歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）已于7月開始收集數(shù)據(jù)，其下一代加速器——未來環(huán)形對撞機（FCC）的建造也已經(jīng)提上日程，這些“龐然大物”有助科學(xué)家揭示宇宙間的奧秘，但同時也是耗能大戶。
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美國《大眾科學(xué)》雜志網(wǎng)站在近日的報道中指出，業(yè)內(nèi)越來越意識到，這些粒子加速器設(shè)施需要降低能源消耗，向“綠色”挺進。為此，不同團隊采用了不同的辦法：回收投入的能量、采用永磁體、高效利用排放出的廢熱等。
加速器耗電量巨大
LHC已于7月5日開始收集數(shù)據(jù)。它將向25.7公里長的環(huán)路相反方向發(fā)射高能粒子束，產(chǎn)生爆炸性碰撞，其碰撞能量將達到創(chuàng)紀(jì)錄的13.6萬億電子伏特，從而使科學(xué)家能夠“以前所未有的精確度和新渠道”詳細研究希格斯玻色子的性質(zhì)，對粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型及其各種擴展理論展開更嚴(yán)格的測試。
盡管LHC有可能獲得舉世矚目的發(fā)現(xiàn)，正如它于2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子一樣，但它需要使用足夠供一座小城市用的電力。美國康奈爾大學(xué)官網(wǎng)早在2020年1月21日的報道中就指出，大型粒子加速器消耗的電力高達5千兆瓦——大約是核電站容量的一半。
除LHC外，科學(xué)家們已經(jīng)在為FCC制定計劃，F(xiàn)CC的周長幾乎是LHC的4倍，計劃于2040年左右開始工作，預(yù)計其能量將達到100萬億電子伏特，能耗可能也會非常巨大。
當(dāng)然，盡管LHC的能源需求非常大，但它運行起來卻并非碳密集型。CERN的電力來自法國電網(wǎng)，法國的核電廠使其成為世界上碳依賴程度最低的國家之一。此外，像CERN這樣的設(shè)施會產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，為處理和分析這些數(shù)據(jù)，粒子物理學(xué)依賴一個由超級計算機、計算機集群和服務(wù)器組成的全球網(wǎng)絡(luò)，而它們也非常耗電，科學(xué)家們可以在低碳電力豐富的地方建造這些網(wǎng)絡(luò)或使用計算機。
曾在紐約的布魯克海文國家實驗室工作的物理學(xué)家托馬斯·羅澤對《大眾科學(xué)》表示：“業(yè)內(nèi)越來越意識到，如果可能的話，加速器設(shè)施需要降低能源消耗。”
英國倫敦大學(xué)皇家霍洛韋學(xué)院粒子物理學(xué)家韋羅妮克·布瓦韋爾也指出：“我們應(yīng)該計劃降低加速器的能耗。等到FCC在本世紀(jì)40年代或50年代上線時，將不得不與更多的汽車和電器爭奪電網(wǎng)資源，提前做計劃是明智之舉。”
“綠色加速器”技術(shù)方興未艾
為提高效率并節(jié)約能源，科學(xué)家正在研究一些使大型粒子加速器向“綠色”轉(zhuǎn)型的技術(shù)。
據(jù)美國康奈爾大學(xué)官網(wǎng)報道，2019年，來自該校、布魯克海文國家實驗室以及其他9個機構(gòu)的研究人員研制出了一臺名為“康奈爾—布魯克海文ERL試驗加速器”（CBETA）的加速器原型機。在一次關(guān)鍵演示中，該加速器可以回收99.8%的能量。這意味著，提供給主加速裝置的能量比沒有能量回收裝置的加速束流要快500倍。
CBETA首席科學(xué)家、康奈爾大學(xué)物理學(xué)家格奧爾格·霍夫施泰特解釋說，CBETA會發(fā)射高能電子，通過一個跑道形狀的環(huán)路，電子每跑“一圈”就獲得一次能量提升。4圈后，加速器可以使電子減速并存儲它們的能量以供再次使用。CBETA使物理學(xué)家們第一次能在電子跑了多圈之后回收能量。
盡管這并非一項新技術(shù)，但隨著粒子物理學(xué)家對節(jié)能越來越感興趣，F(xiàn)CC的計劃中也有類似技術(shù)?；舴蚴┨┨卣f：“FCC有能量回收選項，未粉碎的粒子可以被回收。”
此外，CBETA還通過使用不同的磁體（永磁體）來節(jié)能。大多數(shù)粒子加速器使用電磁鐵來引導(dǎo)粒子沿圓弧前進，電磁鐵通過在其周圍通電來獲得磁力，關(guān)閉開關(guān)，磁場消失；而CBETA則使用不需要電力的永磁鐵替代電磁鐵，從而減少能源使用。加速器也使用超導(dǎo)射頻裝置來加速光束，從而節(jié)省能源。
霍夫施泰特說：“這些技術(shù)正在逐漸流行起來，并被納入新的節(jié)能項目中。”
據(jù)美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站2020年1月9日報道，能源部將在布魯克海文國家實驗室制造新型電子—離子對撞機（EIC），讓高能電子束沖入質(zhì)子內(nèi)部，探究質(zhì)子“內(nèi)心”奧秘。EIC的建造成本介于16億至26億美元之間，擬2030年投入使用。據(jù)悉，目前科學(xué)家們已經(jīng)繪制出了能量回收圖譜。此外，位于弗吉尼亞州杰斐遜實驗室的科學(xué)家們也在制造一種使用永磁體的更大的加速器。
對撞機的大部分能量會轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量也可以“發(fā)揮余熱”。據(jù)CERN官網(wǎng)消息，2019年6月，CERN與法國地方當(dāng)局簽署了從設(shè)施收集熱量的協(xié)議，LHC冷卻系統(tǒng)的部分熱水將被轉(zhuǎn)移，提供給鄰近的社區(qū)用于冬季供暖，計劃于2022年投入運營。
標(biāo)簽： 粒子加速器 未來環(huán)形對撞機
