Большой ремонт большой машины

Без сомнений, Большой адронный коллайдер — самое большое и сложное из всех устройств, когда-либо созданных человечеством. Его работу обеспечивают больше тысячи мощнейших магнитов, каждый длиной почти 15 метров, в которых проложено больше 250 тысяч километров сверхпроводящего провода из ниобия и титана, огромная система насосов, обеспечивающая почти космический вакуум в 27-километровой трубе для пучков протонов, не говоря об сверхпроводящих резонаторах, установках для сжижения гелия, электростанциях и прочем.

Но, как и любая другая машина, БАК требует ежегодного техобслуживания, замены изношенного или устаревшего оборудования, модернизации, не говоря уже о ремонте в случае внезапных поломок. В год только на запланированное техническое обслуживание систем ускорителя уходит около пяти месяцев. Вместе с компанией Alfred мы рассказываем о том, на что похожи ремонт и техобслуживание самой большой машины в мире.

Как устроен коллайдер?

Ускорительный комплекс Большого адронного коллайдера, или, как его ласково называют инженеры, «Машина», состоит из 16 радиочастотных сверхпроводящих резонаторов и 1232 огромных сверхпроводящих дипольных магнитов (а также сотен и тысяч других магнитов — квадрупольных, секступольных, октупольных, декапольных и так далее). Их основная задача — разогнать протоны (или ядра свинца) до околосветовой скорости и не допустить их вылета за пределы кольцевой «трассы», пролегающей внутри вакуумированных труб. При работе коллайдера протоны за секунду успевают обогнуть 27-километровое кольцо больше десяти тысяч раз, и только магниты, благодаря силе Лоренца, помогают им вписаться в поворот. Если что-то пойдет не так, то пучок может вызвать серьезные повреждения оборудования: полная кинетическая энергия протонов в пучке такая же, как у мчащегося со скоростью 200 километров в час 120-тонного самосвала. Если под пучок в коллайдере попадет стальная пластина (или, тем более, тонкая электроника) — она попросту оплавится.

В четырех точках кольца ускорителя встречные пучки протонов сталкиваются. Хотя энергии пучков огромны, сравнивать эти столкновения с лобовым ударом двух сверхскоростных самосвалов будет неправильно. Пучки состоят из облачков протонов, а эти субатомные частицы очень малы. Поэтому бóльшая часть частиц при этом просто пролетает друг мимо друга, как облако пролетает сквозь облако. Но те немногие протоны, которым повезло встретиться, врезаются друг в друга и разлетаются, образуя многие тысячи осколков. Именно эти осколки помогают физикам узнать, как устроена материя, куда делось все антивещество в природе и так далее.

Вернемся к магнитам — самой знаменитой части коллайдера. Сила Лоренца заставляет заряженный объект, летящий по прямой, сворачивать в магнитном поле. Но чем больше скорость этого объекта, тем сильнее нужны магниты для того, чтобы вписать объект в поворот кольца ускорителя. В дипольных магнитах БАК индукция магнитного поля достигает 8,4 тесла, что в 200 тысяч раз больше магнитного поля Земли. Это огромная величина, достигнуть которую в электромагните можно, лишь используя колоссальные токи — почти 12 тысяч ампер. Это в тысячу раз больше тока в нагревателе обычного чайника. Никакие медные провода и охлаждение не обеспечат требуемой проводимости и теплоотвода, они попросту расплавятся (или из них не удастся намотать катушку). Поэтому инженеры применяют в таких магнитах сверхпроводящие кабели из сплава ниобия и титана. Главное свойство сверхпроводников — абсолютно полное отсутствие электрического сопротивления. Но сверхпроводящие кабели, в свою очередь, требуют охлаждения до минус 271,3 градуса Цельсия (1,9 кельвина) — температуры жидкого гелия, ниже средней температуры космического пространства. Дополнительная проблема, связанная с работой столь мощных электромагнитов, — чудовищные силы сжатия, возникающие из-за притяжения витков катушки, достигают порядка 400 тонн на метр длины магнита.

В результате, общая энергия, запасаемая только в магнитах БАК, уже достигает 11 гигаджоулей, то есть больше 2,5 тонны в тротиловом эквиваленте. Если при поломке она высвободится, ни к чему хорошему это не приведет.

Грандиозный ремонт

Самое жуткое, что может произойти с установкой, только на постройку которой ушло больше шести лет (и несколько миллиардов евро), — это авария на первых же этапах работы. С Большим адронным коллайдером вышло гораздо хуже — крупная авария случилась еще до первых протон-протонных столкновений.

Фактически строительство коллайдера было завершено к 2008 году. 10 сентября 2008 года первый пучок протонов попал в ускоритель из протонного суперсинхротрона (последнего из цепочки предускорителей, миниатюрных аналогов БАКа), и физики начали отрабатывать ускорение частиц до проектных энергий. Для этого требовалось поднять электрический ток в обмотках тысячи дипольных магнитов до отметки в 9,3 тысячи ампер. Это позволило бы коллайдеру работать почти на 80 процентах проектной энергии. 18 сентября физики понемногу увеличивали силу тока, осторожно контролируя каждый из тысяч электрических контактов сверхпроводящих кабелей. На отметке 8,7 тысячи ампер в одном из контактов произошло падение напряжения — всего лишь на 300 милливольт. Как подсказывает школьный закон Ома, это означает, что контакт приобрел сопротивление в 34 микроома.

В случае обычных токов, с которыми мы встречаемся в быту, 34 микроома – ничтожно малая величина. Но для тока в тысячи ампер это соответствует тепловыделению хорошего электрического чайника (2,5 киловатта). И, что хуже, это означает, что часть сверхпроводящего провода перестала быть сверхпроводящей. Уже спустя 0,4 секунды системы зафиксировали рост сопротивления еще в три раза и начали медленно снижать ток в магнитах, еще через полсекунды ускоритель перешел в режим быстрого гашения тока.

Однако надежного срабатывания систем оказалось недостаточно — в месте контакта возникла электрическая дуга, которая привела к повреждению изоляции системы охлаждения. Жидкий гелий начал резко испаряться. В конечном итоге скачок давления привел к тому, что один из магнитов был оторван от креплений в бетонном полу, а в вакуумные трубы ускорителя попала копоть. Несколько тонн жидкого гелия испарилось в туннель БАКа.

В ходе ремонта пришлось заменить 53 сверхпроводящих магнита (в основном, дипольных и квадрупольных). Здесь стоит, конечно, упомянуть о том, что их вес достигает 35 тонн, и каждый магнит надо было сначала поднимать из подземного тоннеля ускорителя через специальные колодцы, а затем устанавливать обратно.

Не менее существенной проблемой стала очистка вакуумных труб коллайдера, в которых и летают протоны. В них попали сажа и другие вещества, испарившиеся при аварии. Эта «грязь» будет испаряться в условиях вакуума, а образующиеся пары будут сталкиваться с разгоняемыми протонами. В результате пришлось очистить больше четырех километров труб.

Кроме того, были значительно усовершенствованы системы проверки качества контактов между сверхпроводящими кабелями — кстати, допустимое сопротивление контактов не превышает десятка наноом. Именно недостаточное качество контактов помешало коллайдеру выйти на проектные энергии протонов — вместо пяти тераэлектронвольт, запланированных на конец 2008 года, Большой адронный коллайдер до 2013 года работал на энергии 3,5 тераэлектронвольта на протон.

На ремонт ушло больше года — кроме последствий аварии обнаружились еще и утечки вакуума из труб коллайдера. Снова протоны вернулись в ускоритель лишь 20 ноября 2009 года. Уже 30 ноября физики побили существующие рекорды энергии ускорителей, разогнав частицы до 1,18 тераэлектронвольта (предыдущий рекорд принадлежал американскому Тэватрону). На рабочий режим набора научных данных коллайдер вышел 30 марта 2010 года, достигнув энергии 3,5 тераэлектронвольта на протон — или энергии столкновений, равной семи тераэлектронвольтам.

Батоны и куницы

К счастью для экспериментаторов, авария 2008 года была крупнейшей в истории Большого адронного коллайдера. Последствия остальных неприятных неожиданностей, с которыми сталкиваются физики, удавалось ликвидировать достаточно быстро. Одна из самых частых причин сбоев — проблемы с электричеством. Многие наверняка хорошо помнят, как в начале ноября 2009 года, как раз перед первым запуском после ремонта, произошел сбой в системе охлаждения из-за куска багета, упавшего на компенсирующий конденсатор системы электропитания. Тогда во всем обвинили птицу, уронившую кусок хлеба.

Подобные краткосрочные аварии происходят сравнительно регулярно. Так, 29 апреля 2016 года коллайдер остался без электричества из-за куницы, перегрызшей кабель питания, точно такая же ситуация повторилась через полгода, в ноябре 2016-го. Справиться с такими мелкими авариями удается довольно быстро, а страдают от них в основном расписание экспериментов и сами незадачливые животные.

Другие источники «небольших» поломок включают в себя человеческие ошибки (вроде случайно закрытых клапанов), программные ошибки, сбои постепенно изнашивающегося оборудования и ухудшение качества контактов.

Есть в таком огромном устройстве и почти таинственные источники проблем, такие как «неопознанный лежащий объект» и «неопознанные падающие объекты». Иногда пучок протонов, свободно летящий по вакуумированной трубе, встречается с некими крупными объектами и, сталкиваясь с ними, рассеивается. Конечно, после этого физикам приходится выполнять сброс пучка в специальные заглушки — столкновение приводит к тому, что хорошо изученный пучок меняет форму и интенсивность. На роль «неопознанных падающих объектов» подходят частички металла трубы, отваливающиеся, например, от сварного шва. «Неопознанный лежащий объект» был обнаружен уже во втором «сезоне» работ коллайдера — это некий статично лежащий в трубе объект, опасно близкий к траектории пучка. Им вполне может оказаться забытый в трубе винт, крупный кусок сварного шва или еще что-то. Пока же физики просто аккуратно меняют траекторию пучка, уводя его подальше от препятствия.

К слову о неопознанных объектах, смешная ситуация произошла на предшественнике Большого адронного коллайдера — Большом электронно-позитронном коллайдере. После долгой установки очередных усовершенствований ЛЭПа, во время пробных экспериментов регулярно наблюдались непонятные проблемы с пучком. Тогда инженеры тоже подумали о каком-то постороннем объекте.

В трубу коллайдера запустили камеру для инспекции. Так как физики заранее знали, в каком сегменте ускорителя возникает сбой, найти «виновника» удалось довольно быстро. Вскоре камера увидела в трубе нечто зеленое. Этим неопознанным объектом оказалась пара пустых стеклянных бутылок «Хайнекена». До сих пор неизвестно, кто и с какой целью оставил их там.

Техническое обслуживание коллайдера

Около пяти месяцев в год инженеры коллайдера тратят на техническое обслуживание «Машины». Работающие в экстремальных условиях магниты, детекторы, системы электропитания и охлаждения требуют регулярной замены деталей и ремонта. При обслуживании сам ускоритель приходится останавливать: когда в кольце БАК летят протоны спускаться в технические тоннели строго запрещено.

Техобслуживание разбито на несколько этапов. Самый длинный — YETS, техническая остановка в конце года. Она обычно длится всю зиму. Кроме того, уже во время работы коллайдера проводят несколько коротких 5-дневных технических остановок для мелкого ремонта и подстройки оборудования. Например, для установки детекторов малых экспериментов (LHCf), обновления программного обеспечения, проверки работы всех основных систем.

Самое интересное происходит во время зимней остановки коллайдера. Один из сложнейших видов работ — замена магнитов. Для этого надо прогреть целую трехкилометровую секцию из полутора сотен магнитов до комнатной температуры, разъединить нужные контакты и поднять 35-тонное устройство на поверхность земли через специальный колодец. Затем надо установить новый магнит, провести массу тестов, чтобы удостовериться в качестве контактов, и снова охладить секцию до гелиевых температур. Зимой 2016-2017 года инженеры заменили один магнит. А во время длительного перерыва с 2013 по 2015 год пришлось поменять целых пятнадцать дипольных магнитов.

Очень много времени — до месяца — уходит на осторожное охлаждение магнитов обратно, от комнатной температуры (20 градусов Цельсия, или 300 кельвин) до температур жидкого гелия (1,9 кельвина). Это трехстадийный процесс: на первом этапе трехкилометровую секцию охлаждают до 80 кельвин, температуры кипения жидкого азота. Дальше происходит охлаждение до температуры кипения жидкого гелия (4,5 кельвина). Третий этап — охлаждение до 1,9 кельвина, температуры кипения гелия при пониженном давлении. Магниты, как и любые другие материалы, сжимаются при охлаждении — в результате длина секции в охлажденном состоянии примерно на 10 метров меньше, чем при комнатной температуре.

Отдельная задача — поиск и замена кабелей электропитания, деградировавших за время работы, а также прокладка новых. Инженерам приходится инспектировать тысячи кабелей общей протяженностью в многие десятки километров. Даже простая прокладка сигнальных оптоволоконных кабелей становится непростой задачей в сжатые сроки остановки на техобслуживание.

Среди изнашивающихся элементов нельзя не упомянуть специальные устройства для экстренного сброса пучков. В случае, если с ускорителем происходит что-то незапланированное, вся энергия пучка протонов сбрасывается в многометровый стержень из нитрида бора (или графита) в обкладках из алюминия и меди, окруженный тоннами бетона для поглощения излучения. В 2015 году один из таких стержней, предназначенный для сброса пучка из предускорителя (SPS), начал перегреваться и нарушать вакуум в трубе ускорителя — его пришлось заменить.

Такого же обслуживания — и детальной инспекции — требуют системы вентиляции, охлаждения, электропитания ускорителя. В итоге даже долгосрочные остановки на модернизацию, такие как в 2013-2015 годах, оказываются очень насыщенными работой.

Конечно же, ремонт и модернизация ускорителя — не единственный род занятий во время технических остановок. Не меньше работы и у инженеров, работающих на основных научных экспериментах БАК — детекторах ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. К примеру, в 2019-2020 годах ожидается новая долгосрочная остановка и, как рассказывали в марте 2017 года руководители эксперимента LHCb, уже тогда было готово расписание работ по усовершенствованию детектора.

Начиная с 2026 года Большой адронный коллайдер перейдет в режим HL-LHC — коллайдера высокой светимости. Это значит, что ускоритель будет оперировать еще большими интенсивностями пучков, а значит, и большими энергиями. Из этого следует, что инженерам придется еще тщательнее следить за работой самой большой машины в мире.

Владимир Королёв