Les accélérateurs de particules sont des appareils qui utilisent des champs électromagnétiques pour accélérer les particules et les faire entrer en collision ou contre une cible spécifique. Ces appareils sont largement utilisés par les physiciens pour étudier les particules, les forces qui les animent et les interactions entre elles.
Les accélérateurs de particules les plus grands et les plus avancés au monde consomment d’énormes quantités d’énergie. Dans un article publié dans Physique naturelledes chercheurs de la Technische Universität Darmstadt ont récemment introduit une nouvelle mesure dans leur accélérateur de particules qui peut conserver une puissance de faisceau élevée tout en consommant beaucoup moins d’énergie.
« Les accélérateurs de particules sont disponibles dans des conceptions compactes, telles que celles utilisées pour les appareils à rayons X, et en tant qu’installations à grande échelle utilisées pour la recherche fondamentale », a déclaré Manuel Dutine, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. . « Ces derniers en particulier consomment énormément d’énergie. Cela pose la question de savoir si la valeur ajoutée justifie la réalisation de grandes installations d’accélérateurs de recherche, notamment d’un point de vue économique et durable. »
Les futures recherches à grande échelle en physique des particules nécessiteront des accélérateurs avec une puissance de faisceau de plus en plus élevée. L’objectif principal des travaux de Dutine et de ses collègues était de créer un accélérateur qui pourrait aider à répondre à ces besoins tout en consommant moins d’énergie, en utilisant une technologie connue sous le nom de récupération d’énergie.
« Le concept de récupération d’énergie dans les accélérateurs de particules n’est pas nouveau mais en développement continu », a expliqué Dutine. « Pour obtenir des énergies de faisceau plus élevées avec des besoins en ressources réduits, le concept de récupération d’énergie doit être combiné avec une accélération multi-tours, ce qui était le but de nos recherches. »
Les accélérateurs accélèrent les faisceaux, qui sont essentiellement un grand ensemble de particules, et ce processus consomme inévitablement de l’énergie. Un faisceau accéléré à haute énergie pourrait entrer en collision avec une cible au repos, un autre faisceau de particules ou même une lumière laser, entraînant potentiellement des réactions souhaitées qui peuvent ensuite être étudiées. Les réactions d’intérêt, cependant, sont très rares et la plupart des particules dans un faisceau finissent par n’interagir avec rien au cours d’une expérience.
« Dans un accélérateur conventionnel, le faisceau restant est déversé à haute énergie et l’énergie est gaspillée », a déclaré Dutine. « Dans un ERL (linac de récupération d’énergie), l’énergie du faisceau est récupérée en décélérant les paquets. L’énergie est temporairement stockée dans les champs micro-ondes des structures accélératrices et peut ensuite être utilisée pour accélérer les prochains paquets à faible énergie à venir. »
L’accélérateur ERL développé par Dutine et ses collègues a jusqu’ici obtenu des résultats très prometteurs. Lors des tests initiaux, l’équipe a mesuré sa récupération d’énergie et son recyclage (c’est-à-dire l’utilisation de l’énergie récupérée pour accélérer les paquets de particules suivants) tout en accélérant un faisceau d’électrons.
« En mesurant les économies d’énergie, nous avons démontré que le concept de récupération d’énergie multitour fonctionne », a déclaré Dutine. « Nous avons mesuré une récupération allant jusqu’à 87 % de la puissance de faisceau consommée dans l’accélérateur principal. Cette économie d’énergie est financièrement pertinente pour les faisceaux d’une puissance de Gigawatt ou peut aider à réduire l’empreinte de la consommation d’énergie pour les installations à grande échelle. »
Le nouvel accélérateur de récupération d’énergie multi-tours créé par cette équipe de chercheurs pourrait aider à réaliser des études de physique de manière plus efficace et durable, en consommant moins d’énergie tout en atteignant des énergies de faisceau élevées. À l’avenir, sa conception unique pourrait éclairer le développement d’autres accélérateurs avec des coûts de fabrication et une consommation d’énergie encore plus faibles, favorisant ainsi davantage la recherche durable. Dutine et ses collègues prévoient maintenant de moderniser leur accélérateur de particules et d’en construire un nouveau.
« Le potentiel d’économie d’énergie est encore plus grand pour les installations avec un courant de faisceau, des énergies de faisceau et un nombre de tours accrus », a ajouté Dutine. « Ici, nous sommes limités par les propriétés de notre installation existante. Nous avons entamé des discussions avec des partenaires scientifiques, des organismes de financement et notre ministère pour étendre cette recherche à une installation de nouvelle génération, dans laquelle nous voulons inclure nos découvertes actuelles, établir le recycler l’énergie dans un accélérateur de particules à plus grande échelle, et ainsi convaincre les utilisateurs potentiels des centres scientifiques internationaux ou de l’industrie d’envisager la récupération d’énergie pour leurs besoins en accélérateur de particules. »
Plus d’information:
Felix Schliessmann et al, Réalisation d’un accélérateur multi-tours de récupération d’énergie, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01856-w.
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