蕴含着太阳的力量
通过核聚变实现碳独立之路
Jesús Romero，首席科学家TAE技术当他还是个孩子的时候，他的父亲每个星期天都会带一份报纸回家。里面有一份给孩子看的小报纸，里面有智力游戏。这些谜题通常是迷宫，目标是帮助卡通动物找到正确的道路，穿过各种“危险”，最终到达奖品。罗梅罗很快意识到，如果你从结尾开始，然后向后推，谜题会更容易解决。他讲述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)戴着牛仔帽，并引用了一句话:“我们以终为始。”
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，也不会产生长期放射性废物。
TAE的目标是安全的核聚变能源。核聚变发电是许多人几十年来一直在努力实现的目标。但实现地面核聚变的时间表在很大程度上依赖于技术赶上科学，而科学现在正以指数级速度加速。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。在聚变过程中，原子被迫结合在一起。这是一个更艰巨的任务，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，也不会产生长期放射性废物。
2017年7月，TAE公开了第五代核聚变设备“诺曼”。图片来源:TAE
目前流行的方法是融合两种类型的氢原子:氘和氚，前者的原子核中有一个质子和一个中子，后者的原子核中有一个质子和两个中子。质子带正电，相互排斥。核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——等离子体是一种电离气体，电子和原子核在其中独立飞行。强磁场被用来将等离子体集中在远离反应堆内壁的反应堆内部。
大多数氘-氚反应堆都是环形的，这是一个几何术语，表示甜甜圈的形状。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，以及超导体磁体的尺寸和成本。
TAE团队意识到有一种不同的方法。他们一开始就有这样的目的:一个真正安全的反应堆应该是什么样的?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，也被称为阿尔法粒子——因此TAE的原名是三阿尔法能量和x射线，可以通过加热金属板来产生液态CO来发电2汽化: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;公司早期的每个人都在20世纪90年代初开始解决这个问题，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。他们已经进行了超过10万次实验，现在雇佣了来自30多个国家的大约200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向结构(FRC)，一根20米长的直管，周围环绕着圆形磁铁。气体从两端高速射出。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，他们使用的是氢和氘。
两股气流碰撞、合并并开始旋转。中央室外的一组八束加速器束向等离子体发射中性粒子——氘，使其升温并保持旋转。当等离子体旋转时，它会产生自己的磁场，帮助它保持在内部。
当两个粒子相互飞过时，它们正面碰撞并融合的几率非常小。这就是为什么反应堆保持等离子体的封闭和循环。罗梅罗说:“这使粒子发生碰撞的可能性更大。”问题是等离子体是不稳定的，并且想要扩散。
字段反向配置的详细呈现。图片来源:TAE
现场工作
保持反应的进行需要不断的测量和调整。该实验室周围有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)的计算机持续收集数据，并用它来控制磁铁，然后对等离子体进行塑形。整个检测-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7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到通信模块。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®和仿真软金宝app件®．
测量每个等离子体粒子是不可能的，所以该系统在“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。为了证明它可以在规定的时间内做到这一点，MathWorks被要求为fpga设计一种采集算法，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Simu金宝applink可视化地移动逻辑块，用虚拟电线连接它们，并观察它们的时间。这就像设计一个城市网格来减少交通流量。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FRC控制的书。”
Jesús罗梅罗，TAE技术公司的首席科学家
频繁修改反应堆的能力使TAE能够快速进行操作调整，并迅速纳入新的想法。图片来源:TAE
最后，计算结果降到了3微秒。杨说:“令人惊讶的是，这么快就能完成这么多计算。”TAE需要在不到10微秒的时间内完成计算，而我们能够超越这一目标。”
采集和控制模块由Speedgoat使用Xilinx®fpga。Speedgoat FPGA技术主管帕特里克•赫齐格(Patrick Herzig)表示:“我们从未有过如此庞大的设置。”Norman使用七个模块，而典型的项目使用一个模块。此外，TAE还希望将诊断信号包括在磁传感器之外。
罗梅罗说:“我们将触角延伸到控制越来越多的东西，比如等离子体密度。我们正在写一本关于FRC控制的书。”
尽头是绿色
TAE正在稳步发展。尽管超高温等离子体的物理挑战，frc的一个优势是，它们在机械上比经典的环形反应堆更容易建造和维护。罗梅罗回忆说，在他们的聚变装置建成之前，邀请游客参观该设施，并向他们展示了一个空房间。“我们要在这里建造这个，几年后，我们将准备好一切，”他回忆说。“他们的反应是，‘不可能。’一年后，我们把他们请回来，我们的系统开始运行，这让他们大吃一惊。”
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血浆。他们还证明了实验的可扩展性很好——他们增加了更多的功率，温度不会稳定下来。关于可能性的最困难的问题已经得到了答案。罗梅罗说:“我们信奉所谓的‘失败优先’，而不是扩大规模，最终发现潜在的想法行不通。”“把重头戏推迟到最后没有意义。”
TAE的下一个聚变设备哥白尼目前正在开发中。这是一个反应堆规模的平台，设计运行温度约为1亿摄氏度，与氘-氚聚变所需的温度相同(然而，哥白尼不会用氚作为燃料)。TAE随后计划建造一个名为Da Vinci的最终原型，以演示氢硼燃料循环的净能量增益，这意味着该反应可以产生比投入更多的能量。
“我们的业务是为向无碳经济过渡提供全面的解决方案。”
Jesús罗梅罗，TAE技术公司的首席科学家
进行一个简短实验所需的电力比分配给商业办公空间的电力还要多，因此TAE必须成为电力管理、存储和战略部署方面的专家。他们现在正在讨论将这些创新商业化。他们心目中的最终目标不仅仅是核聚变反应堆。
罗梅罗说:“我们从事的不仅仅是发电业务。“我们的业务是为向无碳经济过渡提供全面的解决方案。如果你能提供所有的电力，其实并不重要。如果你仍然拥有以汽油为基础的汽车，那么你就没有解决问题。”
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