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環(huán)保

掌握太陽的力量——通過核聚變邁向無碳能源之路

2025China.cn   2022年05月26日

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?!?/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。“它可以使粒子發(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?!?/FONT>

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。”

  終極目標(biāo)是綠色無污染

  TAE正在穩(wěn)步推進這一進程。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?!荒旰?,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?!?/FONT>

TAE先進的控制室。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。”

  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?!拔覀冎铝τ跒橄蚍翘冀?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?!?/FONT>(文章和圖片均為MathWorks版權(quán)所有)

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