你知道大型強子對撞機(LHC)嗎?是不是聽到這個名字就感覺和我們的生活有點遠?在大家的腦海里,大型強子對撞機似乎只會和頂尖物理學家產生聯系。如此高深莫測的高能物理學研究與我們的日常生活能有多大關系呢?然而,前段時間看到的一則新聞改變了小編的想法。


今年間7月,歐洲核子研究中心(CERN)宣布,已經與法國地方當局簽署了一份協議,考慮對LHC產生的熱能進行回收利用,計劃從2022年起,將回收的熱能提供給附近的費內—伏爾泰社區,用于冬季供暖。


大型強子對撞機(LHC)將“兼職”供暖,是不是很新奇,這個“高大上”的科學裝置,也要開始接地氣了嗎?


大型強子對撞機“兼職”供暖 綠色對撞機或成新趨勢


LHC是何方神圣


大型強子對撞機(Large hadron collider,簡稱LHC)是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器,位于瑞士日內瓦近郊,橫跨法國和瑞士的邊境,作為國際高能物理學研究之用。它能夠將質子加速并使其對撞,以此幫助粒子物理科學家探索新的粒子,并量化研究這些微觀粒子的物理性質。


目前,共有來自全球約80多個國家的7000名科學家和工程師參與了設計、建造與儀器運行過程。2012年,大型強子對撞機成功發現了“上帝粒子”——希格斯玻色子,一時間,讓它名聲大噪。


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其工作原理是在環形粒子加速器的內部,施加特定的電磁場,使兩個被稱之為“強子”的亞原子粒子束朝著相反的方向前進,最終相撞,產生新的粒子。這些粒子每運行一圈,就會獲得更多的能量,直到能量達到指定的數值。


讓非常小的微觀粒子相撞,就如同讓從相距10公里的兩地發射出來的兩根針相撞。簡單來說就是將高度活躍的質子以超快速度撞擊到一起,上演微縮版的“宇宙大爆炸”。


LHC“兼職”供暖


那么,這種研究粒子的科學裝置,要如何為周邊居民供暖呢??這還得從LHC產生的熱能說起。


大型強子對撞機“兼職”供暖 綠色對撞機或成新趨勢


LHC是一個環圓形加速器,深埋于地下100米,它的環狀隧道有 27 公里長,功率是百兆瓦量級,也就是一億瓦量級。


大家都知道,能量在轉化時會有一部分以熱量形式流失。大型強子對撞機耗能巨大,這就意味著它會產生很多熱量。所以,要想保持這一科學裝置處于適宜的工作溫度,就需要搭配龐大的冷卻系統。


那用什么來進行冷卻呢?沒錯,就是水冷系統,所以LHC其實也可以說是在“燒熱水”。


大型強子對撞機“兼職”供暖 綠色對撞機或成新趨勢


LHC“燒熱水”的過程可以分為以下幾步:


首先將冷水注入冷卻管道,使冷卻管道中的水吸收設備產生的熱量。


冷水吸收熱量后變成熱水。隨后,把熱水排出并收集,將其送入冷卻塔降溫。


熱水經過降溫之后變成冷水,再次被注入冷卻管道中,形成一次循環。


據悉,現在的冷卻管道是“內部小循環”,熱量會在冷卻塔中散失掉,無法為人們所用。


而現在科學家想把這種“內部循環”擴大化,將冷卻管道變成大循環,把流出的熱水導入到附近居民家中。于是,原本散失掉的熱能就被利用了起來,起到了供暖的作用。


這樣本來在冷卻塔里白白浪費掉的熱量,就能通過水暖的方式,變成居民家里的供暖來源了。


由于供暖用水一般是循環流動,流入居民家的水在完成供暖使命后,仍會流回冷卻管道,繼續起到冷卻作用,完成循環,也就是說供暖步驟代替了冷卻塔。


大型強子對撞機“兼職”供暖 綠色對撞機或成新趨勢


據估計,未來最多將有8000位居民的家可享受這種更低成本的供暖,同時此種供暖方式還能減少二氧化碳的排放。


工作人員正在檢查大型強子對撞機隧道內的磁體陣列


“綠色對撞機”成新趨勢


目前,用來連接LHC8號實驗點和費內—伏爾泰社區的管道建設工作已經開始,預計2021年將進行熱能回收系統初期測試,2022年費內—伏爾泰社區的部分居民就能享受上LHC提供的熱能了。


“流出冷卻管道的熱水可達30攝氏度,這對于能源回收利用而言是非常有用的。”克勞德說。


高杰告訴記者,30攝氏度的冷卻水屬于低溫熱源,相比高溫熱源,回收利用的技術難度較大。CERN官網提供的示意圖顯示,供熱管道可能會采用地熱探針設備保存熱量,減少管道的溫度波動。


克勞德介紹,目前CERN已經進行多項研究并發現,LHC的2號實驗點、5號實驗點等也可用來為附近社區提供熱能。同時他們還在考慮利用1號實驗點收集的熱能為CERN總部所在地的建筑供暖。


“‘綠色對撞機’已經成為新的課題,也是未來發展趨勢。”高杰介紹,科學家正在研討設計多種方法,將大型對撞機產生的高溫熱能或低溫熱能收集起來,充分實現能源回收利用。


目前,科學家正在研討設計多種方法,將大型對撞機產生的高溫熱能或低溫熱能收集起來,充分實現能源的回收利用。


除了利用冷卻管道,科學家還提出一種大膽的設計方案:利用吸熱性能強大,同時又不太容易散熱的固體材料,充分吸收對撞機產生的熱量,再將材料搬運到需要使用能源的地方散熱。


目前,我國國內對大型對撞機的建設還存有爭論,部分學者認為,粒子物理研究已經到了瓶頸期,花費巨資建造大型對撞機不一定會對該領域的研究起到幫助作用。


但是,如果中國物理學家提出的環形正負電子對撞機計劃立項,未來中國對撞機運行的功率將會在百兆瓦量級以上,到時候這種對熱能的回收利用的方法一定也很有參考意義。


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