耗能粒子加速器即将迎来绿色革命

7 月 5 日，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机将结束三年的停工期，开始收集数据。它将沿着 16 英里长的环路向相反方向发射高能粒子束，以产生爆炸性碰撞。科学家将使用高精度探测器观察这场大屠杀，并在碎片中筛选出揭示宇宙内部运作的粒子。

但要实现所有这些目标，LHC 需要电力：足够为一座小城市供电。CERN 之外的人很容易想知道为什么一个物理设施需要这么多电力。粒子物理学家知道这些要求非常高，他们中的许多人正在努力使未来的对撞机更加高效。

纽约布鲁克海文国家实验室前物理学家托马斯·罗瑟说：“我认为，社会各界已经逐渐意识到，加速器设施需要尽可能降低能源消耗。”

科学家们已经开始为 LHC 的继任者——所谓的未来环形对撞机 (FCC) 制定计划，其周长几乎是 LHC 的四倍，几乎可以环绕日内瓦市的大部分地区。在制定计划的同时，他们也在研究一些有时意想不到的能源使用和温室气体排放来源——以及如何减少它们。

网络成本

尽管 LHC 规模庞大，能耗巨大，但其运行碳排放并不高。首先，CERN 的电力来自法国电网，法国的核电站使其成为世界上碳排放依赖程度最低的电网之一。如果将 LHC 放置在电网以化石燃料为主的地方，其气候足迹将大不相同。

伦敦大学皇家霍洛威学院的粒子物理学家 Véronique Boisvert 说：“我们非常幸运......如果这件事发生在美国，那就太可怕了。”

但对撞机对气候的影响远远超出了日内瓦郊区的一小部分。欧洲核子研究中心等设施会产生大量原始数据。为了处理和分析这些数据，粒子物理学依赖于全球超级计算机、计算机集群和服务器网络——众所周知，这些网络耗电量巨大。事实上，美国至少有 22 台超级计算机。

科学家可以计划在低碳电力的地方建立这些网络或使用计算机：比如加利福尼亚州、佛罗里达州。

内布拉斯加大学林肯分校的粒子物理学家 Ken Bloom 说：“也许我们还应该考虑每个 CPU 周期的碳排放量，并将其作为规划技术的一个因素，就像成本或能效一样。”

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尽管加速器本身只占粒子物理学碳足迹的一小部分，但 Bosivert 认为研究人员应该计划减少该设施的能源消耗。到 2040 年代和 2050 年代 FCC 上线时，脱碳意味着它将不得不与比现在更多的汽车和电器争夺电网资源。她认为提前为那个时候做好计划是明智的。

博西弗特说，减少用电量的目标是相同的。“你仍然需要尽量减少用电量，但原因不同。”

回收能源

为了提高效率和节约能源，科学家正在研究一些有助于制造“绿色加速器”的技术。

2019 年，康奈尔大学和布鲁克海文国家实验室的研究人员推出了一款名为康奈尔-布鲁克海文 ERL 测试加速器 (CBETA) 的原型加速器。值得注意的是，在演示中，CBETA 回收了科学家投入的所有能量。

康奈尔大学物理学家 Georg Hoffstaetter 表示：“我们在一定程度上采用了现有的技术，并对其进行了改进，扩大了其应用范围。”

CBETA 通过一个可以装进仓库的跑道形环路发射高能电子。每“转一圈”，电子就会获得能量提升。四圈后，机器可以减慢电子速度并储存能量以供再次使用。CBETA 是物理学家首次在这么多圈后恢复能量。

这不是一项新技术，但随着粒子物理学家对节能越来越感兴趣，类似技术也出现在 FCC 的计划中。“[FCC] 有使用能量回收的选项，”霍夫施泰特说。未被粉碎的粒子可以回收。

CBETA 还通过使用不同的磁铁来节省能源。大多数粒子加速器使用电磁铁引导粒子沿弧线运动。电磁铁的磁力来自周围的电流；关闭开关，磁场就会消失。通过用不需要电力的永磁体代替电磁铁，CBETA 可以减少能源消耗。

“这些技术正在逐渐流行起来，”霍夫斯塔特说。“它们正在被人们认可，并被纳入到新的节能项目中。”

其中一些项目比 FCC 更接近完成。布鲁克海文新对撞机的设计人员已经计划好了能量回收，该对撞机将电子和离子碰撞在一起。在弗吉尼亚州纽波特纽斯的加速器设施杰斐逊实验室，科学家们正在建造一个使用永磁体的更大的加速器。

这并不是粒子对撞机能量获得新生命的唯一方式。对撞机的大部分能量都转化为热量。这些热量可以用于工作：CERN 已经尝试用管道将热量输送到 LHC 周围城镇的家庭。

胀气元凶

但只关注这些设施的碳排放会忽略部分情况，事实上，这是最大的问题。“这不是主要的排放源，”博西弗特说。“主要来源是我们在粒子探测器中使用的气体。”

为了使仪器保持理想的温度以检测粒子，这种高度敏感的设备需要用气体冷却——类似于某些冰箱中使用的气体。这些气体必须是不可燃的，并且即使在保持冷藏温度的情况下也能承受高强度的辐射。

所选气体分为氢氟碳化物 (HFC) 和全氟碳化物 (PFC)。其中一些是温室气体，其危害远大于二氧化碳。CERN 最常见的 HFC 是 C ₂ H ₂ F ₂ ，其吸热效率是后者的 1,300 倍。

LHC 已经尝试捕获这些气体，重新利用它们，并阻止它们喷入大气。不过，其流程并不完美。“这些气体中的很多部分都很难进入，”布鲁姆说。“那里可能会发生泄漏。很难修复。”

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从物流人员的角度来看，使用 HFC 和 PFC 会带来采购问题。一些司法管辖区（如欧盟）正在采取行动禁止使用它们。Bosivert 表示，这导致价格大幅波动。

“当你设计未来的探测器时，你不能再使用这些气体了，”博西弗特说。“所有这些研发工作——‘好吧，我们要使用什么气体？’——基本上现在都需要进行。”

还有其他选择。实际上，二氧化碳就是其中之一。欧洲核子研究中心已经改造了大型强子对撞机的一些探测器，使其能够用这种化合物进行冷却。这种方法并不完美，但是一种进步。

许多科学家都希望在未来加速器的规划讨论中看到这些选择。

布鲁姆说：“就像在规划任何未来设施、未来实验和未来物理项目时要考虑货币成本一样，我们也可以用同样的方式考虑气候成本。”

更正于 2022 年 8 月 9 日：本文已更新，包括 Ken Bloom 的大学隶属关系。