L'étude FCC a adopté une approche intégrée pour penser la configuration des machines et des infrastructures, dans la perspective d’un appareil de haute intensité (FCC-ee) auquel succèdera une machine à la frontière des hautes énergies (FCC-hh). L'expérience du programme LEP/LHC a montré que cette approche était la plus appropriée, étant donné que les infrastructures générales et les systèmes d'accélérateurs ont une part égale dans le bilan énergétique.

Les collisionneurs circulaires ont une bonne efficacité énergétique, puisque ce sont les mêmes paquets de particules qui entrent en collision de manière répétée, sur plusieurs tours. L'énergie du faisceau perdue par rayonnement synchrotron croît avec l'énergie du faisceau élevée à la puissance quatre. Pourtant, dans la gamme d'énergie allant jusqu'au quark top, le FCC-ee fonctionnera efficacement en termes de luminosité totale par puissance électrique, comme le montre la figure ci-dessous. Si l'on suppose un prix de l'électricité de 50 EUR par MWh^-1, la facture du FCC-ee s'élève à environ 200 EUR par boson de Higgs !

Le graphique représente la luminosité totale L par puissance consommée PWP en fonction de l'énergie dans le centre de masse pour différents collisionneurs de leptons potentiels : le FCC-ee avec des expériences en deux points de collisions, le Collisionneur linéaire international (ILC), le Collisionneur linéaire compact (CLIC) et le collisionneur de muons conçu par le programme MAP-MC aux États-Unis. La valeur 1 sur l’axe des ordonnées, marquée par la ligne en pointillés, correspond à 360 nb^-1 MWh^-1. Il convient de signaler que le projet de collisionneur de muons se trouve à un stade de conception moins avancé que les trois autres.

Dans une première phase du collisionneur de leptons (FCC-ee), qui nous mènerait à la décennie 2060, la machine consommerait en moyenne 1,4 TWh par an (dans l’état actuel du projet), chiffre qui reste du même ordre de grandeur que la consommation énergétique totale du laboratoire aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, d'énormes progrès ont été accomplis dans la conception des accélérateurs, en particulier du point de vue de l’efficacité. C’est particulièrement visible lorsque l'on compare les performances de la première phase du FCC avec celles du Grand collisionneur électron-positon (LEP), en activité au CERN entre 1989 et 2000. En moins d'une journée de fonctionnement, le FCC-ee pourra reproduire intégralement le programme du LEP et les données de physique associées.

Principaux défis :

Porter l'efficacité du klystron à plus de 65 %

Augmenter la gamme de puissance des amplificateurs à semi-conducteurs

Atteindre une fiabilité élevée pour un grand nombre de systèmes fonctionnant simultanément

Mettre au point des aimants à faible consommation énergétique

Optimiser la gestion de la charge électrique des accélérateurs

Évaluer les possibilités de récupérer et réutiliser la chaleur libérée