正安全的反應堆會(huì )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(gè)氦核，也稱(chēng)為α粒子（這也是TAE的全名Tri Alpha Energy的由來(lái)），以及X射線(xiàn)，可以通過(guò)加熱金屬板使液態(tài)CO₂蒸發(fā)并驅動(dòng)渦輪機來(lái)捕獲它們以發(fā)電。

碰撞過(guò)程

Norman Rostoker，曾任加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)教授，他的學(xué)生Michl Binderbauer，以及公司初創(chuàng )階段的每個(gè)人，在1990年代初期就致力于解決這個(gè)問(wèn)題，并于1998年創(chuàng )立了TAE，Binderbauer現在是公司的首席執行官。TAE已申請和獲得超過(guò)1,400項專(zhuān)利，并獲得超過(guò)7.5億美元的風(fēng)險投資。他們已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)100,000次實(shí)驗，現在在全球30多個(gè)國家/地區擁有約200名員工，目前正致力于第五代實(shí)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(gè)場(chǎng)反轉配置 (FRC, field-reversed configuration)、20米長(cháng)的直管，周?chē)h(huán)繞著(zhù)圓形磁鐵，氣體從每一端高速?lài)娚?。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(kāi)始旋轉。中央腔室外的一組八個(gè)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(shí)會(huì )產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，幫助自己保持受約束狀態(tài)。

當兩個(gè)粒子飛過(guò)彼此時(shí)，它們正面撞擊并聚變的機會(huì )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(shuō)，“問(wèn)題是等離子體不穩定并且想要擴散?！?/p>

場(chǎng)反轉配置的詳細呈現。圖片所有權：TAE

現場(chǎng)工作

保持反應持續進(jìn)行需要不斷的測量和調整。腔室周?chē)?00多個(gè)磁傳感器，用于推斷內部等離子體的形狀和位置。擁有定制的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 的計算機不斷收集數據并使用它來(lái)控制磁鐵以形成等離子體。整個(gè)檢測-反應循環(huán)需要在10微秒或百萬(wàn)分之一秒內發(fā)生。

Norman使用七個(gè)基于FPGA的模塊進(jìn)行傳感和控制。四個(gè)采集模塊接收來(lái)自傳感器的輸入信息，并將信息濃縮為20個(gè)描述等離子體當前狀態(tài)的數字，通過(guò)通信模塊，這些信息被發(fā)送到兩個(gè)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(gè)系統中的FPGA均使用MATLAB^?和Simulink^?進(jìn)行編程。

測量每個(gè)等離子體粒子是不可能的，因此系統在“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(jìn)行描述，它本質(zhì)上是等離子體的抽象模型。采集系統的部分工作是使用來(lái)自數百個(gè)磁傳感器的輸入，來(lái)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定的時(shí)間內做到這一點(diǎn)，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(gè)數字與另外一個(gè)1000個(gè)數字的相乘。

“我進(jìn)行FPGA的設計已經(jīng)超過(guò)30年了，但讓它們以如此快的速度運行仍是一個(gè)挑戰，”MathWorks的技術(shù)顧問(wèn)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(shí)序，以便每一步都能及時(shí)接收到所有輸入。Young使用Simulink直觀(guān)地移動(dòng)邏輯塊，用虛擬的信號線(xiàn)連接它們，并觀(guān)察它們的時(shí)序。這就像設計一個(gè)城市網(wǎng)絡(luò )來(lái)減少交通擁堵。然后，MATLAB將算法轉換為用于配置FPGA的代碼。

頻繁修改反應堆的能力使TAE能夠快速進(jìn)行操作調整并快速融入新想法。圖片所有權：TAE

最后，數字下降到3微秒。Young說(shuō)，“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(shí)現這一目標?！?/p>

采集和控制模塊由Speedgoat使用Xilinx? FPGA設計。Speedgoat FPGA技術(shù)負責人Patrick Herzig說(shuō)：“我們從未有過(guò)如此龐大的配置”。Norman使用了七個(gè)模塊，而通常一個(gè)項目?jì)H使用一個(gè)模塊，TAE希望處理不只是來(lái)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(lái)越多的參數和指標，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(wú)污染

TAE正在穩步推進(jìn)這一進(jìn)程。盡管超高溫等離子體面臨著(zhù)物理學(xué)方面的挑戰，但FRC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們在機械方面比經(jīng)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(hù)參觀(guān)工廠(chǎng)的情形，當時(shí)他們向客戶(hù)展示了一個(gè)空房間，并表示將在這里建成一個(gè)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(shí)這樣告訴客戶(hù)?！翱蛻?hù)的反應是，‘不可能?！荒旰?，我們邀請他們再來(lái)，親自見(jiàn)證系統啟動(dòng)和運行，他們驚呆了?！?/p>

TAE先進(jìn)的控制室。圖片所有權：TAE

TAE現在已經(jīng)證明他們可以實(shí)現對等離子體的主動(dòng)控制。他們還證實(shí)了這些實(shí)驗具有良好的可擴展性，隨著(zhù)能量的增加，溫度不會(huì )停滯不動(dòng)?？梢哉f(shuō)，對這一未知可能性的探索，最難的問(wèn)題已經(jīng)得到了解答。相較于可擴展性，一個(gè)想法從根本上是否可行才更為關(guān)鍵。Romero表示：“我們所遵循的原則可以稱(chēng)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(gè)聚變裝置 Copernicus， 目前正在研發(fā)中。它是一個(gè)反應堆規模的平臺，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(huì )使用氚作為燃料）。然后，TAE 計劃建造一個(gè)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(zhù)聚變反應可以產(chǎn)生的能量比投入其中的能量多。

運行一項簡(jiǎn)單的實(shí)驗所需的電力都會(huì )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(zhuān)家，有策略地存儲和部署電力。他們現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(wù)，”Romero說(shuō)?！拔覀冎铝τ跒橄蚍翘冀?jīng)濟的過(guò)渡提供全面的解決方案。是否能在發(fā)電領(lǐng)域獨占鰲頭無(wú)關(guān)緊要，只要還有燃油汽車(chē)的存在，問(wèn)題就沒(méi)有真正得到解決?！?/p>