掌握太陽的力量

摘要:

聚變反應(yīng)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(dāng) TAE Technologies首席科學(xué)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(nèi)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(dāng)時很快發(fā)現(xiàn)，如果從迷宮的出口處開始進(jìn)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(shù)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(jié)果為導(dǎo)向，心有遠(yuǎn)慮，方得始終?！?br />
TAE的終極目標(biāo)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(biāo)。但能真正利用核聚變能源的時間，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(xiàn)在正呈指數(shù)級加速發(fā)展。一經(jīng)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(zhuǎn)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(wù)要艱巨得多，但釋放的能量也多得多。包括太陽在內(nèi)的恒星都是由核聚變驅(qū)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(chǎn)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(quán)：TAE

現(xiàn)在流行的方法是讓以下兩種類型的氫原子產(chǎn)生核聚變反應(yīng)：氘，在原子核中有一個質(zhì)子和一個中子；氚，有一個質(zhì)子和兩個中子。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(shù)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。強磁場用于將等離子體集中在反應(yīng)堆內(nèi)，遠(yuǎn)離裝置壁。

大多數(shù)氘氚反應(yīng)堆都是環(huán)形圈（圓環(huán)形狀的幾何術(shù)語）。這些系統(tǒng)面臨諸多難題和挑戰(zhàn)，包括需要設(shè)計生產(chǎn)氘氚處理設(shè)施、氚極其有限的可用性以及超導(dǎo)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(jié)果為導(dǎo)向開始思考解決方案：真正安全的反應(yīng)堆會是什么樣子？他們得出結(jié)論，唯一的答案是使用氫硼聚變。該反應(yīng)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(qū)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(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(fēng)險投資。他們已經(jīng)進(jìn)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(yīng)堆研究，該反應(yīng)堆以已故的Rostoker命名，命名為Norman。

TAE的聚變平臺是一個場反轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)。等離子體旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生自己的磁場，幫助自己保持受約束狀態(tài)。

當(dāng)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(yīng)堆保持等離子體被約束和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)配置的詳細(xì)呈現(xiàn)。圖片所有權(quán)：TAE

現(xiàn)場工作

保持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行需要不斷的測量和調(diào)整。腔室周圍有300多個磁傳感器，用于推斷內(nèi)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(yīng)循環(huán)需要在10微秒或百萬分之一秒內(nèi)發(fā)生。

Norman使用七個基于FPGA的模塊進(jìn)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(dāng)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(diào)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(jìn)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(jìn)行描述，它本質(zhì)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(nèi)做到這一點，他們請MathWorks為FPGA設(shè)計了一種算法，該算法將在10微秒內(nèi)處理1000個數(shù)字與另外一個1000個數(shù)字的相乘。

“我進(jìn)行FPGA的設(shè)計已經(jīng)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(shù)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(shè)計一個城市網(wǎng)絡(luò)來減少交通擁堵。然后，MATLAB將算法轉(zhuǎn)換為用于配置FPGA的代碼。

頻繁修改反應(yīng)堆的能力使TAE能夠快速進(jìn)行操作調(diào)整并快速融入新想法。圖片所有權(quán)：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(nèi)完成計算，我們相信能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。”

采集和控制模塊由Speedgoat使用Xilinx? FPGA設(shè)計。Speedgoat FPGA技術(shù)負(fù)責(zé)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(biāo)，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?！?br />
終極目標(biāo)是綠色無污染

TAE正在穩(wěn)步推進(jìn)這一進(jìn)程。盡管超高溫等離子體面臨著物理學(xué)方面的挑戰(zhàn)，但FRC的一個優(yōu)點是它們在機械方面比經(jīng)典的環(huán)形反應(yīng)堆更易于建造和維護。Romero回憶起當(dāng)初邀請客戶參觀工廠的情形，當(dāng)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(dāng)時這樣告訴客戶?！翱蛻舻姆磻?yīng)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?！?br />

TAE先進(jìn)的控制室。圖片所有權(quán)：TAE

TAE現(xiàn)在已經(jīng)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(jīng)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(guān)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?！?br />
TAE的下一個聚變裝置 Copernicus， 目前正在研發(fā)中。它是一個反應(yīng)堆規(guī)模的平臺，設(shè)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(yīng)可以產(chǎn)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(biāo)不限于聚變能源反應(yīng)堆。

“我們不僅僅從事發(fā)電業(yè)務(wù)，”Romero說。“我們致力于為向非碳經(jīng)濟的過渡提供全面的解決方案。是否能在發(fā)電領(lǐng)域獨占鰲頭無關(guān)緊要，只要還有燃油汽車的存在，問題就沒有真正得到解決。”