蕴含着太阳的力量
通过核聚变实现碳独立之路
当Jesús Romero，首席科学家TAE技术当他还是个孩子的时候，他父亲每个星期天都会给他带一份报纸回家。里面是给孩子们的小报纸，上面有拼图。这些谜题通常是迷宫，玩家的目标是帮助卡通动物找到正确的道路，穿越各种“危险”，最终到达奖品。Romero很快意识到，如果你从最后开始，然后再往回走，那么解决谜题会更容易。他讲这个故事是为了描述加州TAE入口处的一张海报。海报上，该公司已故的技术联合创始人诺曼·罗斯托克(Norman Rostoker)戴着一顶牛仔帽，上面写着一句话:“我们以最终目标为出发点。”
核聚变能源不会产生空气污染，没有核熔毁的威胁，没有温室气体排放，也不会产生长期的放射性废物。
TAE考虑的最终目标是安全的核聚变发电。核聚变发电是许多人已经努力了几十年的目标。但是，实现陆地核聚变的时间表在很大程度上取决于技术能否跟上科学的步伐，而这一技术现在正以指数级的速度加速。一旦实现，核聚变将提供廉价、绿色、几乎无穷无尽的能源，并改变社会。
现有的核电站使用裂变，即原子的分裂。在核聚变中，原子被迫结合。这是一个更困难的任务，但释放更多的能量。恒星，包括太阳，都是由核聚变提供能量的。核聚变能源不会产生空气污染，没有核熔毁的威胁，没有温室气体排放，也不会产生长期的放射性废物。
2017年7月，TAE公布了其第五代核聚变装置Norman。图片来源:TAE
目前流行的方法是将两种类型的氢原子融合在一起:原子核中有一个质子和一个中子的氘，以及有一个质子和两个中子的氚。质子带正电，相互排斥。聚变需要足够的压力和热量使它们高速碰撞。所需的热量，大约是几亿摄氏度，足以融化任何可能含有等离子体的东西——等离子体是一种电子和原子核独立飞行的电离气体。强磁场被用来使等离子体集中在反应堆内部，远离反应堆壁。
大多数氘-氚反应堆都是环形的，这是甜甜圈形状的几何术语。这些系统面临的挑战包括对氘-氚处理设施的需求，氚的可用性极其有限，以及超导磁体的尺寸和成本。
TAE团队意识到还有另一种方法。他们一开始就考虑到一个问题:一个真正安全的反应堆是什么样子的?他们得出结论，唯一的答案是使用氢硼聚变。这个反应只释放出三个氦核，也被称为α粒子——这也是TAE最初的名字，三α能量和x射线，通过加热金属板产生液态CO，可以捕获x射线来发电2蒸发并驱动涡轮机。
碰撞的过程
罗斯托克是加州大学欧文分校的物理学教授;他的学生米歇尔·宾德鲍尔;在20世纪90年代初，公司早期的每个人都开始着手解决这个问题，并于1998年成立了TAE。宾德鲍尔现在是该公司的首席执行官。TAE已经申请或获得了1400多项专利，并获得了超过7.5亿美元的风险投资。他们已经进行了10万多次实验，现在雇佣了来自30多个国家的200多名员工。他们目前正在使用第五代实验反应堆，命名为诺曼，以已故的罗斯托克命名。
TAE的聚变平台是一个场反转配置(FRC)，一个由圆形磁铁包围的20米长的直管。气体从两端高速燃烧。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，他们会使用氢和氘。
这些流相互碰撞、合并并开始旋转。中央腔室外的一组8个加速器束向等离子体发射中性粒子——氘，使等离子体升温并保持旋转。当等离子体旋转时，它会产生自己的磁场，帮助控制它。
当两个粒子飞过对方时，它们正面相撞并融合的几率非常小。这就是反应堆保持等离子体循环的原因。“这给了粒子更大的碰撞可能性，”罗梅罗说。问题是等离子体不稳定，容易扩散。
场反转配置的详细呈现。图片来源:TAE
现场工作
保持反应进行需要不断的测量和调整。该腔室周围有300多个磁传感器，用于推断内部等离子体的形状和位置。带有定制现场可编程门阵列(fpga)的计算机不断收集数据，并用它来控制磁铁，然后形成等离子体。整个探测-反应循环需要在10微秒内完成，也就是百万分之一秒。
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，并将信息浓缩为描述等离子体当前状态的20个数字，然后将这些数字发送给通信模块。然后将信息发送到两个控制模块，它们决定如何调整等离子体的状态，并将信号传递给磁铁。fpga均采用MATLAB编程®和仿真软件®．
测量每个等离子体粒子是不可能的，所以系统在“状态空间”中找到等离子体的位置，使用一小组变量来描述它。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。为了证明它可以在分配的时间内完成，MathWorks被要求为fpga设计一个采集算法，该算法可以在10微秒内将1000个数字乘以1000个数字。
MathWorks的技术顾问乔纳森·杨(Jonathan Young)说:“我设计fpga已经有30多年了，让它们运行得那么快是一个挑战。”
由于fpga具有并行电路，程序员需要编排计算的时间，以便每个步骤及时接收所有输入。Young使用Simulink可视化地移动逻辑块，用虚拟线将它们连接起来，并观察它们的时间。这就像设计一个城市网格来减少交通。然后MATLAB将算法转换为用于配置FPGA的代码。
“我们基本上是在写一本关于财务汇报财务报表控制的书。”
Jesús Romero, TAE科技公司的首席科学家
频繁修改反应器的能力使TAE能够进行快速操作调整并快速合并新想法。图片来源:TAE
最后，计算时间缩短到3微秒。杨说:“令人惊奇的是，这么多的计算能这么快完成。”TAE需要在不到10微秒的时间内完成计算，而我们做到了这一点。”
采集和控制模块由Speedgoat使用Xilinx®fpga。“我们从未有过如此庞大的设置，”Speedgoat的FPGA技术主管帕特里克·赫齐格(Patrick Herzig)说。诺曼使用七个模块，而一个典型的项目使用一个。TAE正在寻求包括来自磁传感器以外的诊断信号。
罗梅罗说:“我们正在扩展触角来控制越来越多的东西，比如等离子体密度。我们基本上是在写一本关于FRC控制的书。”
终点是绿色的
TAE正在稳步发展。尽管超高温等离子体在物理学上存在挑战，但frc的一个优点是，与传统的环形反应堆相比，它们在机械上更容易建造和维护。罗梅罗回忆说，在他们的一个核聚变装置建成之前，曾邀请参观者参观该设施，并向他们展示了一个空房间。“我们要在这里建造这个，再过几年，我们就会把一切都准备好，”他回忆说。“他们的反应是，‘不可能。’一年后，我们把他们带回来，我们的系统已经启动并运行了，这让他们非常兴奋。”
TAE最先进的控制室。图片来源:TAE
TAE现在已经证明他们可以主动控制等离子体。他们还证明，实验规模很好——当他们增加更多的功率时，温度不会停滞不前。关于什么是可能的最困难的问题已经得到了回答。罗梅罗说:“我们相信所谓的‘失败优先’，而不是扩大规模，只会发现潜在的想法不起作用。”“把好戏拖到最后是没有意义的。”
TAE的下一个核聚变装置“哥白尼”目前正在开发中。这是一个反应堆规模的平台，设计工作温度约为1亿摄氏度，与氘-氚聚变所需的温度大致相同(然而，哥白尼号将不使用氚作为燃料)。然后，TAE计划建造一个名为达芬奇的最终原型，以展示氢-硼燃料循环的净能量增益，这意味着该反应产生的能量比投入的能量要多。
“我们的业务是为向无碳经济过渡提供全面的解决方案。”
Jesús Romero, TAE科技公司的首席科学家
运行一个简短实验所需的电力远远超过分配给商业办公空间的电力，因此TAE必须成为电源管理、存储和战略性部署电源方面的专家。他们现在正在讨论将这些创新商业化。他们心目中的目标远不止核聚变反应堆。
“我们不仅仅从事发电业务，”罗梅罗说。“我们的业务是为向无碳经济过渡提供全面的解决方案。你是否提供所有的电力并不重要。如果你的汽车仍然以汽油为基础，那么你就没有解决问题。”
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