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核聚變研發競賽:無放射性的「小太陽」正在加速成為現實

得益於谷歌龐大的計算能力,一家美國公司正在通往可控核聚變能源的道路。

通過應用能夠自我迭代的軟件,TAE技術公司已經將曾經需要兩個月的任務縮短到幾個小時。

谷歌已將其在「機器學習」方面的專業知識借給該公司,以加快實現可控核聚變的時間表。

核聚變有望提供豐富的低碳能源,它與太陽釋放能量的過程相同。

現有核能以裂變為基礎,在裂變過程中,一種較重原子分裂成較輕的原子。核聚變的工作原理是將兩種輕原子結合起來,生成一種更重的原子。通過使用被稱為等離子體的高溫帶電氣體,快速移動的粒子可以融合,釋放出能量。

當聚變產生的能量超過投入的能量時,它在經濟上證明是可行的。但是還沒有人做到這一點,儘管人們為「在地球上建造一顆恆星」進行了長達80年的努力。

挑戰是巨大的,但核聚變行業的一些人希望,創新思維和顛覆性技術可以幫助打破這種情形。

TAE的首席執行官班德波爾(Michl Binderbauer)向BBC表示,「我想先做到聚變 ,但任何人做到也是英雄。」

TAE科技公司位於洛杉磯東南部綠樹成蔭的福特希爾蘭赫(Foothill Ranch),已經籌集了超過8.8億美元的私人資金,高於其他任何核聚變公司。該公司獲得來自高盛公司、洛克菲勒家族和已故的微軟公司聯合創始人保羅·艾倫的高調支持。其董事會成員包括前美國能源部長歐內斯特·莫尼茲。

該公司的30米長的聚變筒,以TAE的創始人、2014年去世的物理學家諾曼·羅斯托克(Norman Rostoker)的名字命名為C2W 「諾曼」。它代表了一種與世界上最大的聚變實驗所使用的甜甜圈形「托卡馬克」(tokamak)不同的方法,後者在價值數十億歐元的ITER項目中使用。

控制數千萬度的等離子體需要一個精調細控的系統。谷歌在機器學習方面的優勢,即算法隨著經驗而不斷改進,已被用於優化TAE的聚變裝置。

優化,或調整到最佳性能,會在設備上的某些東西發生變化時進行,如添加新的硬件。這個過程曾經需要兩個月左右,但有了機器學習,「我們現在可以僅在一個下午完成,」TAE的班德波爾向BBC表示。

核聚變過程圖示。

BBC
核聚變過程圖示。

「學習速度加快得令人難以置信,使我們能夠更容易地做出改變」。機器學習也被用來重建核聚變實驗期間所發生之事,這也被稱為「拍攝」。多股數據可以被拉到一起,以便更深入地了解這個過程。

班德波爾解釋稱,這是個難以置信的算力密集型問題,而且在此之前甚至很少有人試圖解決該問題。他表示,與谷歌合作的結果可能會使該公司的長期規劃提前一年,該規劃打算在2030年之前推出商業核聚變測試設備。

TAE科技公司已經走過了漫長的道路——加州大學歐文分校的教授羅斯托克在1998年創建了Tri-Alpha能源公司;出生於奧地利的班德波爾是羅斯托克的博士生之一,四年前成為公司的CEO。這兩位物理學家選擇了TAE方法,然後從核聚變電站的要求開始,倒推進行研發。

據倫敦帝國學院的齊滕登(Jeremy Chittenden)教授說,TAE「所做的事情與其他人完全不同"。該設備並不依賴等離子體的熱量來產生快速移動的粒子進行核聚變,而是使用外部粒子束,將其射入熱氣中,類似於粒子加速器中發生的情況。」他解釋說:「這就是你的聚變源。」

耗資1.5億美元的「諾曼」裝置以超音速將管內的兩個等離子體球撞到一起。在所謂的場反轉配置(FRC)中,由磁場來控制這個過程。

而歐洲ITER那樣的聚變設備,則使用由氘和氚組成的燃料(氫元素的兩個重版本),在數千萬攝氏度的高溫下通過核聚變產生能量,這仍然處於比其他一些方案所需溫度要低。但是也有缺點:氚具有放射性,會磨損聚變反應堆的內部,而且供應有限。

TAE的「諾曼」裝置則用「普通的」氫和氘為其反應提供動力——這是一個更無害的選擇,儘管效力較低。但該公司最終希望轉向氫硼燃料。這種燃料不產生中子,因此幾乎沒有放射性,使機器易於維修和維護。但這種燃料也需要極高的溫度。

C2W 「諾曼」在大約7000萬攝氏度下運行,但氫硼燃料需要溫度上升20-30倍,達到幾十億攝氏度。這是一個重大的挑戰,班德波爾說,在科學上增加幾十倍是一個大問題,"我們能實現用氫硼嗎?我非常確信我們可以。"

英國約克大學從事托卡馬克核聚變研究的等離子體物理學家羅迪·範恩(Roddy Vann)說,「雖然你必須達到正確的溫度,但溫度、密度和能量封閉時間都必須同時達到足夠高的水平。」

他解釋說,雖然中子在托卡馬克結構中確實產生了一些放射性,但我們在常規的氘氚核聚變中捕獲的也是中子的能量。不過範恩教授也說:"如果我們能做到無中字核聚變(aneutronic fusion),並能在可實現的溫度下進行,那將是非常有趣的。"

齊滕登教授解釋說,「因為他們不是通過熱能,而是通過粒子加速,所以(氫硼燃料)的缺點就消失了。」齊滕登補充,那樣的核聚變電站實現後,帶來的淨收益是巨大的,因為以氘氚為原料的電站成本中很大一部分是處理放射性產品。

班德波爾說,TAE的方法也不容易受到湍流的影響——湍流阻礙了托卡馬克中控制等離子體的能力——以及熱量從機器中洩漏。他說,事實上,隨著設備中溫度的上升,洩漏率會下降。

目前正在計劃兩個反應堆來跟隨「諾曼」—哥白尼和達芬奇。十年內的一個關鍵目標是產生淨能,即核聚變的輸出超過為啟動反應提供的能量。

經過近25年的發展,TAE已經開創了超越核聚變應用的技術。它正在完善一種稱為硼中子捕獲療法的技術,以期將其用於癌症治療。它還成立了一個新的部門,將其在C2W「諾曼」工作中產生的電源管理系統商業化,用於電動汽車和能源儲存領域。

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