Национальная лаборатория Оук-Ридж ( ORNL ) — финансируемый из федерального бюджета научно-исследовательский центр в Оук-Ридж, штат Теннесси , США. Основанная в 1943 году, лаборатория в настоящее время спонсируется Министерством энергетики США и управляется UT–Battelle, LLC . [3]
Основанная в 1943 году, ORNL является крупнейшей по размеру национальной лабораторией в системе Министерства энергетики [4] и третьей по величине по годовому бюджету. [5] Она расположена в округе Роан города Ок-Ридж. [6] [7] Ее научные программы сосредоточены на материалах , ядерной науке , нейтронной науке, энергетике, высокопроизводительных вычислениях , науках об окружающей среде , системной биологии и национальной безопасности , иногда в партнерстве со штатом Теннесси , университетами и другими отраслями промышленности.
ORNL имеет несколько лучших суперкомпьютеров в мире , включая Frontier , который по версии TOP500 считается самым мощным в мире. Лаборатория является ведущим исследовательским центром нейтронной и ядерной энергетики, включающим в себя источник нейтронов расщепления , высокопоточный изотопный реактор и Центр нанофазных материаловедения .
Национальная лаборатория Оук-Ридж управляется UT–Battelle [ 8], товариществом с ограниченной ответственностью между Университетом Теннесси и Battelle Memorial Institute , образованным в 2000 году для этой цели. [9] Годовой бюджет составляет 2,4 миллиарда долларов США. По состоянию на 2021 год в ORNL работает 5700 сотрудников, около 2000 из которых являются учеными и инженерами [10] , и дополнительно 3200 приглашенных исследователей ежегодно [11] .
На территории резервации Оук-Ридж Министерства энергетики США находится пять кампусов: Национальная лаборатория, Национальный комплекс безопасности Y-12 , Технологический парк Восточного Теннесси (ранее — Газодиффузионный завод Оук-Ридж ), Институт науки и образования Оук-Ридж и развивающийся Научно-технологический парк Оук-Ридж, хотя четыре других объекта не связаны с Национальной лабораторией. [12] [13] Общая площадь резервации составляет 150 квадратных километров (58 квадратных миль), из которых лаборатория занимает 18 квадратных километров (7 квадратных миль). [14] [15]
В 1934 году были раскопаны курганы Фрил-Фарм , археологические раскопки и могильные курганы позднего лесного периода . [16] В настоящее время это место затоплено озером Мелтон-Хилл . [17]
Город Ок-Ридж был основан Корпусом инженеров армии как часть Инженерных работ Клинтона в 1942 году на изолированной сельскохозяйственной земле в рамках Манхэттенского проекта . [18] Во время Второй мировой войны передовые исследования для правительства проводились на этом месте Металлургической лабораторией Чикагского университета . [ 19] В 1943 году было завершено строительство Лабораторий Клинтона, которые позже стали известны как Национальная лаборатория Ок-Риджа. [18] [20] Место было выбрано для графитового реактора X-10 , используемого для производства плутония из природного урана . Энрико Ферми и его коллеги разработали второй в мире самоподдерживающийся ядерный реактор после предыдущего эксперимента Ферми, Чикагского реактора-1 . X-10 был первым реактором, предназначенным для непрерывной работы. [21]
После окончания Второй мировой войны правительство США передало управление лабораторией компании Monsanto ; однако в 1947 году они вышли из договора. [22] Чикагский университет временно снова взял на себя ответственность, и лаборатория получила престижное обозначение «Национальная», пока в декабре 1947 года компания Union Carbide and Carbon Co. , которая уже управляла двумя другими лабораториями в Ок-Ридже, не взяла под свой контроль лабораторию и не переименовала ее в Ок-Риджскую национальную лабораторию (ORNL). [20] [22] [23]
После войны спрос на военную науку резко упал, и будущее лаборатории было неопределенным. Реактор X-10 и 1000 сотрудников лаборатории больше не были задействованы в ядерном оружии. [18] [22] Вместо этого он использовался для научных исследований. [21] В 1946 году в реакторе X-10 были получены первые медицинские изотопы , и к 1950 году почти 20 000 образцов были отправлены в различные больницы. [21] [22] Количество и разнообразие радионуклидов, производимых X-10 для медицины, неуклонно росли в 1950-х годах. ORNL был единственным западным источником калифорния-252 . [22] Ученые ORNL также провели первую в мире успешную пересадку костного мозга мышам, подавив их иммунную систему . [22]
В 1950 году была основана Школа реакторных технологий Оук-Ридж с двумя курсами по эксплуатации реакторов и безопасности; почти 1000 студентов окончили ее. [22] Большая часть исследований, проведенных в ORNL в 1950-х годах, была связана с ядерными реакторами как формой производства энергии, как для движения, так и для электричества. В 1950-х годах было построено больше реакторов, чем за всю остальную историю ORNL вместе взятую. [22] Одним из их самых влиятельных проектов был легководный реактор , предшественник многих современных атомных электростанций. Вооруженные силы США финансировали большую часть его разработки для атомных подводных лодок и кораблей ВМС США . [22] Армия США также заключила контракт на проектирование портативных ядерных реакторов в 1953 году для производства тепла и электроэнергии на отдаленных военных базах. [24] Реакторы были произведены American Locomotive Company и использовались в Гренландии , зоне Панамского канала и Антарктиде . [22] Военно-воздушные силы США также внесли свой вклад в финансирование трех реакторов, первых компьютеров лаборатории и ее первых ускорителей частиц. [22] ORNL построил свой первый реактор на расплавленной соли в 1954 году в качестве доказательства концепции для предлагаемого флота дальних бомбардировщиков , но он так и не был использован. [22] [24]
Элвин М. Вайнберг был назначен директором по исследованиям ORNL, а в 1955 году — директором лаборатории. [22] [23] В начале 1960-х годов в ORNL была предпринята большая попытка разработать атомные опреснительные установки, где пустыни встречались с морем, чтобы обеспечить водой. Проект под названием «Вода для мира» был поддержан Джоном Ф. Кеннеди и Линдоном Б. Джонсоном и был представлен на конференции ООН 1964 года, но рост стоимости строительства и падение общественного доверия к ядерной энергетике привели к закрытию плана. [22] [24] Исследовательский реактор Health Physics, построенный в 1962 году, использовался для экспериментов по воздействию радиации , что привело к более точным предельным дозам и дозиметрам , а также улучшенной радиационной защите . [22]
В 1964 году начался эксперимент по реактору на расплавленной соли с постройкой реактора. Он работал с 1966 по 1969 год (с шестимесячным простоем для перехода с топлива U-235 на U-233 ) и доказал жизнеспособность реакторов на расплавленной соли , а также производил топливо для других реакторов в качестве побочного продукта своей собственной реакции. [22] Высокопоточный изотопный реактор, построенный в 1965 году, имел самый высокий поток нейтронов среди всех реакторов того времени. [22] Он улучшил работу реактора X-10, производя больше медицинских изотопов, а также обеспечивая более высокую точность исследования материалов. [22] Исследователи из биологического отделения изучали воздействие химикатов на мышей, включая пары бензина , пестициды и табак . [22]
.jpg/1280px-ORMAK_(46436229152).jpg)
В конце 1960-х годов сокращение финансирования привело к отмене планов по созданию еще одного ускорителя частиц, а Комиссия по атомной энергии США сократила программу реакторов-размножителей на две трети, что привело к сокращению штата с 5000 до 3800 человек. [22] В 1970-х годах перспектива термоядерной энергетики была серьезно рассмотрена, что послужило толчком к исследованиям в ORNL. Токамак под названием ORMAK, введенный в эксплуатацию в 1971 году, был первым токамаком, достигшим температуры плазмы в 20 миллионов Кельвинов. [25] После успеха экспериментов по термоядерному синтезу он был увеличен и переименован в ORMAK II в 1973 году; однако эксперименты в конечном итоге не привели к созданию термоядерных электростанций. [22]
.jpg/1280px-S.R._Sapirie,_Senator_Albert_Gore,_Senator_Lyndon_Johnson,_Dr._John_Swartout,_Looking_at_Model_of_Graghite_Reactor_at_Oak_Ridge_National_Lab._(6964225494).jpg)
Комиссия по атомной энергии США (AEC) потребовала улучшения стандартов безопасности в начале 1970-х годов для ядерных реакторов, поэтому сотрудники ORNL написали почти 100 требований, охватывающих многие факторы, включая транспортировку топлива и устойчивость к землетрясениям. В 1972 году AEC провела серию публичных слушаний, на которых были подчеркнуты требования к экстренному охлаждению, а требования безопасности стали более строгими. [22] Также в 1972 году Питер Мазур , биолог из ORNL, заморозил жидким азотом , разморозил и имплантировал эмбрионы мышей суррогатной матери . Мышиные детеныши родились здоровыми. [22] Этот метод популярен в животноводческой отрасли, поскольку он позволяет легко транспортировать эмбрионы ценного скота, а у призовой коровы можно извлечь несколько яйцеклеток и, таким образом, с помощью экстракорпорального оплодотворения иметь гораздо больше потомства, чем это было бы возможно естественным путем. [22]
В 1974 году Элвин Вайнберг, директор лаборатории в течение 19 лет, был заменен Германом Постмой , ученым в области термоядерного синтеза. [22] В 1977 году началось строительство 6-метровых (20-футовых) сверхпроводящих электромагнитов , предназначенных для управления реакциями термоядерного синтеза . Проект был международным: три электромагнита были произведены в США, один в Японии, один в Швейцарии и последний — оставшимися европейскими государствами. [22] ORNL принимала участие в анализе повреждений активной зоны АЭС Три-Майл-Айленд после аварии в 1979 году . [22]
1980-е годы принесли больше изменений в ORNL: акцент на эффективности стал первостепенным. Была построена камера для ускоренного моделирования климата, которая применяла различные погодные условия к изоляции, чтобы проверить ее эффективность и долговечность быстрее, чем в реальном времени. [22] Были проведены исследования материалов в области термостойкой керамики для использования в двигателях грузовиков и высокотехнологичных автомобилей, основанные на исследованиях материалов, которые начались в ядерных реакторах 1950-х годов. [22] В 1987 году была создана Лаборатория высокотемпературных материалов, где ORNL и промышленные исследователи сотрудничали в проектах по керамике и сплавам. Бюджет исследований материалов в ORNL удвоился после первоначальной неопределенности относительно экономической политики Рейгана по сокращению государственных расходов. [22] В 1981 году в ORNL был открыт Центр исследований тяжелых ионов Холифилда, ускоритель частиц на 25 МВ . В то время Холифилд имел самый широкий спектр видов ионов и был вдвое мощнее других ускорителей, привлекая сотни приглашенных исследователей каждый год. [22]
Министерство энергетики было обеспокоено загрязнением окружающей среды ORNL и начало работы по очистке. Захоронения и протекающие трубы загрязнили грунтовые воды под лабораторией, а радиационные резервуары простаивали, полные отходов . Оценки общей стоимости очистки составили сотни миллионов долларов США. [22] Пять старых реакторов были подвергнуты проверкам безопасности в 1987 году, и было приказано их дезактивировать до завершения проверок. К 1989 году, когда был перезапущен высокопоточный изотопный реактор, поставки некоторых медицинских изотопов в США были истощены. [22] В 1989 году бывший исполнительный директор Американской ассоциации содействия развитию науки Элвин Трайвелпис стал директором ORNL; он оставался на этой должности до 2000 года. [22]
В 1992 году осведомитель Чарльз Варнадор подал жалобы на ORNL, заявив о нарушениях безопасности и ответных мерах со стороны его начальников. В то время как судья по административным делам вынес решение в пользу Варнадора, министр труда Роберт Райх отменил это решение. Однако в деле Варнадора главный подрядчик Мартин Мариетта был привлечен к ответственности за нарушения безопасности, что в конечном итоге привело к дополнительной защите осведомителей в DOE. [26]
В январе 2019 года ORNL объявила о крупном прорыве в автоматизации производства Pu-238 , что помогло увеличить годовой объем производства с 50 до 400 граммов, приблизившись к цели NASA — 1,5 килограмма в год к 2025 году для поддержания программ по исследованию космоса. [27]
ORNL проводит научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую деятельность, охватывающую широкий спектр научных дисциплин. Многие области исследований в значительной степени пересекаются друг с другом; исследователи часто работают в двух или более областях, перечисленных здесь. Основные области исследований лаборатории кратко описаны ниже.
Лаборатория имеет долгую историю энергетических исследований; эксперименты с ядерными реакторами проводились с момента окончания Второй мировой войны в 1945 году. Из-за доступности реакторов и высокопроизводительных вычислительных ресурсов особое внимание уделяется повышению эффективности ядерных реакторов. [31] [32] Программы разрабатывают более эффективные материалы, более точное моделирование старения активных зон реакторов, датчиков и элементов управления, а также процедуры безопасности для регулирующих органов. [32]
Программа энергоэффективности и технологий электроэнергии направлена на улучшение качества воздуха в США и снижение зависимости от иностранных поставок нефти. [33] Существует три основных направления исследований: электричество, производство и мобильность. Подразделение электроэнергии фокусируется на снижении потребления электроэнергии и поиске альтернативных источников для производства. Здания, на которые приходится 39% потребления электроэнергии в США по состоянию на 2012 год, являются ключевой областью исследований, поскольку программа направлена на создание доступных домов с нулевым выбросом углерода . [34] Исследования также проводятся в области более эффективных солнечных панелей , геотермального электричества и отопления , недорогих ветровых генераторов и экономической и экологической осуществимости потенциальных гидроэлектростанций . [35] [36] [37]
Подразделение термоядерной энергетики преследует краткосрочные цели по разработке таких компонентов, как высокотемпературные сверхпроводники , высокоскоростные водородные инжекторы и подходящие материалы для будущих исследований в области термоядерного синтеза. [38] [39] В Подразделении термоядерной энергетики проводится много исследований поведения и поддержания плазмы для дальнейшего понимания физики плазмы , важнейшей области для разработки термоядерной электростанции. [38] [39] Офис ИТЭР в США находится в ORNL с партнерами из Принстонской лаборатории физики плазмы и Национальной лаборатории Саванна-Ривер . [40] Вклад США в проект ИТЭР составляет 9,1%, что, как ожидается, превысит 1,6 млрд долларов США на протяжении всего контракта. [41] [42] Исследователи ORNL приняли участие в разработке обширного плана исследований для сотрудничества США и ИТЭР, подробно описанного в 2022 году. [43]
Биологические исследования охватывают экологию , лесное хозяйство , [44] геномику , вычислительную биологию , структурную биологию и биоинформатику . [45] Программа BioEnergy направлена на повышение эффективности всех стадий процесса биотоплива для повышения энергетической безопасности Соединенных Штатов. [46] Программа направлена на генетические улучшения потенциально используемой биомассы, [47] на разработку методов для нефтеперерабатывающих заводов, которые могут принимать разнообразный спектр топлива, и на повышение эффективности доставки энергии как на электростанции, так и конечным пользователям. [48] [49]
Центр молекулярной биофизики проводит исследования поведения биологических молекул в различных условиях. Центр проводит проекты, которые изучают клеточные стенки для производства биотоплива, [50] используют нейтронное рассеяние для анализа сворачивания белков и моделируют эффект катализа в обычном и квантовом масштабе . [51] [52] ORNL является домом для полевого участка Национальной экологической обсерватории сети (NEON), у которой есть полевой офис поблизости. Министерство энергетики тесно сотрудничает с Агентством ресурсов дикой природы Теннесси из ORNL для мониторинга лесной экологии для окружающих Аппалачей и плато Камберленд домена NEON. [44]
В ORNL имеется два источника нейтронов: высокопоточный изотопный реактор (HFIR) и источник нейтронов расщепления (SNS). HFIR обеспечивает нейтроны в стабильном пучке, получаемом в результате постоянной ядерной реакции , тогда как SNS, ускоритель частиц, производит импульсы нейтронов. [53] [54] HFIR стал критическим в 1965 году и с тех пор использовался для исследования материалов и в качестве основного источника медицинских радиоизотопов. [55] По состоянию на 2013 год HFIR обеспечивает самый высокий в мире постоянный поток нейтронов в результате различных модернизаций. [56] Берклий -249, впервые использованный для синтеза теннессина , был произведен в HFIR в рамках международных усилий. [57] HFIR, вероятно, будет работать примерно до 2060 года, прежде чем корпус реактора под давлением будет признан небезопасным для дальнейшего использования. [58]
SNS имеет самую высокую интенсивность нейтронных импульсов среди всех искусственных нейтронных источников. [59] SNS был введен в эксплуатацию в 2006 году и с тех пор был модернизирован до 1 мегаватта с планами продолжить до 3 МВт. [56] Мощные нейтронные импульсы позволяют получать более четкие изображения целей, что означает возможность анализа меньших образцов и необходимость в меньшем количестве импульсов для получения точных результатов. [60]
.png/1280px-Advanced_Microscopy_Laboratory_(49941605241).png)
В период с 2002 по 2008 год ORNL сотрудничала с Caterpillar Inc. с целью создания нового материала для своих дизельных двигателей, способного выдерживать большие колебания температуры. [61] Новая сталь, названная CF8C Plus, основана на обычной нержавеющей стали CF8C с добавлением марганца и азота ; в результате получаются лучшие высокотемпературные свойства и ее легче отливать при аналогичной стоимости. [61] В 2003 году партнеры получили награду R&D 100 от журнала R&D , а в 2009 году получили награду за «выдающиеся достижения в передаче технологий» от Федерального лабораторного консорциума за коммерциализацию стали. [61]
В ORNL есть лаборатория высокотемпературных материалов, которая позволяет исследователям из университетов, частных компаний и других государственных инициатив использовать свои объекты. Как и в случае со всеми назначенными пользовательскими объектами, ресурсы Лаборатории высокотемпературных материалов доступны бесплатно, если результаты опубликованы; частные исследования разрешены, но требуют оплаты. [62]
Центр нанофазных материаловедения (CNMS) исследует поведение и изготовление наноматериалов . Центр уделяет особое внимание открытию новых материалов и пониманию основных физических и химических взаимодействий, которые позволяют создавать наноматериалы. [63] В 2012 году CNMS изготовил литий-сульфидный аккумулятор с теоретической плотностью энергии в три-пять раз больше, чем у существующих литий-ионных аккумуляторов . [64]
ORNL предоставляет ресурсы Министерству внутренней безопасности США и другим оборонным программам. Программа глобальной безопасности и нераспространения (GS&N) разрабатывает и реализует политику, как на уровне США, так и на международном уровне, для предотвращения распространения ядерного материала . [65] Программа разработала гарантии для ядерных арсеналов, руководящие принципы по демонтажу арсеналов, планы действий на случай попадания ядерного материала в несанкционированные руки, методы обнаружения украденных или пропавших ядерных материалов и торговлю ядерными материалами между США и Россией. [65] Работа GS&N пересекается с работой Управления программ внутренней безопасности, обеспечивая обнаружение ядерного материала и руководящие принципы нераспространения. Другие области, касающиеся Министерства внутренней безопасности, включают ядерную и радиологическую криминалистику, обнаружение химических и биологических агентов с использованием масс-спектрометрии и моделирование потенциальных национальных опасностей. [66]
.jpg/1280px-Summit_supercomputer_(44552257460).jpg)
ORNL был местом расположения различных суперкомпьютеров , и несколько раз становился домом для самых быстрых из них. [67] В 1953 году ORNL объединилась с Аргоннской национальной лабораторией для создания ORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine), компьютера для исследований в области ядерной физики, химии, биологии и инженерии. [24] [67] [68] ORACLE имел 2048 слов (80 Кибит ) памяти и требовал приблизительно 590 микросекунд для выполнения сложения или умножения целых чисел. [68] В 1960-х годах ORNL был оснащен IBM 360/91 и IBM 360/65. [69] В 1995 году ORNL купила компьютер на базе Intel Paragon под названием Intel Paragon XP/S 150 , который работал со скоростью 154 гигаФлопс и занимал третье место в списке суперкомпьютеров TOP500 . [67] [70] В 2005 году был построен Jaguar , система на базе Cray XT3 , которая работала на уровне 25 терафлопс и получила постепенные обновления до платформы XT5 , которая работала на уровне 2,3 петафлопс в 2009 году. Она была признана самой быстрой в мире с ноября 2009 года по ноябрь 2010 года. [71] [72] Summit был построен для Национальной лаборатории Оук-Ридж в 2018 году, который показал 122,3 петафлопс. По состоянию на июнь 2020 года Summit был вторым по скорости [тактовым частотам] суперкомпьютером в мире с 202 752 ядрами ЦП, 27 648 графическими процессорами Nvidia Tesla и 250 петабайтами хранилища, уступив первое место японскому суперкомпьютеру Fugaku . [73] В мае 2022 года система ORNL Frontier преодолела барьер экзафлопса, [74] достигнув 1,102 экзафлопс/с, используя 8 730 112 ядер.
С 1992 года Центр вычислительных наук курирует высокопроизводительные вычисления в ORNL. Он управляет вычислительным комплексом Oak Ridge Leadership Computing Facility , в котором размещены машины. [75] В 2012 году Jaguar был модернизирован до платформы XK7 , что является фундаментальным изменением, поскольку для большей части обработки используются графические процессоры , и переименован в Titan . Titan показал производительность 17,59 петафлопс и занял первое место в списке TOP500 в ноябре 2012 года. [76] Другие компьютеры включают кластер из 77 узлов для визуализации данных, которые выводят более крупные машины в исследовательской среде визуализации для исследований в области науки и технологий (EVEREST), комнате визуализации со стеной размером 10 на 3 метра (30 на 10 футов), на которой отображаются 35-мегапиксельные проекции. [77] [78] Smoky — это кластер Linux из 80 узлов, используемый для разработки приложений. Исследовательские проекты совершенствуются и тестируются на Smoky, прежде чем их можно будет запустить на более крупных машинах, таких как Titan. [79]
В 1989 году программисты Национальной лаборатории Оук-Ридж написали первую версию Parallel Virtual Machine (PVM), программного обеспечения, которое позволяет выполнять распределенные вычисления на машинах с различными спецификациями. [80] PVM является бесплатным программным обеспечением и стало фактическим стандартом для распределенных вычислений. [81] [82] Джек Донгарра из ORNL и Университета Теннесси написал библиотеку программного обеспечения LINPACK и тесты LINPACK , используемые для вычислений линейной алгебры и стандартного метода измерения производительности суперкомпьютера с плавающей точкой, используемого организацией TOP500. [67] [83]
