電力を大量に消費する粒子加速器にグリーン革命が到来

7月5日、3年間の休止期間の終わりを迎え、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）がデータ収集を開始する。高エネルギー粒子ビームを16マイルのループに沿って反対方向に発射し、爆発的な衝突を起こす。科学者たちは高精度の検出器で大惨事を監視し、宇宙の内部構造を明らかにする粒子を残骸から探す。

しかし、これらすべてを実行するには、LHC には小さな都市に電力を供給するのに十分な電力が必要です。CERN 以外の人なら、なぜ 1 つの物理施設にそれだけの電力が必要なのかと不思議に思うでしょう。素粒子物理学者は、これらの需要が極端であることを知っており、その多くが将来の衝突型加速器をより効率的にしようとしています。

「加速器施設は可能な限りエネルギー消費を削減する必要があるという認識がコミュニティ内で高まっていると思う」とニューヨークのブルックヘブン国立研究所に元所属する物理学者トーマス・ローザー氏は言う。

科学者たちはすでに、LHC の後継機として提案されている、いわゆる未来円形衝突型加速器 (FCC) の計画を練り始めている。FCC は、LHC のほぼ 4 倍の円周を持ち、文字通りジュネーブ市の大部分を取り囲むことになる。その計画を進める中で、科学者たちは、エネルギー消費と温室効果ガス排出の、時には予想外のいくつかの源と、その削減方法を検討している。

ネットワークコスト

LHC は、その規模とエネルギー需要にもかかわらず、運用にそれほど炭素を消費するわけではない。まず、CERN はフランスの電力網から電力を調達しているが、同国の原子力発電所のポートフォリオにより、CERN は世界で最も炭素依存度の低い施設の 1 つとなっている。LHC を化石燃料を多用する電力網のある場所に設置すれば、気候への影響は大きく異なるだろう。

「我々は非常に幸運だ。もし米国で発生していたら、大変なことになっていただろう」とロンドン大学ロイヤル・ホロウェイ校の素粒子物理学者、ヴェロニク・ボワヴェール氏は言う。

しかし、この衝突型加速器の気候への影響は、ジュネーブ郊​​外の小さな地区をはるかに超えて広がっている。CERN のような施設は、大量の生データを生成する。そのデータを処理して分析するために、素粒子物理学は、スーパーコンピューター、コンピューター クラスター、サーバーのグローバル ネットワークに依存しているが、これらは電力を大量に消費することで有名である。少なくとも 22 台は米国にある。

科学者は、こうしたネットワークを構築したり、低炭素電力の地域、例えばフロリダよりもカリフォルニアでコンピューターを使用したりすることを計画できる。

「CPU サイクルあたりの炭素排出量についても考え、コストや電力効率と同じくらい、それを技術計画の要素として使うべきかもしれません」と、ネブラスカ大学リンカーン校の素粒子物理学者ケン・ブルーム氏は言う。

[関連: 世界最大の粒子加速器が再稼働]

加速器自体が粒子物理学の二酸化炭素排出量のほんの一部に過ぎないとしても、ボシバート氏は研究者らは施設のエネルギー消費量を削減する計画を立てるべきだと考えている。2040年代から2050年代にFCCが稼働する頃には、脱炭素化とは、FCCが現在よりもはるかに多くの自動車や家電製品と電力網の資源を奪い合うことを意味する。彼女はその時のために計画を立てるのが賢明だと考えている。

電力使用量を削減するという目標は同じだとボシバート氏は言う。「電力を最小限に抑える必要は依然としてありますが、理由は異なります。」

エネルギーの回復

効率性とエネルギー節約の名の下に、科学者たちは「グリーンアクセラレータ」の製造に役立ついくつかの技術を研究しています。

2019年、コーネル大学とブルックヘブン国立研究所の研究者らは、コーネル・ブルックヘブンERLテスト加速器（CBETA）と呼ばれる加速器のプロトタイプを発表しました。驚くべきことに、デモンストレーションでは、CBETAは科学者が投入したエネルギーをすべて回収しました。

「我々は、既存の技術をある程度取り入れ、それを改良し、その応用範囲を広げた」とコーネル大学の物理学者ゲオルク・ホフステッター氏は言う。

CBETA は、倉庫内に収まるほどのレーストラック型のループを通して高エネルギー電子を発射しました。1 周ごとに、電子のエネルギーが増加しました。4 周すると、機械は電子の速度を落とし、エネルギーを蓄えて再利用できるようになります。物理学者がこれほど多くの周回を経てエネルギーを回収したのは、CBETA が初めてでした。

これは新しい技術ではないが、素粒子物理学者がエネルギー節約にますます関心を持つようになるにつれて、FCC も同様の技術を計画している。「FCC にはエネルギー回収を利用する選択肢がある」とホフスタッター氏は言う。粉砕されなかった粒子は回収できる。

CBETA は、さまざまな磁石を使用することでエネルギーも節約しています。ほとんどの粒子加速器は、粒子をアークに沿って誘導するために電磁石を使用しています。電磁石は、周囲に電気を流すことで磁力を得ており、スイッチをオフにすると磁場は消えます。CBETA は、電磁石を電気を必要としない永久磁石に置き換えることで、エネルギー使用量を削減できます。

「こうした技術は、ある意味普及しつつあります」とホフスタター氏は言う。「認知され、エネルギーを節約するための新しいプロジェクトに組み込まれています。」

こうしたプロジェクトの中には、FCC よりも完成が近いものもある。電子とイオンを衝突させるブルックヘブンの新しい加速器の設計者は、エネルギー回収を計画している。バージニア州ニューポートニューズにある加速器施設、ジェファーソン研究所では、科学者たちが永久磁石を使用するはるかに大型の加速器を建設中だ。

粒子加速器のエネルギーが新たな命を得る方法はこれだけではない。加速器のエネルギーの多くは熱に変換される。その熱は有効活用できる。CERN は LHC 周辺の町の住宅に熱を配管で送る実験を行った。

ガスの原因

しかし、これらの施設からの炭素排出に焦点を当てると、全体像の一部、実際は最大の部分を見逃してしまう。「それが排出の主な発生源ではない」とボシバート氏は言う。「主な発生源は、粒子検出器で使用するガスだ」

装置を粒子検出に最適な温度に保つには、高感度の装置をガスで冷却する必要があります。これは、一部の冷蔵庫で使用されているガスに似ています。これらのガスは、冷蔵温度を維持しながらも、不燃性で高レベルの放射線に耐える必要があります。

選択されるガスは、ハイドロフルオロカーボン (HFC) とパーフルオロカーボン (PFC) の 2 種類に分類されます。これらの中には、二酸化炭素よりもはるかに強力な温室効果ガスもあります。CERN で最も一般的な HFC である C ₂ H ₂ F _{2 は}、熱を 1,300 倍も効果的に閉じ込めます。

LHC はすでにこれらのガスを捕獲し、再利用し、大気中に放出されるのを防ごうとしている。しかし、そのプロセスは完璧ではない。「これらのガスの多くは、アクセスが非常に難しい実験部分にあります」とブルーム氏は言う。「そこで漏れが生じる可能性があります。修復は非常に困難になるでしょう。」

[関連: 科学者が宇宙の最初の瞬間からのつかの間の粒子を発見]

物流業者の観点から見ると、HFC と PFC の使用は調達上の問題を引き起こします。一部の管轄区域、たとえば欧州連合では、それらを禁止する動きがあります。ボシバート氏は、これが価格の激しい変動につながっていると述べています。

「将来の検出器を設計する際には、これらのガスはもう使えません」とボシバート氏は言う。「『さて、どのガスを使うか？』という研究開発はすべて、基本的に今行う必要があります。」

代替手段はいくつかあります。実は、その 1 つは二酸化炭素そのものです。CERN は LHC の検出器の一部を改造して、この化合物で冷却できるようにしました。完璧ではありませんが、改善にはなっています。

これらは、多くの科学者が将来の加速器の計画に関する議論に盛り込まれることを望んでいる種類の選択肢です。

「将来の施設、将来の実験、将来の物理学プログラムの計画において金銭的なコストが考慮されるのと同じように、気候コストについても同じように考えることができます」とブルーム氏は言う。

訂正 2022年8月9日: この記事はケン・ブルームの大学所属を追加して更新されました。