TAE：控制核聚变功率-MATLAB和Simulink

当Jesús RomeroTAE技术是个孩子，他父亲过去每个星期天都会带一份报纸回家。里面是一份给孩子们的小报纸，里面有拼图。谜题通常是迷宫，其目的是帮助卡通动物找到正确的途径，通过各种“危险”，最终获得奖项。罗梅罗很快就意识到，如果你从最后开始，然后倒退，那么谜题就更容易解决。他讲述这个故事是为了描述加利福尼亚州TAE入口处的海报。海报上，公司已故技术联合创始人诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）戴着一顶牛仔帽，并引用了一句话：“我们开始时就想着结局。”

聚变能不会造成空气污染，不会带来核熔毁的威胁，不会产生温室气体排放，也不会产生长期的放射性废物。

TAE的目标是安全核聚变。聚变能是许多人几十年来一直在努力实现的目标。但是，实现地球核聚变的时间表在很大程度上取决于技术能否赶上科学，而科学现在正以指数级加速发展。一旦实现，核聚变将提供廉价、绿色、几乎无止境的能源，并改变社会。

现有的核电站使用裂变，即原子分裂。在聚变中，原子被迫结合。这是一项艰巨得多的任务，但会释放出更多的能量。恒星，包括太阳，都是由核聚变提供能量的。聚变能不会造成空气污染，不会带来核熔毁的威胁，不会产生温室气体排放，也不会产生长期的放射性废物。

诺曼反应堆的端视图，两侧都有脚手架。 — 2017年7月，TAE推出了其第五代聚变装置Norman。图片来源：TAE

目前流行的方法融合了两种类型的氢原子：氘（在原子核中有一个质子和一个中子）和氚（有一个中子和一个质子）。质子带正电荷并相互排斥。聚变需要足够的压力和热量才能使它们高速碰撞。所需热量约为数亿摄氏度，足以熔化任何可能含有等离子体的物质，等离子体是一种电离气体，电子和原子核在其中独立飞行。强磁场用于将反应堆内的等离子体置于远离墙壁的中心。

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。这些系统面临着挑战，包括对氘氚处理设施的需求，氚的可用性极为有限，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式。他们一开始就想到了结局：一个真正安全的反应堆会是什么样子？他们得出结论，唯一的答案是使用氢-硼聚变。该反应只释放出三个氦原子核，也称为α粒子，因此TAE的原名为“三α能量”和X射线，通过加热金属板产生液态CO来捕获这些氦原子核以发电₂蒸发并驱动涡轮机。

碰撞路线

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；公司成立初期的每个人都在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已申请或获得1400多项专利，并获得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多个国家的约200人。他们目前正在进行第五代实验反应堆，以已故的罗斯托克命名为诺曼。

TAE的聚变平台是一种场反向配置（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，他们使用的是氢和氘。

溪流碰撞、融合并开始旋转。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，有助于控制等离子体。

当两个粒子相互飞过时，它们正面碰撞并融合的可能性很小。这就是为什么反应器保持血浆的含量和循环。罗梅罗说：“这使粒子发生碰撞的可能性更大。”。问题是等离子体不稳定，想要扩散。

该渲染图显示了FRC反应堆内的等离子体流，如箭头所示。 — 现场反向配置的详细呈现。图片来源：TAE

现场工作

保持反应持续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，并用它控制磁铁，然后形成等离子体。整个检测反应循环需要在10微秒或百万分之一秒以下发生。

诺曼使用七个基于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，并将信息压缩成20个数字，描述等离子体的当前状态，然后发送给通信模块。然后将信息发送给两个控制模块，由它们决定如何调整到等离子体的状态，并将信号传递给磁铁。FPGA都是用MATLAB编程的^®和Simulink^®.

测量每个等离子体粒子是不可能的，所以系统会在“状态空间”中找到等离子体的位置，并使用一组小的变量进行描述。它本质上是等离子体的抽象模型。采集系统的一部分工作是使用数百个磁传感器的输入来确定等离子体在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这项工作，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）表示：“我设计FPGA已经三十多年了，要让它们跑得那么快是一个挑战。”。

由于FPGA具有并行电路，程序员需要协调计算的时间，以便每个步骤及时接收所有输入。杨使用Simulink可视化地移动逻辑块，用虚拟线连接它们，并观察它们的计时。这就像设计一个城市电网来减少交通量。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。”

两名戴着安全帽的男子在聚变反应堆上工作。 — 频繁修改反应堆的能力使TAE能够快速进行操作调整，并快速融入新想法。图片来源：TAE

最后，数学降到了3微秒。Young说：“令人惊讶的是，这么快就完成了这么多计算。”。“TAE需要在不到10微秒的时间内完成计算，我们能够击败这个目标。”

采集和控制模块由快速山羊使用Xilinx^®FPGA。Speedgoat FPGA技术主管Patrick Herzig表示：“我们从未有过如此庞大的设置。”。诺曼使用七个模块，而一个典型的项目使用一个。TAE正在寻求包括不仅仅来自磁性传感器的诊断信号。

罗梅罗说：“我们正在扩展触角来控制越来越多的东西，比如血浆密度。我们基本上是在写一本关于FRC控制的书。”

结局是绿色的

TAE正在稳步发展。尽管超高温等离子体物理面临挑战，但FRC的一个优点是，与传统的环形反应堆相比，它们在机械上更易于建造和维护。罗梅罗回忆说，在他们的一个聚变装置建成之前，曾邀请游客参观该设施，并向他们展示了一个空房间。他回忆说：“我们将在这里建造这个，几年后，我们将把一切准备就绪。”。“他们的反应是，‘没门’。一年后，我们把他们带回来，我们启动并运行了系统，这对他们来说是一种鼓舞。”

TAE的控制室。在背景中，通过大窗户可以看到反应堆。人们坐在桌子旁，房间里有多台显示器，一位女士站在前台。 — 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，随着功率的增加，实验规模扩大，温度不会稳定下来。关于什么是可能的最难的问题已经得到了回答。罗梅罗说：“我们相信我们所说的‘失败第一’，而不是扩大规模，结果发现根本的想法行不通。”。“把表演推迟到最后是没有意义的。”

TAE的下一个聚变装置，哥白尼，目前正在开发中。这是一个反应堆级平台，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，哥白尼将不会使用氚作为燃料）。然后，TAE计划建造一个名为达芬奇的最终原型，以证明氢-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其中更多的能量。

“我们致力于为向非碳经济过渡提供全面的解决方案。”

进行一次简短实验所需的电力超过了分配给商业办公空间的电力，因此TAE必须成为电力管理、存储和战略性部署方面的专家。他们现在正在谈判将这些创新商业化。他们心中的目标是超越聚变反应堆。

罗梅罗说：“我们不仅仅从事发电业务。”。“我们的业务是为向非碳经济过渡提供一个全面的解决方案。你是否提供所有电力并不重要。如果你仍然拥有以汽油为基础的汽车，那么你就无法解决问题。”

包含太阳的力量

通过核聚变实现碳独立的途径

碰撞路线

现场工作

结局是绿色的

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