Можно ли использовать ускорительное кольцо для хранения энергии?

Позвольте мне начать с решения проблемы магнитов. Например, для Большого адронного коллайдера требуется 1232 дипольных магнита , генерирующих магнитные поля в 8,3 тесла. Я немного сомневаюсь, что редкоземельные магниты могли бы достичь этого должным образом; по отдельности они кажутся неспособными достичь поля более ~ 1 тесла, а также они не способны поддерживать это поле достаточно далеко от самих магнитов. Вы можете компенсировать это, объединив многие из них вместе, но я не уверен, что этого будет достаточно. Я также не уверен, что они могут создать нужную вам геометрию поля, но я могу ошибаться.

Если мы не можем использовать редкоземельные магниты и вынуждены прибегать к обычным старым сверхпроводящим магнитам — что ж, это начисто убьет эту идею. Эти магниты должны быть охлаждены всего до 1,9 градуса выше абсолютного нуля. Это стоит денег - и электричества. Когда коллайдер используется, ЦЕРН требует 200 мегаватт энергии , т.е. примерно треть энергии, потребляемой Женевой, и большая часть этой мощности не идет на пучок частиц.

Давайте обойдем эту конкретную трудность. Если вы хотите рассчитать потери из-за синхротронного излучения, мощность, испускаемая частицей с зарядом$q$и масса$m$движение по круговой орбите радиусом$r$с энергией$E$, со скоростью, близкой к скорости света, составляет примерно

$$P\approx\frac{2kq^2(E/mc^2)^4c}{3r^2}=\frac{2kq^2E^4}{3m^4c^7r^2}$$ Для LHC установка$m$и$q$быть массой протона,$r$радиус БАК (около 4,3 км) и$E$быть 7 ТэВ, мы получаем мощность потери мощности на протон$7.73\times10^{-12}$Уоттс, что на самом деле не так уж и плохо. С другой стороны, 7 ТэВ соответствует примерно$10^{-6}$джоулей, так что вы на самом деле теряете значительное количество энергии в течение дней или недель (учитывая, что$P$будет уменьшаться по мере того, как частицы теряют энергию). Короче говоря, мы должны учитывать потери энергии, хотя вы можете смягчить их, увеличив$r$(ура!).

Не могли бы вы восстановить это? Ну, вам нужно принять во внимание спектр синхротронного излучения ; частицы с более высокой энергией имеют пик излучения при более высоких энергиях фотонов, с пиком излучения на длине волны$\lambda_c$который масштабируется как

$$\lambda_c\propto\frac{1}{E^2B}$$ Это может представлять проблему, если вы пытаетесь создать что-то вроде солнечной панели внутри лучевой трубки, хотя я также был бы чрезвычайно обеспокоен тем, что это устройство, похожее на солнечную панель, будет поражено релятивистскими частицами, поскольку луч не идеальный! Так что, возможно, система, основанная на прямом поглощении фотонов, будет проблематичной.

Наконец, у нас есть вопрос о том, сколько энергии может быть сохранено, и существуют фундаментальные ограничения того, как энергетические отдельные частицы в пучках ускорителя могут быть основаны на свойствах указанного ускорителя. Для более высоких энергий требуются либо более сильные магнитные поля, либо более крупные ускорители, либо большее количество частиц на пучок, что, по-видимому, также ограничено техническими ограничениями. Я не знаю, каков окончательный предел, но я уверен, что он есть.

Суммируя:

• Я хотел бы увидеть некоторые доказательства того, что подход редкоземельных элементов может работать.
• Если вы используете сверхпроводящие магниты, все это не будет эффективным.
• Просто используя LHC в качестве модели, синхротронные потери становятся важными во временных масштабах дней или недель.
• Может быть, вы могли бы компенсировать эту потерю, но я не знаю, как. Обычные устройства, поглощающие фотоны, могут быть повреждены.

Давайте сделаем грубую оценку потерь синхротронного излучения, используя LHC для точек данных. Это ( https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron_radiation ) отмечает: « Каждый протон может терять 6,7 кэВ за оборот из-за этого явления ». Это ( https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider ) говорит « ...11 245 оборотов в секунду для протонов ... » и в сочетании с вышеизложенным дает нам расчетную потерю ~ 75,3 МэВ в секунду на протон. от синхротронного излучения. В той же ссылке также говорится, что пиковая энергия протонов в пучке в настоящее время составляет ~ 6,5 ТэВ. Итак, если бы синхротронные потери энергии были линейными, математика сработала бы так, что вся энергия теряется почти точно за один день, но, что неудобно для нас, это не так. Этот (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/synchrotron.html ) отмечает, что « ...Эта излучаемая энергия пропорциональна четвертой степени скорости частицы и обратно пропорциональна квадрату радиус пути. ... Это означает, что потери масштабируются как четвертая степень энергии частицы γmc². ", где γ зависит от квадрата скорости. Это означает, что большая часть энергии накопленных частиц излучается довольно быстро (вероятно, самое большее в течение нескольких часов) в кольце размером с БАК.

Потери можно уменьшить, построив кольцо большего размера, чем БАК, но тогда у вас будет еще более масштабная инженерная задача, чем построить БАК с очень небольшим выигрышем.

Так что нет, вряд ли это будет практично.