Ок-Риджская национальная лаборатория ( ORNL ) — финансируемый из федерального бюджета центр исследований и разработок в Ок-Ридже, штат Теннесси , США. Лаборатория, основанная в 1943 году, в настоящее время спонсируется Министерством энергетики США и находится под управлением UT-Battelle, LLC . [3]
Основанная в 1943 году, ORNL является крупнейшей национальной лабораторией науки и энергетики в системе Министерства энергетики (по размеру) [4] и третьей по величине по годовому бюджету. [5] Он расположен в районе округа Роан в Ок-Ридже, штат Теннесси . [6] [7] Его научные программы сосредоточены на материалах , ядерной науке , нейтронной науке, энергетике, высокопроизводительных вычислениях , науке об окружающей среде , системной биологии и национальной безопасности , иногда в партнерстве со штатом Теннесси , университетами и другими отраслями промышленности.
ORNL располагает несколькими лучшими в мире суперкомпьютерами , в том числе Frontier , который входит в рейтинг TOP500 как самый мощный в мире. Лаборатория является ведущим исследовательским центром нейтронной и ядерной энергетики , в который входят источник расщепленных нейтронов , высокопоточный изотопный реактор и Центр наук о нанофазных материалах .
Введенный в эксплуатацию в 1944 году военный корабль США «Оук-Ридж» назван в честь Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Окриджская национальная лаборатория находится под управлением UT-Battelle , [8] товарищества с ограниченной ответственностью между Университетом Теннесси и Мемориальным институтом Баттел , созданного 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 еще 3200 приглашенных исследователей ежегодно. [11]
В резервации Ок-Ридж Министерства энергетики расположены пять кампусов: Национальная лаборатория, Комплекс национальной безопасности Y-12 , Технологический парк Восточного Теннесси (бывший Газодиффузионный завод Ок-Ридж ), Окриджский институт науки и образования и развивающийся научно-технологический парк Ок-Ридж, хотя четыре других объекта не имеют отношения к Национальной лаборатории. [12] [13] Общая площадь резервации 150 квадратных километров (58 квадратных миль), из которых лаборатория занимает 18 квадратных километров (7 квадратных миль). [14] [15]
В 1934 году были раскопаны курган Фрил Фарм , археологический объект и курган периода позднего леса . [16]
Город Ок-Ридж был основан Инженерным корпусом армии как часть Инженерного завода Клинтона в 1942 году на изолированных сельскохозяйственных угодьях в рамках Манхэттенского проекта . [17] Во время войны передовые исследования для правительства проводились на территории Металлургической лаборатории Чикагского университета . [18] В 1943 году было завершено строительство Лабораторий Клинтона, которые позже будут известны как Национальная лаборатория Ок-Ридж. [17] [19] Место было выбрано для графитового реактора Х-10 , используемого для производства плутония из природного урана для Манхэттенского проекта . Энрико Ферми и его коллеги разработали второй в мире автономный ядерный реактор после предыдущего эксперимента Ферми — « Чикагской сваи-1» . Х-10 был первым реактором, предназначенным для непрерывной работы. [20]
После окончания Второй мировой войны правительство США передало управление лабораторией компании Monsanto ; однако в 1947 году они ушли. [21] Чикагский университет временно вновь взял на себя ответственность, и это учреждение получило престижный статус «Национальной» лаборатории, пока в декабре 1947 года не появились компании Union Carbide и Carbon Co. , которые уже управляли двумя другими лабораториями. объектов в Ок-Ридже, взял под свой контроль лабораторию и переименовал ее в Национальную лабораторию Ок-Ридж (ORNL). [19] [21] [22]
После войны спрос на военную науку резко упал, и будущее лаборатории было неопределенным. Реактор Х-10 и 1000 сотрудников лаборатории больше не занимались созданием ядерного оружия. [17] [21] Вместо этого он использовался для научных исследований. [20] В 1946 году первые медицинские изотопы были произведены в реакторе Х-10, а к 1950 году почти 20 000 образцов были отправлены в различные больницы. [20] [21] Количество и разнообразие радионуклидов , производимых Х-10 для медицины, неуклонно росло в 1950-х годах. ОРНЛ был единственным западным источником калифорния-252 . [21] Ученые ORNL также провели первую в мире успешную трансплантацию костного мозга мышам, подавив их иммунную систему . [21]
В 1950 году была основана Школа реакторных технологий Ок-Риджа с двумя курсами по эксплуатации реакторов и безопасности; окончило почти 1000 студентов. [21] 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 производства электроэнергии. В 1950-е годы было построено больше реакторов, чем за всю остальную историю ORNL вместе взятых. [21] Одним из их самых влиятельных проектов был легководный реактор , предшественник многих современных атомных электростанций. Военные США профинансировали большую часть своих разработок для атомных подводных лодок и кораблей ВМС США . [21] В 1953 году армия США также заключила контракт на проектирование портативных ядерных реакторов для производства тепла и электроэнергии на удаленных военных базах. [23] Реакторы были произведены Американской локомотивной компанией и использовались в Гренландии , зоне Панамского канала и Антарктиде . [21] Военно -воздушные силы США (USAF) также внесли свой вклад в финансирование трех реакторов, первых компьютеров лаборатории и первых ускорителей частиц. [21] ORNL также построила свой первый реактор на расплавленной соли в 1954 году в качестве доказательства концепции предлагаемого парка бомбардировщиков дальнего действия ВВС США, но он так и не был использован. [21] [23]
Элвин Вайнберг был назначен директором по исследованиям ORNL, а в 1955 году — директором лаборатории. [21] [22]
.jpg/1280px-WestcottCayce_Pentecost,_Senator_Lyndon_Johnson,_Buford_Ellington,_Senator_Albert_Gore,_operating_mechanical_hands_at_hot_cell_in_Oak_Ridge_(6964225740).jpg)
.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)
В начале 1960-х годов в ORNL предпринимались большие усилия по созданию атомных опреснительных установок там, где пустыни встречаются с морем, для обеспечения водой. Проект под названием «Вода ради мира» был поддержан Джоном Ф. Кеннеди и Линдоном Б. Джонсоном и представлен на конференции Организации Объединенных Наций в 1964 году, но рост стоимости строительства и падение общественного доверия к атомной энергетике привели к провалу этого плана. [21] [23] Исследовательский реактор физики здоровья, построенный в 1962 году, использовался для экспериментов по радиационному воздействию, что привело к более точным пределам дозировки и дозиметрам , а также к улучшению радиационной защиты. [21]
В 1964 году со строительства реактора начался эксперимент с расплавленно-солевым реактором . Он эксплуатировался с 1966 по 1969 год (с шестимесячным перерывом на переход с топлива из урана-235 на топливо из урана-233 ) и доказал жизнеспособность реакторов с расплавленными солями , а также производил топливо для других реакторов в качестве побочного продукта собственной реакции. [21]
Изотопный реактор с высоким потоком , построенный в 1965 году, имел самый высокий поток нейтронов среди всех реакторов того времени. [21] Он улучшил работу реактора Х-10, производя больше медицинских изотопов, а также обеспечивая более высокую точность исследования материалов. [21]
Исследователи из отдела биологии изучали воздействие на мышей химических веществ, в том числе паров бензина , пестицидов и табака . [21]
В конце 1960-х годов сокращение финансирования привело к отмене планов строительства еще одного ускорителя частиц, а Комиссия по атомной энергии США сократила программу реактора-размножителя на две трети, что привело к сокращению штата сотрудников с 5000 до 3800 человек. [21]
.jpg/1280px-ORMAK_(46436229152).jpg)
В 1970-х годах перспектива термоядерной энергетики серьезно рассматривалась, что положило начало исследованиям в ORNL. Токамак под названием ОРМАК, введенный в эксплуатацию в 1971 году, был первым токамаком, достигшим температуры плазмы 20 миллионов Кельвинов. [24] После успеха экспериментов по термоядерному синтезу в 1973 году он был расширен и переименован в ОРМАК II; однако эксперименты в конечном итоге не привели к созданию термоядерных электростанций. [21]
В начале 1970-х годов Комиссия по атомной энергии США потребовала улучшения стандартов безопасности для ядерных реакторов, поэтому сотрудники ORNL составили почти 100 требований, охватывающих множество факторов, включая транспортировку топлива и сейсмостойкость. В 1972 году AEC провела серию публичных слушаний, на которых были подчеркнуты требования к аварийному охлаждению и ужесточены требования безопасности. [21]
ORNL принимала участие в анализе повреждений активной зоны АЭС «Три-Майл-Айленд» после аварии в 1979 году . [21]
Также в 1972 году Питер Мазур , биолог из ОРНЛ, заморозил жидким азотом , разморозил и имплантировал мышиные эмбрионы суррогатной матери . Мышата родились здоровыми. [21] Этот метод популярен в животноводстве, поскольку он позволяет легко транспортировать эмбрионы ценного крупного рогатого скота, а у призовой коровы можно извлечь несколько яиц и, таким образом, посредством экстракорпорального оплодотворения получить гораздо больше потомства, чем это было бы возможно естественным путем. . [21]
В 1974 году Элвина Вайнберга, директора лаборатории в течение 19 лет, сменил Герман Постма , учёный в области термоядерного синтеза. [21]
В 1977 году началось строительство 6-метровых (20 футов) сверхпроводящих электромагнитов , предназначенных для управления термоядерными реакциями. Проект был международным усилием: три электромагнита были произведены в США, один в Японии, один в Швейцарии и последний - в остальных европейских государствах. Эксперименты продолжались и в 1980-е годы. [21]
1980-е годы принесли в ORNL новые изменения: акцент на эффективности стал первостепенным.
Была построена камера ускоренного моделирования климата, которая применяла к изоляции различные погодные условия, чтобы проверить ее эффективность и долговечность быстрее, чем в реальном времени. [21] Исследование материалов для создания термостойкой керамики для использования в двигателях грузовых автомобилей и высокотехнологичных автомобилей было проведено на основе исследований материалов, начатых в ядерных реакторах 1950-х годов. [21] В 1987 году была создана Лаборатория высокотемпературных материалов, где ORNL и исследователи отрасли сотрудничали в проектах по керамике и сплавам. Бюджет исследований материалов в ORNL увеличился вдвое после первоначальной неопределенности относительно экономической политики Рейгана , предусматривающей сокращение государственных расходов. [21]
В 1981 году в ОРНЛ был открыт Холифилдский исследовательский центр тяжелых ионов - ускоритель частиц мощностью 25 МВ. В то время у Холифилда был самый широкий спектр видов ионов, и он был вдвое мощнее других ускорителей, ежегодно привлекая сотни приглашенных исследователей. [21]
Министерство энергетики было обеспокоено загрязнением окружающей среды вокруг ORNL и начало работы по очистке. Погребальные траншеи и протекающие трубы загрязнили грунтовые воды под лабораторией, а радиационные резервуары стояли без дела, полные отходов. По оценкам, общая стоимость очистки исчисляется сотнями миллионов долларов США. [21]
Пять старых реакторов были подвергнуты проверке безопасности в 1987 году, и их было приказано отключить до завершения проверки. К 1989 году, когда был перезапущен высокопоточный изотопный реактор, запасы некоторых медицинских изотопов в США были исчерпаны. [21]
В 1989 году директором ORNL стал бывший исполнительный директор Американской ассоциации содействия развитию науки Элвин Трайвелпис ; он оставался на этой должности до 2000 года. [21]
В 1992 году осведомитель Чарльз Варнадор подал жалобу на ORNL, заявив о нарушениях безопасности и ответных мерах со стороны своего начальства. Хотя 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 обвинен в нарушении правил техники безопасности, что в конечном итоге привело к дополнительной защите информаторов в Министерстве энергетики. [25]
В январе 2019 года ORNL объявила о серьезном прорыве в своих возможностях по автоматизации производства Pu-238, что помогло увеличить годовое производство с 50 граммов до 400 граммов, приближаясь к цели НАСА в 1,5 килограмма в год к 2025 году для поддержки своих программ исследования космоса. [26]
ORNL проводит исследования и разработки, охватывающие широкий спектр научных дисциплин. Многие области исследований существенно пересекаются друг с другом; исследователи часто работают в двух или более областях, перечисленных здесь. Ниже кратко описаны основные направления исследований лаборатории.
Лаборатория имеет долгую историю энергетических исследований; Эксперименты с ядерными реакторами проводятся после окончания Второй мировой войны в 1945 году. Из-за наличия реакторов и высокопроизводительных вычислительных ресурсов особое внимание уделяется повышению эффективности ядерных реакторов. [30] [31] В рамках программ разрабатываются более эффективные материалы, более точное моделирование стареющих активных зон реакторов, датчиков и средств управления, а также процедур безопасности для регулирующих органов. [31]
Программа энергоэффективности и электроэнергетических технологий (EEETP) направлена на улучшение качества воздуха в США и снижение зависимости от иностранных поставок нефти. [32] Существует три ключевых направления исследований; электричество, производство и мобильность. Подразделение электроэнергетики фокусируется на сокращении потребления электроэнергии и поиске альтернативных источников производства. Здания, на которые по состоянию на 2012 год приходится 39% потребления электроэнергии в США, являются ключевой областью исследований, поскольку программа направлена на создание доступных, углеродно-нейтральных домов к 2020 году . [33] Также проводятся исследования в области более эффективных солнечных панелей, геотермальных систем. электроэнергия и отопление, более дешевые ветрогенераторы, а также экономическая и экологическая целесообразность строительства потенциальных гидроэлектростанций. [34] [35] [36]
Термоядерный синтез — еще одна область, история исследований которой в ORNL началась в 1950-х годах. Подразделение Fusion Energy преследует краткосрочные цели по разработке таких компонентов, как высокотемпературные сверхпроводники , высокоскоростные инжекторы водородных таблеток и подходящие материалы для будущих исследований в области термоядерного синтеза. [37] [38] В отделе термоядерной энергетики проводится множество исследований поведения и поддержания плазмы с целью дальнейшего понимания физики плазмы , важной области для разработки термоядерной электростанции. [37] [38] Американский офис ИТЭР находится в ORNL вместе с партнерами из Принстонской лаборатории физики плазмы и Национальной лаборатории реки Саванна . [39] Вклад США в проект ИТЭР составляет 9,1%, что, как ожидается, превысит 1,6 миллиарда долларов США на протяжении всего контракта. [40] [41] Исследователи ORNL участвовали в разработке обширного плана исследований для сотрудничества США-ИТЭР, подробно описанного в 2022 году. [42]
Биологические исследования Окриджской национальной лаборатории охватывают экологию , лесное хозяйство , [43] геномику , вычислительную биологию , структурную биологию и биоинформатику . [44] Программа «Биоэнергетика» направлена на повышение эффективности всех стадий процесса производства биотоплива для повышения энергетической безопасности Соединенных Штатов. [45] Программа направлена на генетическое улучшение потенциальной используемой биомассы, [46] на разработку методов для нефтеперерабатывающих заводов, которые смогут использовать разнообразный спектр топлива, а также на повышение эффективности доставки энергии как электростанциям, так и конечным потребителям. [47] [48]
Центр молекулярной биофизики проводит исследования поведения биологических молекул в различных условиях. В центре реализуются проекты, которые исследуют клеточные стенки для производства биотоплива, [49] используют рассеяние нейтронов для анализа сворачивания белков и моделируют эффект катализа в обычном и квантовом масштабе . [50] [51]
ORNL является домом для полевой площадки Национальной сети экологических обсерваторий , у которой поблизости есть полевой офис. Министерство энергетики тесно сотрудничает с Агентством ресурсов дикой природы штата Теннесси из ORNL для мониторинга экологии лесов в окружающих Аппалачах и плато Камберленд, принадлежащем NEON. [43]
В ОРНЛ есть два источника нейтронов ; Изотопный реактор с высоким потоком (HFIR) и источник расщепительных нейтронов . HFIR обеспечивает стабильный пучок нейтронов в результате постоянной ядерной реакции , тогда как SNS, ускоритель частиц, производит импульсы нейтронов. [52] [53] HFIR стал критическим в 1965 году и с тех пор использовался для исследования материалов и в качестве основного источника медицинских радиоизотопов . [54] По состоянию на 2013 год HFIR обеспечивает самый высокий в мире постоянный поток нейтронов в результате различных модернизаций. [55] Берклий -249, впервые использованный для синтеза теннессина , был произведен в высокопоточном изотопном реакторе в рамках международных усилий. [56] HFIR, вероятно, будет работать примерно до 2060 года, прежде чем корпус реактора будет считаться небезопасным для дальнейшего использования. [57]
Источник нейтронов расщепления (SNS) — это ускоритель частиц, который имеет нейтронные импульсы самой высокой интенсивности среди всех искусственных источников нейтронов. [58] SNS была введена в эксплуатацию в 2006 году и с тех пор была повышена до 1 мегаватта с планами увеличения мощности до 3 мегаватт. [55] Мощные нейтронные импульсы позволяют получить более четкие изображения целей, что означает возможность анализа образцов меньшего размера, а для получения точных результатов требуется меньшее количество импульсов. [59]
.png/1280px-Advanced_Microscopy_Laboratory_(49941605241).png)
Национальная лаборатория Ок-Риджа проводит исследования в области материаловедения в различных областях. В период с 2002 по 2008 год ORNL сотрудничала с Caterpillar Inc. (CAT) для создания нового материала для их дизельных двигателей, способного выдерживать большие колебания температуры. [60] Новая сталь, получившая название CF8C Plus, основана на обычной нержавеющей стали CF8C с добавлением марганца и азота ; результат имеет лучшие высокотемпературные свойства, и его легче отливать при той же стоимости. [60] 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. [60]
В ORNL есть лаборатория высокотемпературных материалов, которая позволяет исследователям из университетов, частных компаний и других государственных инициатив использовать свои мощности. Как и в случае со всеми назначенными пользовательскими объектами, ресурсы Лаборатории высокотемпературных материалов доступны бесплатно, если результаты будут опубликованы; частное исследование разрешено, но требует оплаты. [61]
Центр наук о нанофазных материалах (CNMS) исследует поведение и производство наноматериалов . В центре особое внимание уделяется открытию новых материалов и пониманию основных физических и химических взаимодействий, которые позволяют создавать наноматериалы. [62] В 2012 году CNMS произвела литий-сульфидную батарею с теоретической плотностью энергии в три-пять раз большей, чем существующие литий-ионные батареи . [63]
Национальная лаборатория Ок-Ридж предоставляет ресурсы Министерству внутренней безопасности США и другим оборонным программам. Программа глобальной безопасности и нераспространения (GS&N) разрабатывает и реализует политику, как в США , так и на международном уровне, по предотвращению распространения ядерных материалов. [64] В рамках программы были разработаны гарантии для ядерных арсеналов, руководящие принципы демонтажа арсеналов, планы действий на случай, если ядерный материал попадет в несанкционированные руки, методы обнаружения украденных или пропавших ядерных материалов и торговля ядерными материалами между США и Россией . [64] Работа GS&N пересекается с работой Управления программ внутренней безопасности, обеспечивая обнаружение ядерных материалов и руководящие принципы нераспространения. Другие области, касающиеся Министерства внутренней безопасности, включают ядерную и радиологическую судебную экспертизу , обнаружение химических и биологических агентов с использованием масс-спектрометрии и моделирование потенциальных национальных опасностей. [65]
.jpg/1280px-Summit_supercomputer_(44552257460).jpg)
На протяжении всей истории Окриджской национальной лаборатории здесь располагались различные суперкомпьютеры , а иногда и самые быстрые из них. [66] В 1953 году ORNL в партнерстве с Аргоннской национальной лабораторией создал ORACLE (Ок-Риджский автоматический компьютер и логическая машина), компьютер для исследований в области ядерной физики , химии , биологии и техники. [23] [66] [67] ORACLE имел 2048 слов (80 кибит ) памяти , и ему требовалось примерно 590 микросекунд для выполнения сложения или умножения целых чисел. [67] В 1960-х годах ORNL также была оснащена IBM 360/91 и IBM 360/65. [68] 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 TOP500 суперкомпьютеров. [66] [69] В 2005 году Jaguar была построена система на базе Cray XT3 , которая работала со скоростью 25 терафлопс и получила дополнительные обновления до платформы XT5 , которая работала со скоростью 2,3 петафлопс в 2009 году. С ноября 2009 года она была признана самой быстрой в мире. до ноября 2010 года. [70] [71] Summit был построен для Национальной лаборатории Ок-Ридж в 2018 году, его производительность составила 122,3 петафлопс. По состоянию на июнь 2020 года Summit был вторым по скорости [тактовой частотой] суперкомпьютером в мире с 202 752 ядрами ЦП, 27 648 графическими процессорами Nvidia Tesla и 250 петабайтами встроенной памяти, уступив первое место японскому суперкомпьютеру Fugaku . [72] В мае 2022 года система ORNL Frontier преодолела экзафлопсный барьер, [73] достигнув производительности 1,102 экзафлопс/с при использовании 8 730 112 ядер.
С 1992 года Центр вычислительных наук (CCS) курирует высокопроизводительные вычисления в ORNL. Он управляет вычислительным комплексом для руководителей в Ок-Ридже , в котором находятся эти машины. [74] В 2012 году Jaguar был обновлен до платформы XK7 , что является фундаментальным изменением, поскольку для большей части обработки используются графические процессоры , и был переименован в Titan . Титан работал со скоростью 17,59 петафлопс и занимал первое место в списке TOP500 в ноябре 2012 года . ), комната визуализации со стеной размером 10 на 3 метра (30 на 10 футов), на которой отображаются проекции с разрешением 35 мегапикселей. [76] [77] Smoky — это Linux-кластер на 80 узлов, используемый для разработки приложений. Исследовательские проекты дорабатываются и тестируются на Smoky перед запуском на более крупных машинах, таких как Titan. [78]
В 1989 году программисты Национальной лаборатории Ок-Риджа написали первую версию параллельной виртуальной машины (PVM) — программного обеспечения, позволяющего осуществлять распределенные вычисления на машинах с разными характеристиками. [79] PVM является свободным программным обеспечением и стал фактическим стандартом для распределенных вычислений. [80] [81] Джек Донгарра из ORNL и Университета Теннесси написал библиотеку программного обеспечения LINPACK и тесты LINPACK , используемые для расчета линейной алгебры и стандартного метода измерения производительности суперкомпьютера с плавающей запятой, используемого организацией TOP500 . [66] [82]
