粒子加速器欲向“绿色”转型

科技日报记者 刘霞

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已于7月开始收集数据，其下一代加速器——未来环形对撞机（FCC）的建造也已经提上日程，这些“庞然大物”有助科学家揭示宇宙间的奥秘，但同时也是耗能大户。

美国《大众科学》杂志网站在近日的报道中指出，业内越来越意识到，这些粒子加速器设施需要降低能源消耗，向“绿色”挺进。为此，不同团队采用了不同的办法：回收投入的能量、采用永磁体、高效利用排放出的废热等。

加速器耗电量巨大

LHC已于7月5日开始收集数据。它将向25.7公里长的环路相反方向发射高能粒子束，产生爆炸性碰撞，其碰撞能量将达到创纪录的13.6万亿电子伏特，从而使科学家能够“以前所未有的精确度和新渠道”详细研究希格斯玻色子的性质，对粒子物理学标准模型及其各种扩展理论展开更严格的测试。

LHC地下环路。图片来源：《大众科学》网站

尽管LHC有可能获得举世瞩目的发现，正如它于2012年发现希格斯玻色子一样，但它需要使用足够供一座小城市用的电力。美国康奈尔大学官网早在2020年1月21日的报道中就指出，大型粒子加速器消耗的电力高达5千兆瓦——大约是核电站容量的一半。

除LHC外，科学家们已经在为FCC制定计划，FCC的周长几乎是LHC的4倍，计划于2040年左右开始工作，预计其能量将达到100万亿电子伏特，能耗可能也会非常巨大。

当然，尽管LHC的能源需求非常大，但它运行起来却并非碳密集型。CERN的电力来自法国电网，法国的核电厂使其成为世界上碳依赖程度最低的国家之一。此外，像CERN这样的设施会产生大量原始数据，为处理和分析这些数据，粒子物理学依赖一个由超级计算机、计算机集群和服务器组成的全球网络，而它们也非常耗电，科学家们可以在低碳电力丰富的地方建造这些网络或使用计算机。

曾在纽约的布鲁克海文国家实验室工作的物理学家托马斯·罗泽对《大众科学》表示：“业内越来越意识到，如果可能的话，加速器设施需要降低能源消耗。”

英国伦敦大学皇家霍洛韦学院粒子物理学家韦罗妮克·布瓦韦尔也指出：“我们应该计划降低加速器的能耗。等到FCC在本世纪40年代或50年代上线时，将不得不与更多的汽车和电器争夺电网资源，提前做计划是明智之举。”

“绿色加速器”技术方兴未艾

为提高效率并节约能源，科学家正在研究一些使大型粒子加速器向“绿色”转型的技术。

据美国康奈尔大学官网报道，2019年，来自该校、布鲁克海文国家实验室以及其他9个机构的研究人员研制出了一台名为“康奈尔—布鲁克海文ERL试验加速器”（CBETA）的加速器原型机。在一次关键演示中，该加速器可以回收99.8%的能量。这意味着，提供给主加速装置的能量比没有能量回收装置的加速束流要快500倍。

CBETA首席科学家、康奈尔大学物理学家格奥尔格·霍夫施泰特解释说，CBETA会发射高能电子，通过一个跑道形状的环路，电子每跑“一圈”就获得一次能量提升。4圈后，加速器可以使电子减速并存储它们的能量以供再次使用。CBETA使物理学家们第一次能在电子跑了多圈之后回收能量。

霍夫施泰特（左）和布鲁克海文国家实验室科学家德扬·特尔博维奇。图片来源：康奈尔大学官网 

尽管这并非一项新技术，但随着粒子物理学家对节能越来越感兴趣，FCC的计划中也有类似技术。霍夫施泰特说：“FCC有能量回收选项，未粉碎的粒子可以被回收。”

此外，CBETA还通过使用不同的磁体（永磁体）来节能。大多数粒子加速器使用电磁铁来引导粒子沿圆弧前进，电磁铁通过在其周围通电来获得磁力，关闭开关，磁场消失；而CBETA则使用不需要电力的永磁铁替代电磁铁，从而减少能源使用。加速器也使用超导射频装置来加速光束，从而节省能源。

霍夫施泰特：“这些技术正在逐渐流行起来，并被纳入新的节能项目中。”

据美国《科学》杂志网站2020年1月9日报道，能源部将在布鲁克海文国家实验室制造新型电子—离子对撞机（EIC），让高能电子束冲入质子内部，探究质子“内心”奥秘。EIC的建造成本介于16亿至26亿美元之间，拟2030年投入使用。据悉，目前科学家们已经绘制出了能量回收图谱。此外，位于弗吉尼亚州杰斐逊实验室的科学家们也在制造一种使用永磁体的更大的加速器。

对撞机的大部分能量会转化为热量，这些热量也可以“发挥余热”。据CERN官网消息，2019年6月，CERN与法国地方当局签署了从设施收集热量的协议，LHC冷却系统的部分热水将被转移，提供给邻近的社区用于冬季供暖，计划于2022年投入运营。