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博文

中国兴建大型对撞机的风险、挑战与造价 精选

已有 13432 次阅读 2017-6-21 09:20 |系统分类:观点评述

    中国科学院高能物理研究所正雄心勃勃地推动一项超级科学项目:在中国境内建造新一代能量前沿的超大型粒子对撞机(CEPC-SPPC)。这在中国是史无前例的。目前,CEPC-SPPC设计团队已经吸收了国内甚至国际上的很多高能物理和加速器方面的专家积极参与其中。

  最近几个月来,中国科学界对是否应该建造这个超大规模的科学装置有着非常热烈的讨论。有数位我们非常敬仰的世界巨人级的科学前辈参与其中,贡献出很多真知灼见。这一讨论逐渐扩大至公共媒体,无论是微博、微信还是知乎,都引起了更多人的关注和论辩,也是史无前例的。因此,这场讨论本身对中国末来科学的发展及公众对科学的支持,必将有着非常深远的影响。

  作为一个在海外长期从事高能粒子对撞机研究的加速器专业人员,我也非常热切地关注着这场史无前例的讨论,并从中获益良多。以我个人的理解,尽管讨论的正反双方在很多方面有着非常对立的看法,在较深的层次上却有着本质相通的共同点。这场讨论的焦点是:在中国正稳步和快速地走向世界科技大国和強国的大趋势下,如何最优化地配置资源和如何选择最佳路线实现这一强国目标。高能物理研究所的超大型粒子对撞机适时地提供了这一探索的试验田。

     但是笔者同时注意到,由于高能粒子对撞机的知识和技术的非常专业化和大型加速器工程的极端复杂性,不少讨论文章对这两个超大型粒子对撞机的表达在许多方面不正确或甚至完全的错误,以至影响了相关文章的论据准确性和和结论的正确性与准确度。

  我很高兴地看到我卓越的同行唐靖宇博士(高能物理研究所教授和超级质子-质子对撞机SPPC设计团队负责人)已在公共媒体《赛先生》上发表了一篇文章,从加速器的专业角度,对许多方面作了介绍,这必将有助于澄清很多误解。但是,我感觉还有不少方面没有涉及,因为超大型对撞机所涉及的加速器和大工程层面太广。

  笔者本人最近十五年一直在美国能源部下属的国家实验室参与及领导美国新一代高能电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider)的设计。我愿以我所学的加速器知识和积累的设计经验对中国的超大型粒子对撞机CEPC-SPPC作一个初步的分析,以有助于这场讨论在专业技术层面上更加正确和进一步深化。我试图从加速器的专业角度回答几个公众特别关心的热点话题,比如中国超级对撞机的建造是否存在风险,项目造价会否失控并导致成倍增长,会否变成一个无底洞,中国是否有足够的人力资源承担起超级对撞机的建造仼务等等。

   必须事先声明的是笔者本人对中国的能量前沿超级粒子对撞机建设与否具有明确的倾向性,即非常的支持CEPC-SPPC这个项目。而且笔者本人亦通过国际合作参与了CEPC-SPPC的概念性设计工作和《初步概念设计报告》(Pre-Conceptual Design Report)的写作。这个报告有中英两种语言版本,已经公开发表并且可以从高能物理研究所的网站上下载。但是在这一篇分析文章中,笔者力争做到客观,公正和专业。凡不可避免地涉及本人的主观判断,也尽量地予以注明。本篇文章仅限于加速器相关的问题,至于超级对撞机CEPC-SPPC的科学目标和意义及其建造与否的得失,不在讨论之列,因为它们不在本人的专业范围内。

图1. 超级粒子对撞机CEPC-SPPC的《初步概念设计报告》

1.两个不同的对撞机

  虽然它们英文名字的缩写常常被连起来,给人的感觉这是一个装置。但是环型正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider,英文缩写为CEPC)和超级质子-质子对撞机(Super Proton-Proton Collider,英文缩写为SPPC)是两个完全独立的超高能粒子对撞机。这一点,髙能物理研究所所长王贻芳院士在他的多篇文章中早就阐明清楚了。

  我在这里再次指出这一简单事实,是想強调,正因为两者是完全独立的,所以其中任何一个对撞机不会成为建造另一个对撞机的先决条件。我们完全可以也是应该对这两个超级对撞机分开来讨论。它们唯一的相关性,按照目前高能物理研究所的构想,是可能会放在同一个地下隧道内, 在建设SPPC时保留CEPC。

    同样地, 正是因为这是两个完全不同的粒子对撞机,不言而喻,它们的各个方面,包括所对撞的粒子种类和要达到的能量,建造所需要的设备和所用的加速器技术,可能面临的风险以及最为大家关注的工程造价,是完全不同的,在许多方面有着巨大的差别。所以,我们针对其中的一个对撞机的建造与否作探讨时,应该只考虑这个对撞机的相关技术挑战和预估的造价,否则难免犯张冠李戴的错误。很遗憾,这个错误却是时常在发生。比如,常常是用超级质子-质子对撞机(SPPC)较高的造价和相对高的技术风险甚至尚存争议的科学目标来论证环型正负对撞机CEPC的可行性, 就难免差以千里了。

  按照高能物理研究所CEPC-SPPC物理设计组的规划,环型正负电子对撞机(CEPC)当前的科学目标是建成为一个希格斯工厂(Higgs Factory),它所需要的技术己相对成熟,所需的造价虽然也很浩大但是基本可预期及可控制。笔者本人基本认同这个估计的合理性。至于超级质子-质子对撞机SPPC,其作为能量前沿和发现型的对撞机,在高能物理研究所超长期的远景规划中占有极其重要的一席之地。因此,王贻芳所长反复强调将来建造超级质子-质子对撞机SPPC的先决条件是有明确的科学目标,且技术完全成熟,造价可控及合理。

   一般来说,像环型正负电子对撞机CEPC这样的大型加速器项目,从酝酿、提出、到设计和建造,到最后运行结束,不会短于25年。这需要整整一代人的努力,因此超级质子-质子对撞机SPPC将成为下一代高能物理学家和加速器专家的工作和挑战。基于此,以下笔者将主要针对环型正负电子对撞机CEPC展开讨论。

2.与SPPC的兼容

  有读者会问:既然超级质子-质子对撞机SPPC只是个超长期的远景规划,那为什么现在要提出来,甚至还要做概念性设计?这个问题问得非常好。为了确保我们为CEPC开挖出来的近百公里超长地下隧道也可以安放将来有可能建造的SPPC这个超级对撞机,CEPC-SPPC设计团队正在致力于解决这样一个环型正负电子对撞机CEPC与未来的超级质子-质子对撞机SPPC的兼容问题。

    一般来说,现在大型加速器项目都是耗资巨大,而其中的基础工程建设(比如地下隧道、供电、低温等等)、实验室条件(公共基础设施、大型计算中心等)和复杂的前级加速器系统(比如注入器Injector和增能器Booster)在工程总造价中占有相当高的比重,动辄数亿美元或数十亿人民币,因此在长远的规划中,怎样有效地延用这些基础设施和条件是每一个设计团队必须仔细考虑的。他们不仅要考虑当前的大科学装置目标,也要考虑将来可能的装置升级(以达到更高的粒子能量或对撞亮度),有时甚至还要考虑后续的新科学装置,即在原有的基础设施上建造新的科学装置。这些考虑在一个新项目的早期尤其重要,因为一旦方案确定,后面再作大的修改就会面临很大的困难。

  对大科学装置的长远统筹规划是现在的国际惯例,预算是否合理往往决定一个大项目的成败。统筹得当规划巧妙,可达事半功倍之效。最近的一个成功例子是笔者本人所在的美国国家实验室对一台造价6亿美元(1992年价格)的60亿电子伏特超导电子直线加速器进行能量翻倍升级。正是25年前它的设计团队高瞻远瞩,在地下隧道内预留了一部分空间,现在能量升级只需安装部分新的设备即可运行,无需开挖新隧道并保留了许多原有设备,这样不但节省了大量经费,也大大缩短了工期。类似的成功案例还有许多。

  解决环型正负电子对撞机CEPC与超级质子-质子对撞机SppC的兼容性问题绝非轻而易举之事。这是因为我们无法对25年后的高能物理与加速器技术进行精确预测,只能根据历史及当前的研究趋势推断四分之一个世纪之后高能物理会发展到何种程度,大家会对哪些问题最感兴趣,同时也对关键性的加速器技术(比如超高场強的超导磁铁)的发展节点进行合理预判等等。由此,我们可以描绘出未来的质子-质子对撞机的模样。接下来, SPPC设计团队要做出一个深入的概念性设计,对远期目标进行全方位的量化,比如地下隧道的长宽高,弧区段的半径,直线段(安放探测器和机器保护系统)的长度,以及电子真空管道在质子对撞机的探测器周围的绕行通道(Bypass)等许多方面都要进行量化要求,并反馈给CEPC设计团队,这样两个设计就可以统一起来,防止发生诸如SPPC对撞区直线段偏差哪怕一点点的错误而造成设计失败的事情。

图2. 超级粒子对撞机CEPC-SPPC的主环隧道横剖面图.左边是的SPPC的双超导质子对撞环。边下面是CEPC的主环,它的上面是CEPC的增能器。

    总而言之,考虑超级质子-质子对撞机SPPC并做好一个概念性设计体现了高能物理研究所的超级对撞机设计团队的长远考虑。事实上,在考虑以后的高能物理学发展方向上, SPPC只是一个可能选项(但也许是最重要的一个)。该团队还考虑了其它能量前沿型的对撞机选项,包括电子-质子对撞机(Election-Proton Collider)或电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider),以及利用CEPC原有设备发展其他具有广泛应用的大科学装置,比如硬x射线自由电子激光、高能同步辐射光源等。这些考虑及初步的概念性设计,都包括在CEPC-SPPC的《初步概念设计报告》中。

3.CEPC的风险

  可以肯定地说,任何大科学工程都有风险,尤其是对走在最前沿的和从来没有建造过的工程而言。在不同种类的风险中,我们最关注的是所谓”全部失败”型的风险。这是笔者对英语“Show-stopper"的一个粗略的翻译。顾名思义,如果某种风险无法消除(如某个关键技术难题无法在建造或运行前解决),最终将会导致整个装置无法运行或无法实现原定的科学目标。

    在加速器发展历史上,这类“全部失败”型风险造成难以挽回的后果确有发生。例如,上世纪七十年代美国能源部下属的的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Lab)曾经动工兴建一个质子-质子对撞机,代号ISABELLE。3.8公里长的地下隧道都挖好了,但是所需的超导磁铁技术遇到了难以克服的困难,即磁铁的磁场强度无法达到设计要求,而此时隧道已不能再重挖一个。由于无法达到物理上需要的粒子能量,最后只好放弃整个项目,前期的资金投入打了水漂。

  因此,对一个加速器的设计团队来说,找到各种大大小小的风险,并分析这些风险以确定其中是否存在”全部失败” 型的风险是最重要的工作之一。一旦确信有这类风险,就必须通过调整设计方案和強力推进技术预研(R&D)来消除这些风险。一个设计团队尤其是它的领导,对还没有消除”全部失败型”的风险这一事实会非常忧虑乃至寝食难安,因为他们绝不希望项目完全失败,几年的努力付之东流。

图3. 高能物理研究所成功建造并运行了北京正负电子对撞机BEPC并对它进行了重大升级改造

     回到中国环型正负电子对撞机CEPC,笔者认为它不存在这类”完全失败”(Show-Stopper)型的风险。笔者接触的国际加速器专家(leading accelerator scientists)同行们亦都持有相同的看法。这个风险评估结论主要基于下列事实:

  (1) 环型类的正负电子对撞机的相关技术己相当成熟。近六十年在欧洲、美国、日本、前苏联/俄罗斯和中国共建造了大大小小数十台,都是成功的。

  (2) 高能物理研究所成功建造并运行了北京正负电子对撞机BEPC并对它进行了重大升级改造。经过八年的努力,升级后的BEPCII对撞亮度提高了100倍,创造了该能区对撞亮度的世界纪录,加速器的许多部件指标已达到世界先进水平。从内部结构看,现在提议建造的环型正负对撞机CEPC可以看作是BEPC放大60多倍,二者的主体结构几乎一样,所用的也大部分是传统的加速器技术,包括电子型储存环和常温磁铁。

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图4. 北京正负电子对撞机BEPC主环隧道

    (3) 超高能量的大型正负电子对撞机(Large Electron-Position Collider, 简称LEP)早于上世纪九十年代在欧洲核子研究中心(CERN)成功地建造过并运行至2000年。中国的环型正负电子对撞机CEPC比LEP的能量高15%,地下隧道长2到4倍,对撞亮度高约2000倍,技术上有很多相似之处。而高亮度对撞机的设计与建造(包括许多极高指标的部件)正是高能物理研究所的长项。

4.CEPC的挑战

  虽然没有”完全失败”型的风险,环型正负电子对撞机CEPC还是会面临其他方面的挑战,一般认为其中最大的两个是对撞亮度和超高功率的挑战。

  CEPC最重要的一个设计指标是超高的对撞亮度(Luminosity),大约是上一个大型正负电子对撞机LEP的对撞亮度的2000倍,整整三个数量级的跃升。一方面是由于高能物理学的飞速发展对新一代粒子对撞机提出了更高的要求,这样的对撞亮度能够在10年左右的时间通过碰撞生产出一百万个希格斯粒子供精确测量,另一方面也体现了CEPC设计团队的雄心,勇于站到科学和技术发展的前沿。

图5. 欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机LEP的示意图

   为了达到这一超高的设计指标,CEPC设计团队要在过去的大型正负电子对撞机LEP基础上做大规模的改进和优化以挖掘出最大的潜力,比如在对撞环内储存更多的粒子束团,在每个束团内储存更多的电子或正电子,达到更小的束团发射度和采用更好的光学聚焦系统,等等。除此之外,还要千万百计地控制造价,如此更增加了设计难度。所幸的是这些改进的方案在其他环型正负电子对撞机上分别实现了。当然,把这些改进组合起来放在同一个对撞机上一定有其不确定性,需要再做优化和预研(R&D)。目前日本正在建造和试运行一台中等能量的正负电子对撞机(Super-KEKB),所采用的优化方案与CEPC的优化方案相似,而其设计对撞亮度比CEPC还要高大约50倍。他们的经验对CEPC极具参考价值, 也因此大大地降低了CEPC的风险。

    另一方面,由于超高的粒子能量与不低的束流强度,储存在CEPC对撞环里的正负电子束流会发射出极強的同步辐射光,达到100兆瓦的超高功率,这样就需要很多超大功率源配合超导高频加速腔䃼充电子和正电子因同步辐射损失的能量。虽然这些技术己成熟,但所需硬件的造价极其昂贵。如何降低同步辐射造成的问题,提高超导高频腔的指标、效率和成品率,提高微波功率源的电转换效率构成了环型正负电子对撞机CEPC的第二个的挑战,需要通过改进设计和大规模的预研(R&D),并藉由产学研合作发展新的技术,来应对这个挑战。

5.CEPC造价预估

  提议中的环型正负电子对撞机CEPC的预期造价很高,达数百亿元人民币,是目前中国已建或在建的大科学装置造价的十倍以上。公众自然地关心这个预估的工程预算是否可靠,担忧会不会在项目后期失控,造成工程经费成倍的增长,甚至变成一个无底洞。这样的担忧是可以理解的。为了消除公众的顾虑和担忧,不妨先了解一下我们是如何对CEPC这样一个大科学装置的造价作预估的。

  首先设计团队会对CEPC做一个慨念性设计,建立一个设计基线(Baseline Design), 确定可以实现所有预定的科学指标如能量、对撞亮度、探测器个数等等。这些科学指标综合了高能物理学界——CEPC对撞机的未来用户(User Community)——的集体意见,同时项目指导委员会也会下达一个对CEPC造价上限的指导性意见。

   有了这一个设计基线,团队就可以对CEPC的造价作个预估。第一种方法是自上而下(Top-down)。简单地说,我们把CEPC分成几大部分, 对每一部分分别作预估。举例来说,CEPC需要一个60亿电子伏特的常温电子直线加速器作为对撞机的注入器,已知在某个国家的某个大装置中建造过同类型的加速器,虽然能量只有30亿电子伏特,我们相信,按比例推算(Scaling),60亿电子伏特加速器的造价比30亿电子伏特加速器的造价贵一倍是有案可稽的。我们对其他的几大部分也做类似的估计,最后把这些数字加起来,就能得出CEPC项目总价的一个粗估结果。而这个估计是基于已有的成果和经验, 因而具备相当的可靠性和可行性。如果这个预估超出即定的造价目标太多,那就得重新对设计基线作重大修改,以压缩造价,使其低于既定目标。

  当然实际操作要远比上面描述的要详细而审慎。比如那台30亿伏特的直线加速器是八年前建造的,考虑到这八年的通货臌胀,我们需要在原估价基础上乘以一个1.37的因子(按4%的年通货臌胀率估计)。倘若那个直线加速器的某一类部件因为技术进步而导致成本有显著下降,我们也依此对直线加速器造价打个折扣。如此加加减减,我们就得到一个改进后的CEPC当前造价预估。最后, 针对未来工程上的不确定性再计入一个不可预见因子(Contingency,一般约10%), 对上面算出来的总价再加上这个百分比。这样得出的造价预估已相当可靠,尽管误差(Error Bar,一般在20-30%左右)还是不能忽略的。

    设计团队还可以采用另一种方法对CEPC的造价作由下而上(Bottom-up)的预估。我们建立一个巨大的表格(Work Breakdown Structure, 英文缩写WBS),把所有的部件按照对撞机的结构分门别类地列在表中,包括每样部件的技术参数和所需的数目。这个WBS分类可以说是事无巨细,大到数米长的弯转磁铁小到支撑这些磁铁的铁支架,都包含在内。之后,我们对WBS表中的每个部件作价格预估,或釆用相同的按比例外推(Scaling)的方式,或直接询问供应商。最后把所有的数据加起来得到一个总价。这样估计出来的造价,自然比第一种自上而下的方法准确得多,误差区间也会小得多。

  可以理解,自下而上的造价预估非常地耗时费力,需要设计团队的全部人员(加速器科学家和工程师)参与,还需要综合其他技术人员和工程管理人员的意见。随着CEPC设计的进一步的深化和细化,更多的系统细节被确定下来,因此每隔一段时间,就要重新做一次自下而上的造价预估,这不仅使估价更准确,也是把误差范围逐步地缩小。


图6. CEPC的Work Breakdown Structure的示意图

    笔者在这里再简单介绍一下上文提到的一个概念——不可预见因子(Contingency)。它并非针对设计中的遗漏部分,而是工程上的不可控因素。举个例子,建造CEPC需要大量的铜材,而原材料价格在国际市场上是有波动的,有可能发生若干年后CEPC建造时铜材的釆购价格比现在的预估高很多,我们就用这个不可预见因子来把这个风险计入进预估中。另外一种可能的情况是产品供应商的涨价。比如,对某一个对撞机部件,在作预估时所咨询的供应商后来退出了这一市场,而在对撞机建造时我们重新找到的另一家供应商报价高了50%。我们也靠这个不可预见因子来吸收这部分的造价变化。具体操作上, 在釆用自上而下方法时,我们在总价上加个这个百分比,约10%(中国)到35%(美国)。在釆用自下而上方法时,我们根据不同的情况对WBS表格的每一项加上不同的百分比,有些项的不可预见因子甚至可以是百分之一百。

  实际上,设计团队为了保证预估的准确性,尽量降低误差范围,所做的努力远比上面描述的多得多。例如,为了减小基础工程的造价误差,设计团队会专门请工程公司事先钻井以对地下隧道做地质调查。

    总而言之,现代大科学装置的造价预估己发展出一整套完善并行之有效的方法, 并且尽可能地把各种不确定的因素考虑进去。按照这个方法运作,对环型正负电子对撞机CEPC这样技术成熟的加速器项目的造价预估会达到很高的可靠性,不会发生造价失控、预算成倍增长的错误。

  我们还依靠一个健全的制度来保证大科学装置造价预估的准确和可靠。一个行之有效的方法是邀请国内外有经验的专家来对造价预估进行专门评审(Cost Review)。这些专家一般不会验查全部的具体数据,而是看设计团队是否采取正确可靠的预估方法,是否有大的遗漏,是否考虑到所有的不确定因素并选取合理的应变因子等等。他们也会询问个别他们熟知的关键设备估价,以感觉及判断整体的可靠性。专家们通常都拥有非常高的学术名望并非常珍惜之,因此不大可能受到非学术或专业外的影响。

6.设计优化与降低造价

  一个相关的问题是如何看待环型正负电子对撞机CEPC的造价预估。笔者的理解是它只为我们提供了一个对实际造价的参考,并非是一成不变的一锤子买卖。过去的经验告诉我们,诸如CEPC这样的大型科学装置,一定有非常长的设计周期,中间一定会进行各种修改和优化,这都会对造价有较大的影响。我理解CEPC目前尚处在项目的最初阶段,目前的造价预估只会作为一个对后续的设计和技术预研(R&D)的参考。

  过去的经验还告诉我们,一个合理的比较低的造价将会是大科学装置项目得到政府支持和批准的先决条件,这在任何一个国家都是一样的。因此,我们可以预期CEPC的设计团队必定会在降低造价上下大功夫,而最终的CEPC造价可能比现在的预估低很多。

      降低CEPC造价的动力可以来自外部。比如政府主管部门主动下达关于项目造价的指导性意见,要求总造价不能超过多少亿,甚至直接指示在目前CEPC预估造价的基础上减半。这体现了国家对大科学装置项目以及对基础研究投入的全盘考虑,也体现了国家通过经费对大科学装置项目的强力领导。在这样的指导意见下,CEPC设计团队一定会在现有的基线设计(Baseline Design)上做重大修改甚至推倒重来。必要时,项目指导委员会及用户共同体(User Community)也会对科学目标和预期产出做出必要的调整,从而共同实现政府给定的造价目标。

  一个最近的例子是美国密歇根州立大学正在建造的主要用于研究原子核结构和天体核物理的装置——稀有同位素束流加速装置(Facility for Rare Isotope Beams, 英文缩写FRIB)。在这个项目的早期,预估的造价是13亿美元。后来美国能源部要求造价减半。在原子核科学家与加速器专家的通力合作下,针对原设计做了重大修改,并对科学目标和预期产出做了必要的调整,最终基本达到了能源部的要求。项目最终的造价定位在7亿多美元(其中还包括了延期开工导致的因通货膨胀造成的造价上涨)。

    从CEPC设计团队内部来看,他们也会通过设计优化、采用新方法和新技术来降低造价。一些常见的手段是简化设计以省略掉非必需的设备、利用已有的或已退役的科学装置和设备、加大技术开发的力度以及分阶段实现科学目标(Staging)等。

  在最近一次访问高能物理研究所时,笔者欣喜地了解到, CEPC团队正在考虑采用一个国际上新发展的束团对撞方法, 即蟹行穿越型(Crab Crossing)的非对头碰撞。这个方案,一旦经论证可行,将提高对撞亮度1.5倍。这提供了降低造价的一个绝佳途径,即我们可以仅用原设计的正负电子流強的2/3就能够达到对撞亮度目标。这一电流流強的下调,将减少33%的同步辐射功率,而由此减少的功率源设备可以节省三四十亿元人民币的经费。目前,这个设计优化方案还在验证阶段,我们预祝他们成功。

    总而言之,目前谈论的环型正负电子对撞机CEPC的造价只能是一个参考。我们相信,通过CEPC团队的努力和充分而仔细的预研(R&D),最终的CEPC造价一定会大幅降低。大家应该有耐心, 给CEPC团队足够的时间和设计经费支持,达到这目标。

7.SPPC的造价可预估吗

    笔者个人觉得在现阶段对超级质子-质子对撞机SPPC的造价预估不可行。这主要是因为它的一些关键技术和部件尚未研发出来。理论上,我们不能对一个还没办法制造的东西预估它的制造成本,这个应该不难理解。即使运用从现有产品按比例外推(Scaling)的方式,也是很不可靠的。比如,大型強子对撞机LHC采用的超导磁铁磁场强度是8.3特斯拉,SPPC的设计要求是20个特斯拉。张三可以说两者的造价之比是2.5倍到3倍, 显而易见这是从磁场强度之比推出来的。但是未来的超強超导磁铁需要釆用高温超导材料或铌三锡材料,目前这两种超导材料的价格都比LHC所采用的铌钛超导材料贵很多,据此李四则会说20个特斯拉的高温超导磁铁比8.3特斯拉的常规超导磁铁贵5到7倍,这还不一定包含了二十年的巨额研发费用。由此可见,目前对超強超导磁铁的造价估计就无法做出一个定论来。而SPPC当中,最贵的就是用海量的超強超导磁铁去填满百公里长的地下隧道,因此SPPC的总造价的预估对张三和李四两个人来说可以差一到两倍,甚至更多。要命的是我们还无法判断哪一个估计更接近正确的答案。

   既然如此,那为什么CEPC-SPPC设计团队还公开地表示SPPC的造价大约是1000亿人民币呢?笔者的理解是这个价位是高能物理研究所对未来SPPC造价的一个期望。是否能实现这个造价目标,得看未来二十年超导材料的发展成果。可喜的是,高能物理研究所已联合科学院物理研究所、电工所、中国科大等国内超导研究的顶尖团队及有关企业,开展这方面的调研、规划和前期研究。期望他们能借此东风,不仅解决加速器研制的需求,还能发展出中国的超导产业。笔者也希望他们能得到支持,开展这类长达20年的长期研究、开发与产业化。

8.团队和人才

  中国有没有足够的有经验的加速器专家和技术团队来承担设计、研发和建设环型正负电子对撞机CEPC这样一个超大规模的对撞机?笔者个人的看法是非常正面的。下面笔者就这个问题谈几点看法。

  首先,高能物理研究所在过去的三十多年中,通过设计、建造、运行和升级北京正负电子对撞机BEPC,锻炼和培养了一个非常优秀的加速器团队,在正负电子对撞机的各个方面都人才济济。团队在BEPC建造和运行实践中积累的经验是极其重要的财富,并保证他们能够担当起CEPC的建设重任。前文提到,CEPC只是BEPC放大六十多倍, 二者的内部结构几乎一样,因此团队在很多方面是驾轻就熟的。

    其次,最近数十年中国在加速器领域进步巨大,实际上己经迈入世界前列。有些读者对此不一定了解。一方面中国有大量的在建或设计中的大型加速器项目,包括先进同步辐射光源,散裂中子源,重离子加速装置和软x-射线自由电子激光器等,都处于世界最前沿的位置。而加速器驱动次临界系统(Accelerator-driven Sub-critical System, 英文缩写ADS)的加速器更是处于世界领先的位置。另一方面,中国的加速器科学家在国际会议上做邀请报告和在囯内外科学期刊和会议文集上发表的论文也是越来越多。中国在加速器领域全方位的进步构成了一个坚实深厚的技术基础,对CEPC的建设相当有利。

  再其次,可以预见,由于CEPC的超大规模,它一定会需要比建设和运行BEPC多得多的各种物理和工程技术方面的人才。中国拥有非常出色的理工科教育系统,具备充足的人才资源和智力储备,这是中国的一大优势。随着项目的逐渐展开,一定会吸引越来越多的年轻人加入进来。

   笔者注意到,中国的高端加速器人才的产出率相当高,每年有数十位新博士从中国科学院3个主要加速器研究所和几所著名高校里涌出,他们的水准普遍都比较高,在任何一个欧美主要加速器实验室里都属上乘,笔者本人对此有非常深刻的印象和直接的经验。另外中国的硏究机构也越来越开放,人员流动和学术交流趋于常态化和制度化。这些都是非常有利的因素。

  大科学工程和技术团队,两者有着鸡生蛋蛋生鸡的关系。这好比学骑车就必须有一辆自行车。一个世界最大的科学工程,一定需要一个世界一流的技术团队,而项目又必然会培养和锻炼出这样一支队伍。在这一良性循环中,有潜力的年轻人在推进环型正负电子对撞机CEPC项目的过程中成长为技术专家或领军人物是必然的结果。

9.国际人才与科技强国

   我想大家都会同意,在建设CEPC这样的超级大科学装置的过程中,吸引外囯专家和外国有潜力的年轻人参与是必不可少的。笔者能理解部分读者担忧最后会不会都是老外在主导整个工程。我觉得CEPC全部都是外籍专家主导是不可能的,如前所述,中国已有非常优秀的加速器专家和领军人物。另一方面,有一些外藉专家在某些领域挑大梁不仅是可能的,而且应该鼓励和支持,毕竟他们是为中国的大科学装置贡献智慧和才能。这里我想特别谈一谈中国要成为世界科技强国,应该有怎么样的胸襟。

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图7. 中国国家最高科学奖获得者谢家麟先生(左), 美国物理学会的威尔逊奖获得者邓昌黎先生(右)

   历史上,很多中国科学家前辈因为众所周知的原因,都是在中国以外的地方开始了他们的科学生涯并创造了事业的辉煌。仅以加速器领域为例,国家最高科学奖获得者,北京正负电子对撞机BEPC工程领导人谢家麟老先生一九四零年代在美国主持建造了世界上第一台医用加速器,开创了一个新的应用领域。邓昌黎老先生在一九六零年代作为加速器团队的领导人与美国著名物理学家罗伯特·威尔逊一起创办了著名的费米加速器国家实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)并荣获美国物理学会的威尔逊奖。赵午先生在一九八零年代至九零年代曾主持领导当时全世界最大的美国超导超级对撞机(Superconducting Super Collider, 英文缩写SSC)的物理设计。翁武忠先生曾领导美国布鲁克海文国家实验室的交变聚焦同步加速(Alternating Gradient Synchrotron, 英文缩写AGS)增强器(Booster)工程的建设;他亦曾任美国五大实验室联合建造的散裂中子源工程(Spallation Neutron Source, 英文缩写SNS)的高级项目负责人,并曾担任美国物理学会加速器分会的主席。即使笔者这一代,也有密歇根州立大学的韦杰教授(清华大学1983年毕业生)正领导前文己提到的美国稀有同位素束流装置FRIB加速器的建设。他们和其他移民科学家的贡献让美国的科学变得更先进。

    今天中国正从科学大国向科学強国迈进,追赶世界第一科学强国美国。中国怎能不拿出美国一样的胸襟,张开双臂欢迎世界各国的优秀人才在中国的土地上为中国的科学事业发挥聪明才智并创造事业的辉煌?

10. 展望:pre-CDR到CDR再到TDR

  如上所述,一个大型的科学装置的设计、研发和建设一般需要数十年的时间。中国的项目相对来说普遍快一些,但这个环型正负电子对撞机CEPC也得需要十到十五年时间,其中的设计和关键技术预研不少于五到七年。虽然各个国家的项目管理不完全相同,但是在对撞机设计阶段,一般有三个阶段,初步概念设计(Pre-conceptual Design),概念设计(Conceptual Design)和技术设计(Technical Design)。随着设计工作和关键技术预研的推进,设计基线不断地被优化,一个个技术难题被攻克,机器的可靠性(Reliability)和可运行性(Operability)不断地提高。技术设计的完成标志着所有的技术不确定性和风险因素被克服,所有的设计漏洞被补上,造价完全确定,基本上不应该有大的错漏。

    中国环型正负电子对撞机CEPC的初步概念设计业己完成,正在向概念设计迈进。据笔者了解,CEPC团队希望在未来的两年内完成概念设计,然后再花更多一些时间完成详细的技术设计。笔者认为这个时间表略显紧迫了一点,但也是可行的。

  传统上,每一阶段的设计完成后,团队都会提交一个设计报告。CEPC的下一个报告便是概念设计报告(Conceptual Design Report, 英文缩写CDR)。有时候,设计团队还会撰写中间报告以及时总结设计进展,比如CEPC团队计划于明年中之前完成一个概念设计进展报告。这些报告会越来越详细,因此也越来越厚。笔者预测最后的CEPC技术设计报告(Technical Design Report,英文缩写TDR)将达一尺之厚(多卷),里面装载着有整个设计团队和国内外合作者近十年的心血和成果。仅此一成就,就值得团队和国人为之骄傲和自豪。

  在未来几年中,科学界及社会大众持续关注中国是否兴建超级对撞机是可以肯定的。但笔者希望不管最终的决定是什么,现阶段中国政府都应该鼓励CEPC-SPPC设计团队继续开展对环型正负电子对撞机CEPC的设计工作和技术预研,并提供充足的预研经费和支持,以获取更全面和更准确的技术信息为将来的决定作参考。



图8. CEPC-SPPC的可能选址(秦皇岛)。一大一小两个环对应两个不同的设计方案,分别是50公里和100公里的隧道长度。


鸣谢和声明

  笔者感谢中国科学院高能物理研究所秦庆、高杰和唐靖宇研究员阅读本文并提出宝贵意见。但是这不表示这些同行同意本文的全部或部分观点。笔者对本文中的错误负责。

  笔者感谢中国科学院高能物理研究所黄蔚玲博士对本文作文字改正和润色。

  笔者对他所在的美国国家实验室及它的上级部门美国能源部支持他参与CEPC-SPPC相关的国际合作表示由衷的感谢!但是本篇文章表达的仅是笔者本人的观点, 与上述机构无关。


(本文发表<赛先生>公众号)



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