“La consommation d’énergie peut être considérablement réduite”

Dans les accélérateurs de particules, les physiciens font entrer en collision de minuscules particules à des vitesses extrêmement élevées afin d’étudier leurs propriétés fondamentales. Cependant, beaucoup d’énergie est nécessaire pour faire fonctionner de tels systèmes. À l’avenir, des concepts tels que la soi-disant récupération d’énergie ne permettront pas seulement d’économiser de l’électricité et donc de rendre les accélérateurs de particules plus durables. Avec cette méthode, des faisceaux de particules plus puissants qu’auparavant pourraient également être disponibles pour la collision. Dans une interview avec Welt der Physik, Norbert Pietralla de l’Université technique de Darmstadt raconte comment lui et son équipe ont démontré pour la première fois un système de récupération d’énergie à deux étages à l’accélérateur d’électrons S-DALINAC à Darmstadt.

Monde de la physique : Vous avez traité de la récupération d’énergie dans les accélérateurs de particules. Qu’est-ce que cela peut signifier ?

Norbert Pietralla : Un accélérateur de particules amène les particules élémentaires – principalement des électrons ou des protons – à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Dans de nombreuses expériences, les particules sont d’abord accélérées par un champ électrique, puis amenées à entrer en collision. Cependant, souvent seule une très petite partie des particules à haute énergie entre en collision. Les particules restantes sont dirigées vers un capteur de faisceau. Là, ils sont arrêtés, de sorte que l’énergie des particules est perdue. L’idée derrière la soi-disant récupération d’énergie n’est pas d’arrêter quelque part les particules restant dans le faisceau, mais de les laisser traverser à nouveau l’accélérateur de particules. Ils sont ralentis de manière ciblée et restituent ainsi leur énergie cinétique au champ électromagnétique dans l’accélérateur. Cette énergie peut ensuite être utilisée pour accélérer le faisceau de particules suivant. Moins d’énergie doit donc être fournie au système d’accélération depuis l’extérieur et l’accélérateur de particules fonctionne en “mode économie d’énergie”.

Comment les particules sont-elles accélérées de toute façon ?

Il existe différentes manières d’accélérer les particules. De nos jours, les champs électromagnétiques alternatifs puissants sont principalement utilisés dans des cavités spécialement formées à travers lesquelles les particules volent. Les champs alternatifs oscillent à haute fréquence, dans la gamme des micro-ondes, similaires à ceux des appareils de cuisine – mais avec beaucoup plus d’énergie. Si vous souhaitez accélérer des électrons à des énergies élevées, par exemple, vous les introduisez dans les cavités de petits paquets. Cela se fait exactement lorsque le champ alternatif oscille de telle manière que les électrons qu’il contient subissent une force dirigée vers l’avant. Et lorsque le champ électromagnétique revient, le paquet d’électrons a déjà quitté la cavité. Le groupe d’électrons suivant ne peut être accéléré que lorsque l’onde se balance à nouveau vers l’avant. Les paquets d’électrons passent par plusieurs de ces trajets d’accélération les uns après les autres, les champs dans les cavités suivantes étant coordonnés les uns avec les autres en termes de temps. Les particules sont accélérées comme un surfeur sur une vague d’eau et quittent l’accélérateur avec une énergie élevée.

D’où vient l’énergie d’accélération ?

L’énergie nécessaire doit être fournie à l’extérieur de l’accélérateur au moyen d’émetteurs hyperfréquences appropriés. Il devient encore plus efficace si vous envoyez plusieurs fois le faisceau à travers tout l’accélérateur. Pour ce faire, le faisceau est ramené au début de l’accélérateur à l’aide de champs magnétiques et réinjecté dans les cavités exactement au bon moment. En conséquence, les paquets d’électrons sont de plus en plus accélérés. À l’accélérateur linéaire supraconducteur S-DALINAC à Darmstadt, où mon équipe et moi travaillons, nous recirculons le faisceau jusqu’à trois fois avant que les particules n’entrent en collision.

Et comment récupérer l’énergie des autres particules dans un tel système ?

L’astuce consiste maintenant, à la fin du processus d’accélération – c’est-à-dire après jusqu’à trois tours – à envoyer les électrons restants non pas avec l’onde, mais contre elle, pour ainsi dire. Ce faisant, ils traversent encore trois fois les mêmes cavités que lors de l’accélération. Mais au lieu d’être accélérés par l’onde, les paquets d’électrons poussent l’onde et cèdent de l’énergie au champ alternatif. Afin d’obtenir cet effet, il faut modifier la longueur du trajet des électrons pour la réinjection dans l’accélérateur – de sorte qu’ils pénètrent dans les cavités remplies de micro-ondes exactement au moment où l’onde revient. Les paquets d’électrons sont alors décélérés et une partie de leur énergie cinétique est transférée au champ micro-onde.

A combien s’élève la récupération d’énergie ?

En un seul tour, il est déjà très bon et peut atteindre 99 %. Mais comme déjà mentionné, nous utilisons généralement plusieurs orbites avant que les électrons accélérés n’entrent en collision les uns avec les autres – jusqu’à trois dans le cas du S-DALINAC. Cependant, plus les électrons ont circulé dans l’accélérateur, plus il devient difficile de récupérer l’énergie totale des électrons restants. En effet, après plusieurs tours de freinage, ils foncent sur l’accélérateur avec un désarroi croissant. Lors de nos tests les plus récents, cependant, nous avons pu récupérer 87% de l’énergie cinétique en deux tours avec un faisceau faible. Dans le cas d’un faisceau très intense avec de nombreuses particules, les électrons deviennent un peu plus désordonnés, de sorte que nous ne pouvions alors récupérer qu’environ 60 % de l’énergie. Mais force est de constater que le S-DALINAC n’a pas été construit et optimisé à l’origine pour la récupération d’énergie. Pour cette étude de faisabilité, nous avons dû le reconstruire un peu. Les futurs accélérateurs qui mettront cela en œuvre dès le départ devraient pouvoir recycler l’énergie des faisceaux de particules beaucoup plus efficacement.

Comment utiliser l’énergie recyclée ?

Deux effets peuvent être obtenus avec cela. Premièrement, l’énergie peut être économisée car moins d’électricité est nécessaire pour faire fonctionner les champs électromagnétiques alternatifs. Car la puissance des générateurs de micro-ondes peut aller de quelques kilowatts – comme à Darmstadt à l’accélérateur de particules S-DALINAC – à plusieurs mégawatts dans les grands systèmes. Atteindre des taux d’économie de plus de 90 % permet non seulement d’économiser de l’énergie, mais également de réduire considérablement les coûts d’exploitation dans les grands systèmes. Et deuxièmement, l’énergie récupérée peut également être utilisée pour générer des faisceaux de particules plus puissants qu’il n’était techniquement possible auparavant. Parce que les générateurs de micro-ondes ne peuvent fournir de l’énergie aux champs alternatifs que dans certaines limites. Cette énergie totale peut être augmentée en recyclant l’énergie des particules.

A quelles fins cela peut-il jouer un rôle ?

Cela peut être important à la fois en physique des particules et dans l’industrie. Des concepts d’accélérateurs de particules extrêmement puissants font actuellement l’objet de discussions dans le cadre de la recherche fondamentale. Cependant, si un tel système avait une consommation d’énergie si élevée que plusieurs grandes centrales électriques seraient nécessaires pour fournir l’énergie, alors ces plans ne seraient pas financièrement réalisables et ne seraient pas non plus justifiables en cette période de pénurie d’énergie. La récupération d’énergie pourrait réduire la consommation d’énergie de tels systèmes à un niveau acceptable. Il existe également un besoin pour des accélérateurs d’électrons puissants dans l’industrie, par exemple comme source de rayonnement gamma, qui est utilisé pour fabriquer des puces de silicium, par exemple. Ici aussi, la consommation d’énergie pourrait être réduite. Avec l’accélérateur MESA, un accélérateur de particules est actuellement en construction à Mayence, qui a été conçu dès le départ pour la récupération d’énergie. Je suis sûr que le concept prévaudra dans de nombreux nouveaux accélérateurs de particules.