回收能量利用廢熱：粒子加速器欲向“綠色”轉型

歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)已于7月開始收集數據，其下一代加速器——未來環形對撞機(FCC)的建造也已經提上日程，這些“龐然大物”有助科學家揭示宇宙間的奧秘，但同時也是耗能大戶。

美國《大眾科學》雜志網站在近日的報道中指出，業內越來越意識到，這些粒子加速器設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日開始收集數據。它將向25.7公里長的環路相反方向發射高能粒子束，產生爆炸性碰撞，其碰撞能量將達到創紀錄的13.6萬億電子伏特，從而使科學家能夠“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，對粒子物理學標準模型及其各種擴展理論展開更嚴格的測試。

盡管LHC有可能獲得舉世矚目的發現，正如它于2012年發現希格斯玻色子一樣，但它需要使用足夠供一座小城市用的電力。美國康奈爾大學官網早在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，科學家們已經在為FCC制定計劃，FCC的周長幾乎是LHC的4倍，計劃于2040年左右開始工作，預計其能量將達到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，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這樣的設施會產生大量原始數據，為處理和分析這些數據，粒子物理學依賴一個由超級計算機、計算機集群和服務器組成的全球網絡，而它們也非常耗電，科學家們可以在低碳電力豐富的地方建造這些網絡或使用計算機。

曾在紐約的布魯克海文國家實驗室工作的物理學家托馬斯·羅澤對《大眾科學》表示：“業內越來越意識到，如果可能的話，加速器設施需要降低能源消耗。”

英國倫敦大學皇家霍洛韋學院粒子物理學家韋羅妮克·布瓦韋爾也指出：“我們應該計劃降低加速器的能耗。等到FCC在本世紀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資源，提前做計劃是明智之舉。”

“綠色加速器”技術方興未艾

為提高效率并節約能源，科學家正在研究一些使大型粒子加速器向“綠色”轉型的技術。

據美國康奈爾大學官網報道，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首席科學家、康奈爾大學物理學家格奧爾格·霍夫施泰特解釋說，CBETA會發射高能電子，通過一個跑道形狀的環路，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，但隨著粒子物理學家對節能越來越感興趣，FCC的計劃中也有類似技術?；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)來節能。大多數粒子加速器使用電磁鐵來引導粒子沿圓弧前進，電磁鐵通過在其周圍通電來獲得磁力，關閉開關，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。加速器也使用超導射頻裝置來加速光束，從而節省能源。

霍夫施泰特：“這些技術正在逐漸流行起來，并被納入新的節能項目中。”

據美國《科學》雜志網站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子內部，探究質子“內心”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。據悉，目前科學家們已經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化為熱量，這些熱量也可以“發揮余熱”。據CERN官網消息，2019年6月，CERN與法國地方當局簽署了從設施收集熱量的協議，LHC冷卻系統的部分熱水將被轉移，提供給鄰近的社區用于冬季供暖，計劃于2022年投入運營。(科技日報記者 劉霞)

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