Международный европейский центр ядерных исследований ЦЕРН/CERN прекратил 28 ноября 2022 работу своего знаменитого Большого Адронного Коллайдера – БАК/LHC. Официально озвученной целью остановки БАК является экономия электроэнергии. Также дирекция ЦЕРН сообщила, что в 2023 году эксплуатация всего ускорительного комплекса сократится на 20 процентов.
Отключение произошло на две недели раньше обычного срока выключения коллайдера запланированного в более спокойные времена (без экономических санкций и энергетического кризиса). Обычно БАК работает с марта/апреля по декабрь, после чего коллайдер выключают и ставят на профилактику, до следующего апреля. Аналогичным образом в 1990-2000 гг. работал и предыдущий Большой Электрон-Позитронный коллайдер (LEP) в том же 27 километровом туннеле. В Швейцарии и Франции электроэнергия зимой дороже, её используют для отопления и потому такой мощный потребитель как БАК должен быть отключен, чтобы не создавать дефицита электроэнергии в сети. Во время работы коллайдер обычно забирает из французской электросети около 200 МВт энергии, что равно 1/3 потребления весьма богатого города Женева с пригородами (более 200 тысяч жителей).
В этом году БАК впервые работал на новой энергии пучка в 6.8 ТэВ (вместо энергии 6.5 ТэВ до модернизации коллайдера), поэтому потребление энергии чуть выросло. На последние две-три недели работы коллайдера была запланирована работа с пучками ионов свинца, а не с протонными пучками. Увы, эта работа была сильно урезана, для ионных пучков провели несколько пробных циклов столкновения 18 ноября и позже - ионы (ядра) свинца, каждый из которых состоит из 208 нуклонов (протонов и нейтронов), почти в столько же раз тяжелее протона. Потому их тяжелее ускорять.
КАК НАУКУ СОКРАТИЛИ НА 15%
На работу коллайдера с пучками ионов свинца требуется несколько больше энергии, чем при работе с пучками протонов. Это основная причина того, что при отключении коллайдера пожертвовали именно временем работы с пучками ионов свинца. Это вызвало вполне понятное разочарование учёных, которые исследуют ход реакций, треки частиц при столкновении ядер свинца, они ведь около года готовились именно к этим неделям работы коллайдера с ионами свинца. Кроме того, в этом году эксплуатация коллайдера началась только в начале июля, до этого он был на долгом ремонте/модернизации ещё с декабря 2018 года.
Конечно, большинство работающих в ЦЕРН уже в августе знали, что продолжительность работы крупнейшего в мире коллайдера в этом году будет изрядна сокращена. Это не было секретом, все знают об энергетическом кризисе в Европе, вызванным санкциями и контр-санкциями. В начале сентября эти планы были озвучены и в СМИ, когда газета The Wall Street Journal сообщила, что дирекция ЦЕРН не исключает остановку Большого адронного коллайдера (БАК) в случае нехватки электричества во Франции. Глава комиссии по управлению энергией ЦЕРН Серж Клоде, в частности сказал: «Мы озабочены стабильностью энергосети и прилагаем все усилия, чтобы предотвратить отключение электроэнергии в нашем регионе».
ЦЕРН вёл переговоры со своим поставщиком электроэнергии — французской государственной компанией EDF — о том, чтобы та за день предупредила их о необходимости сократить потребление электричества.
Французский оператор электросетей RTE в том же сентябре призвал всех потребителей сократить потребление электроэнергии предстоящей зимой на 15% в часы пик, чтобы избежать отключений электричества. Пятая часть всей электроэнергии в Европе вырабатывается на электростанциях, работающих на газе, который подорожал в разы. И хотя во Франции 3/4 электроэнергии производятся французской ядерной энергетикой, но всё равно стоимость одного Мвт·ч в рамках годового контракта подскочила до более чем 1,1 тыс. евро! Что в десять раз больше, чем стоимость одного Мвт·ч по годовому контракту в прошлом году.
ИСКУССТВО ОХЛАЖДЕНИЯ
Было очевидно, что выключать БАК внезапно, по первому требованию поставщика электроэнергии, это не самый безопасный вариант. Большой адронный коллайдер может выключить ускорение пучков и погасить пучки протонов (или ионов) практическим мгновенно, за секунды, без всякого риска для себя и окружающих. Для этого каждый пучок дефокусируется магнитами, по специальному вакуумному каналу (трубе) уходит от коллайдера в сторону и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками. Но проблема в том, что движение частиц по 27 километровому кругу в коллайдере обеспечивают сверхпроводящие магниты, в которых при работе циркулирует огромное количество электрического тока и которые надо непрерывно охлаждать огромной криогенной системой.
В туннеле вокруг вакуумных труб коллайдера БАК размещено около 10 тысяч сверхпроводящих магнитов разных типов, сделанных из ниобий-титанового сплава (всего 27 тонн), окруженного медными деталями. Для охлаждения этих магнитов общей массой свыше 470 тонн требуется 96 тонн жидкого гелия-4. Именно эта масса жидкого сверхтекучего гелия постоянно охлаждает магниты до рабочей температуры в +1.9 градуса Кельвина (или минус 271.25 градуса по Цельсию). Для ниобий-титановых температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет 9.4 K или минус 264 °С. Значит система охлаждения должна ни на долю секунды не допускать роста температуры магнита с +1.9 K до +9.4 K, иначе весь магнит почти мгновенно расплавится от циркулирующего в нём тока (сила тока до 11.85 килоАмпер, 10 мегаДжоулей энергии в каждом магните). Эта система охлаждения магнитов LHC является крупнейшей в мире криогенной системой, защищающей магниты от нагрева и расплавления.
ПОМНИ О «КВЕНЧЕ» 19.09.08. ЧАСТЬ ОПОР ПРОСТО ВЫВЕРНУЛО ИЗ БЕТОНА
В этой сложной системе один раз уже произошла мощная авария. В 2008 году в сентябре в БАК наконец сумели добиться циркуляции пучков протонов в двух направлениях. Но менее чем через две недели, в ходе испытаний магнитной системы 19 сентября 2008 года произошла авария (так называемый «квенч»), в результате которой БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги. Электрическая дуга пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к мгновенному вскипанию гелия, к выделению тепла от токов в обмотках магнитов, вдруг потерявших свою сверхпроводимость. Что в свою очередь привело к расплавлению обмоток и корпусов магнитов, к пробоям и коротким замыканиям, к деформации конструкций магнитов и их опор (часть опор просто вывернуло из бетона), а также выбиванию клапанов давления наружу и порчи вакуумной системы далеко от места аварии.
Результатом стал разрыв вакуумных труб, загрязнение внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла на протяжении нескольких километров, а также выброс около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Остаётся только радоваться, что в туннеле в момент аварии не было людей (при работе коллайдера это категорически запрещено из-за радиации от пучков). Человека, оказавшегося около магнитов в эту несчастливую секунду, могло бы убить десятком способов: поразить ударом тока, пробить осколками лопнувших корпусов магнитов или разорванных труб, придавить об стену вывернутыми опорами или упавшими корпусами, мгновенно заморозить вырвавшимся гелием или просто удушить отсутствием кислорода, вытесненного тем же гелием.
Эта неожиданная авария полностью вывела коллайдер из строя. Ремонт коллайдера занял остаток 2008 и часть 2009 года, пришлось заменить или полностью перебрать 53 магнита, что стоило более 21 млн. долларов. Методы обеспечения безопасности криогенной системы тогда пришлось серьёзно усовершенствовать. Но в любом случае постепенное охлаждение магнитов в начале периода эксплуатации коллайдера и медленное расхолаживание магнитов после прекращения работы коллайдера это не простой ответственный процесс, растягивающийся на несколько суток.
Конечно, дирекция ЦЕРН выбрала самый безопасный путь экономии электроэнергии и выключения крупнейшего в мире коллайдера. Но у всех работающих в ЦЕРН физиков (да и физиков, работающих на других ускорителях и коллайдерах Европы и мира) это решение и неясность о сроках работы БАК в новом 2023 году вызывает закономерную озабоченность на тему перспектив работы коллайдеров и ускорителей. Будет ли им в следующем году так же легко получить финансы и электроэнергию для своих экспериментов, как это было раньше, до энергетического кризиса? Очевидно, что когда речь идет о том, чтобы суметь сохранить энергию для функционирования и отопления всех городов с жителями, то для коллайдеров и ускорителей, потребляющих электричество как средних размеров город, энергии может просто и не хватить.
Автор: Павел Тяпкин
