摘要:

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當時很快發現，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合創始人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。”

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展，而科學現在正呈指數級加速發展。一經實現，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。

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。

大多數氘氚反應堆都是環形圈（圓環形狀的幾何術語）。這些系統面臨諸多難題和挑戰，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CO2蒸發并驅動渦輪機來捕獲它們以發電。

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年創立了TAE，Binderbauer現在是公司的首席執行官。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，現在在全球30多個國家/地區擁有約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。

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。“它可以使粒子發生碰撞的可能性增加，”Romero 說，“問題是等離子體不穩定并且想要擴散。”

場反轉配置的詳細呈現。圖片所有權：TAE

現場工作

保持反應持續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。擁有定制的現場可編程門陣列 (FPGA) 的計算機不斷收集數據并使用它來控制磁鐵以形成等離子體。整個檢測-反應循環需要在10微秒或百萬分之一秒內發生。

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的數字，通過通信模塊，這些信息被發送到兩個控制模塊，它們決定如何調整等離子體的狀態并將其信號傳遞給磁鐵。整個系統中的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，因此系統在“狀態空間”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。采集系統的部分工作是使用來自數百個磁傳感器的輸入，來找到等離子體在20維狀態空間中的位置。為了證明它可以在規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個數字與另外一個1000個數字的相乘。

“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，”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。

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，我們相信能夠實現這一目標。”

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。”

終極目標是綠色無污染

TAE正在穩步推進這一進程。盡管超高溫等離子體面臨著物理學方面的挑戰，但FRC的一個優點是它們在機械方面比經典的環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。“我們將在這里建造核聚變裝置，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現在已經證明他們可以實現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。可以說，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‘試錯優先’。把最精彩的演出推遲到最后不太明智。”

TAE的下一個聚變裝置 Copernicus， 目前正在研發中。它是一個反應堆規模的平臺，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。他們現在正在討論將這些創新商業化，他們的終極目標不限于聚變能源反應堆。

“我們不僅僅從事發電業務，”Romero說。“我們致力于為向非碳經濟的過渡提供全面的解決方案。是否能在發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。”