歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(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(duì)撞機(jī)(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(shí)也是耗能大戶。

美國《大眾科學(xué)》雜志網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，業(yè)內(nèi)越來越意識(shí)到，這些粒子加速器設(shè)施需要降低能源消耗，向“綠色”挺進(jìn)。為此，不同團(tuán)隊(duì)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(dá)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(xì)研究希格斯玻色子的性質(zhì)，對(duì)粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型及其各種擴(kuò)展理論展開更嚴(yán)格的測(cè)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(bào)道中就指出，大型粒子加速器消耗的電力高達(dá)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(jì)劃，F(xiàn)CC的周長幾乎是LHC的4倍，計(jì)劃于2040年左右開始工作，預(yù)計(jì)其能量將達(dá)到100萬億電子伏特，能耗可能也會(huì)非常巨大。

當(dāng)然，盡管LHC的能源需求非常大，但它運(yùn)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(huì)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(gè)由超級(jí)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。

曾在紐約的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室工作的物理學(xué)家托馬斯·羅澤對(duì)《大眾科學(xué)》表示：“業(yè)內(nèi)越來越意識(shí)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(jì)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(shí)，將不得不與更多的汽車和電器爭奪電網(wǎng)資源，提前做計(jì)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(bào)道，2019年，來自該校、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室以及其他9個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員研制出了一臺(tái)名為“康奈爾—布魯克海文ERL試驗(yàn)加速器”(CBETA)的加速器原型機(jī)。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(huì)發(fā)射高能電子，通過一個(gè)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(chǔ)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(xiàng)新技術(shù)，但隨著粒子物理學(xué)家對(duì)節(jié)能越來越感興趣，F(xiàn)CC的計(jì)劃中也有類似技術(shù)?；舴蚴┨┨卣f：“FCC有能量回收選項(xiàng)，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(jìn)，電磁鐵通過在其周圍通電來獲得磁力，關(guān)閉開關(guān)，磁場(chǎng)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：“這些技術(shù)正在逐漸流行起來，并被納入新的節(jié)能項(xiàng)目中。”

據(jù)美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站2020年1月9日?qǐng)?bào)道，能源部將在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室制造新型電子—離子對(duì)撞機(jī)(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?qǐng)D譜。此外，位于弗吉尼亞州杰斐遜實(shí)驗(yàn)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(duì)撞機(jī)的大部分能量會(huì)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(jì)劃于2022年投入運(yùn)營。(科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞)

標(biāo)簽： 回收能量 利用廢熱 粒子加速器 欲向綠色轉(zhuǎn)型