摘要:
聚變反應(yīng)堆需要智能工程、強(qiáng)磁場(chǎng)和定制的快速計(jì)算機(jī)。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(gè)孩子時(shí)，他的父親每個(gè)星期天都會(huì)帶一份報(bào)紙回家。報(bào)紙內(nèi)夾著一份給兒童看的小報(bào)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，闖過各種“危險(xiǎn)”最終獲得獎(jiǎng)品。Romero當(dāng)時(shí)很快發(fā)現(xiàn)，如果從迷宮的出口處開始進(jìn)行逆向推測(cè)，問題會(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(bào)。海報(bào)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(bào)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?！?/FONT>
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(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(xiàn)在正呈指數(shù)級(jí)加速發(fā)展。一經(jīng)實(shí)現(xiàn)，核聚變將提供低廉、綠色、幾乎無盡的能源，為社會(huì)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(xiàng)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(dòng)的。核聚變能源不會(huì)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(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)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(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(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(dú)立飛行。強(qiáng)磁場(chǎng)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(jì)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(tuán)隊(duì)意識(shí)到有一種不一樣的實(shí)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(huì)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(gè)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(dòng)渦輪機(jī)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(gè)人，在1990年代初期就致力于解決這個(gè)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(qǐng)和獲得超過1,400項(xiàng)專利，并獲得超過7.5億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。他們已經(jīng)進(jìn)行了超過100,000次實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在在全球30多個(gè)國(guó)家/地區(qū)擁有約200名員工，目前正致力于第五代實(shí)驗(yàn)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(tái)是一個(gè)場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置 (FRC, field-reversed configuration)、20米長(zhǎng)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(jì)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(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(zhuǎn)。等離子體旋轉(zhuǎn)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(dāng)兩個(gè)粒子飛過彼此時(shí)，它們正面撞擊并聚變的機(jī)會(huì)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(kuò)散?！?/FONT>
場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置的詳細(xì)呈現(xiàn)。圖片所有權(quán)：TAE
現(xiàn)場(chǎng)工作
保持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行需要不斷的測(cè)量和調(diào)整。腔室周圍有300多個(gè)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(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 的計(jì)算機(jī)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(gè)檢測(cè)-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(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(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(gè)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(hào)傳遞給磁鐵。整個(gè)系統(tǒng)中的FPGA均使用MATLAB?和Simulink?進(jìn)行編程。
測(cè)量每個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)間內(nèi)做到這一點(diǎn)，他們請(qǐng)MathWorks為FPGA設(shè)計(jì)了一種算法，該算法將在10微秒內(nèi)處理1000個(gè)數(shù)字與另外一個(gè)1000個(gè)數(shù)字的相乘。
“我進(jìn)行FPGA的設(shè)計(jì)已經(jīng)超過30年了，但讓它們以如此快的速度運(yùn)行仍是一個(gè)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(jì)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直觀地移動(dòng)邏輯塊，用虛擬的信號(hào)線連接它們，并觀察它們的時(shí)序。這就像設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)算，而TAE要求在10微秒內(nèi)完成計(jì)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(jì)。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(gè)模塊，而通常一個(gè)項(xiàng)目?jī)H使用一個(gè)模塊，TAE希望處理不只是來自磁傳感器的診斷信號(hào)，還有其它信號(hào)。
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?！?/FONT>
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(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)跈C(jī)械方面比經(jīng)典的環(huán)形反應(yīng)堆更易于建造和維護(hù)。Romero回憶起當(dāng)初邀請(qǐng)客戶參觀工廠的情形，當(dāng)時(shí)他們向客戶展示了一個(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(dāng)時(shí)這樣告訴客戶?！翱蛻舻姆磻?yīng)是，‘不可能?！荒旰?，我們邀請(qǐng)他們?cè)賮?，親自見證系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行，他們驚呆了?！?/FONT>
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(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的主動(dòng)控制。他們還證實(shí)了這些實(shí)驗(yàn)具有良好的可擴(kuò)展性，隨著能量的增加，溫度不會(huì)停滯不動(dòng)?？梢哉f，對(duì)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(kuò)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之為‘試錯(cuò)優(yōu)先’。把最精彩的演出推遲到最后不太明智?！?/FONT>
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(yīng)堆規(guī)模的平臺(tái)，設(shè)計(jì)運(yùn)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(jì)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，這意味著聚變反應(yīng)可以產(chǎn)生的能量比投入其中的能量多。
運(yùn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)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家，有策略地存儲(chǔ)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(jì)的過渡提供全面的解決方案。是否能在發(fā)電領(lǐng)域獨(dú)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?！?/FONT>(文章和圖片均為MathWorks版權(quán)所有)
（轉(zhuǎn)載）
