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. [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 .
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, принадлежащей Министерству 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 составляет 150 квадратных километров (58 квадратных миль), из которых лаборатория занимает 18 квадратных километров (7 квадратных миль). [14] [15]
В 1934 году были раскопаны курган на ферме Фрил , археологический объект и курган периода позднего леса . [16] В настоящее время это место затоплено озером Мелтон-Хилл . [17]
Город Ок-Ридж был основан Инженерным корпусом армии как часть Инженерного завода Клинтона в 1942 году на изолированных сельскохозяйственных угодьях 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 будут известны как Национальная лаборатория Ок-Ридж. [18] [20] Место было выбрано для графитового реактора Х-10 , используемого для производства плутония из природного урана . Энрико Ферми и его коллеги разработали второй в мире автономный ядерный реактор после предыдущего эксперимента Ферми, « Чикагская свая-1» . Х-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 ушли. [22] Чикагский университет временно вновь взял на себя ответственность, и эта лаборатория получила престижный статус «Национальной» лаборатории, пока в декабре 1947 года компания Union Carbide и Carbon Co. , которая уже управляла двумя другими объектов в Ок-Ридже, взял лабораторию под свой контроль и переименовал ее в Национальную лабораторию Ок-Ридж (ORNL). [20] [22] [23]
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. [18] [22] Вместо этого он использовался для научных исследований. [21] 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. [21] [22] Количество и разнообразие радионуклидов , производимых Х-10 для медицины, в 1950-х годах неуклонно росли. ОРНЛ был единственным западным источником калифорния-252 . [22] Ученые ORNL также провели первую в мире успешную трансплантацию костного мозга мышам, подавив их иммунную систему . [22]
В 1950 году была основана Школа реакторных технологий Ок-Риджа с двумя курсами по эксплуатации реакторов и безопасности; окончило почти 1000 студентов. [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 производства электроэнергии. В 1950-е годы было построено больше реакторов, чем за всю остальную историю ORNL вместе взятых. [22] Одним из их наиболее 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 . [22] В 1953 году армия США также заключила контракт на проектирование портативных ядерных реакторов для производства тепла и электроэнергии на удаленных военных базах. [24] Реакторы были произведены Американской локомотивной компанией и использовались в Гренландии , зоне Панамского канала и Антарктиде . [22] ВВС США также внесли свой вклад в финансирование трех реакторов, первых компьютеров лаборатории и первых ускорителей частиц. [22] ORNL построила свой первый реактор на расплавленной соли в 1954 году в качестве доказательства концепции предлагаемого парка бомбардировщиков дальнего действия , 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 был большой толчок к разработке атомных опреснительных установок, где пустыни встречаются с морем, чтобы обеспечить воду. Проект под названием «Вода ради мира» был поддержан Джоном Ф. Кеннеди и Линдоном Б. Джонсоном и был представлен на конференции Организации Объединенных Наций в 1964 году, но рост стоимости строительства и падение общественного доверия к атомной энергетике привели к закрытию этого плана. . [22] [24] 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 . [22]
В 1964 году со строительства реактора начался эксперимент с расплавленно-солевым реактором . Он работал 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 своей собственной реакции. [22] Изотопный реактор с высоким потоком , построенный в 1965 году, имел самый высокий поток нейтронов среди всех реакторов того времени. [22] Он улучшил работу реактора Х-10, производя больше медицинских изотопов, а также обеспечивая более высокую точность исследования материалов. [22] Исследователи из биологического отдела изучали воздействие на мышей химических веществ, в том числе паров бензина , пестицидов и табака . [22]
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 с 5000 до 3800 человек. [22] В 1970-х годах перспектива термоядерной энергии серьезно рассматривалась, что вызвало исследования в ORNL. Токамак под названием ОРМАК, введенный в эксплуатацию в 1971 году, был первым токамаком , достигшим температуры плазмы 20 миллионов Кельвинов. [25] 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. [22]
Комиссия по атомной энергии США (AEC) в начале 1970-х годов 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. [22] Также в 1972 году Питер Мазур , биолог из ORNL, заморозил жидким азотом , разморозил и имплантировал мышиные эмбрионы суррогатной матери . Мышата родились здоровыми. [22] 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. . [22]
В 1974 году Элвина Вайнберга, директора лаборатории в течение 19 лет, сменил Герман Постма , учёный в области термоядерного синтеза. [22] 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. [22] ORNL принимала участие в анализе повреждений активной зоны АЭС « Три-Майл-Айленд» после аварии в 1979 году . [22]
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. [22] Исследования материалов для создания термостойкой керамики для использования в двигателях грузовых автомобилей и высокотехнологичных автомобилей были проведены на основе исследований материалов, начатых в ядерных реакторах 1950-х годов. [22] 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, заключающейся в сокращении государственных расходов. [22] В 1981 году в ORNL 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. [22]
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. [22] Пять старых реакторов были подвергнуты проверке безопасности в 1987 году, и было приказано их дезактивировать до тех пор, пока проверки не будут завершены. К 1989 году, когда был перезапущен высокопоточный изотопный реактор, запасы некоторых медицинских изотопов в США были исчерпаны. [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 разоблачитель 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. [26]
В январе 2019 года ORNL объявила о крупном 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 продолжения исследований космоса. программы. [27]
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. [31] [32] В рамках программ разрабатываются более эффективные материалы, более точное моделирование старения активных зон реакторов, датчиков и средств управления, а также процедур безопасности для регулирующих органов. [32]
Программа энергоэффективности и электротехнических технологий направлена на улучшение качества воздуха в США и снижение зависимости от иностранных поставок нефти. [33] Есть три ключевые области исследований: электричество, производство и мобильность. Подразделение электроэнергетики фокусируется на сокращении потребления электроэнергии и поиске альтернативных источников производства. Здания, на долю которых по состоянию на 2012 год приходится 39% потребления электроэнергии в США, являются ключевой областью исследований, поскольку программа направлена на создание доступных домов с нулевым выбросом углерода . [34] Также проводятся исследования в области более эффективных солнечных панелей , геотермального электричества и отопления , более дешевых ветрогенераторов , а также экономической и экологической целесообразности потенциальных гидроэлектростанций . [35] [36] [37]
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. [38] [39] В отделе термоядерной энергетики проводится множество исследований поведения и поддержания плазмы с целью дальнейшего понимания физики плазмы , важнейшей области для разработки термоядерной электростанции. [38] [39] Американский офис ИТЭР находится в ORNL вместе с партнерами из Принстонской лаборатории физики плазмы и Национальной лаборатории реки Саванна . [40] Вклад США в проект ИТЭР составляет 9,1%, что, как ожидается, превысит 1,6 миллиарда долларов США на протяжении всего контракта. [41] [42] Исследователи ORNL участвовали в разработке обширного плана исследований для сотрудничества США-ИТЭР, подробно описанного в 2022 году. [43]
Биологические исследования охватывают экологию , лесное хозяйство , [44] геномику , вычислительную биологию , структурную биологию и биоинформатику . [45] Программа «Биоэнергетика» направлена на повышение эффективности всех стадий процесса производства биотоплива для повышения энергетической безопасности Соединенных Штатов. [46] Программа направлена на генетическое улучшение потенциальной используемой биомассы, [47] на разработку методов для нефтеперерабатывающих заводов, которые могут принимать разнообразный спектр топлива, а также на повышение эффективности доставки энергии как электростанциям, так и конечным потребителям. [48] [49]
Центр молекулярной биофизики проводит исследования поведения биологических молекул в различных условиях. В центре реализуются проекты, которые исследуют клеточные стенки для производства биотоплива, [50] используют рассеяние нейтронов для анализа сворачивания белков и моделируют эффект катализа в обычном и квантовом масштабе . [51] [52] ORNL является домом для полевой площадки Национальной сети экологических обсерваторий (NEON), у которой есть полевой офис поблизости. 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. [44]
В ОРНЛ есть два источника нейтронов; высокопоточный изотопный реактор (HFIR) и источник расщепительных нейтронов (SNS). HFIR обеспечивает стабильный пучок нейтронов 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 будет считаться небезопасным для дальнейшего использования. [58]
СНС имеет нейтронные импульсы самой высокой интенсивности среди всех искусственных источников нейтронов. [59] SNS была введена в эксплуатацию в 2006 году и с тех пор была повышена до 1 мегаватта с планами увеличения мощности до 3 МВт. [56] Мощные нейтронные импульсы позволяют получить более четкие изображения целей, а это означает, что можно анализировать меньшие образцы, а для получения точных результатов требуется меньшее количество импульсов. [60]
В период с 2002 по 2008 год компания ORNL в партнерстве с Caterpillar Inc. разработала новый материал для своих дизельных двигателей, способный выдерживать большие колебания температуры. [61] Новая сталь, получившая название CF8C Plus, основана на обычной нержавеющей стали CF8C с добавлением марганца и азота ; результат имеет лучшие характеристики при высоких температурах, и его легче отливать при той же 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 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. [62]
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. [63] В 2012 году CNMS произвела литий-сульфидную батарею с теоретической плотностью энергии в три-пять раз большей, чем существующие литий-ионные батареи . [64]
ORNL 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 ядерного материала . [65] В рамках программы были разработаны гарантии ядерных арсеналов, руководящие принципы демонтажа арсеналов, планы действий на случай, если ядерный материал попадет в несанкционированные руки, методы обнаружения украденных или пропавших ядерных материалов, а также торговля ядерными материалами между США и Россией. [65] 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. [66]
ORNL был местом расположения различных суперкомпьютеров , а также несколько раз был домом для самых быстрых. [67] 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. [24] [67] [68] ORACLE имел 2048 слов (80 кибит ) памяти , и ему требовалось примерно 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 TOP500 суперкомпьютеров. [67] [70] 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. [71] [72] 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 быстродействию суперкомпьютером в мире по тактовой частоте с 202 752 ядрами ЦП, 27 648 графическими процессорами Nvidia Tesla и 250 петабайтами встроенной памяти, уступив первое место японскому суперкомпьютеру Fugaku . [73] В мае 2022 года система ORNL Frontier преодолела экзафлопсный барьер, [74] достигнув производительности 1,102 экзафлопс/с при использовании 8 730 112 ядер.
С 1992 года Центр вычислительных наук курирует высокопроизводительные вычисления в ORNL. Он управляет вычислительным комплексом для руководителей в Ок-Ридже , в котором находятся эти машины. [75] 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 с производительностью 17,59 петафлопс и занимал первое место в списке TOP500 на ноябрь 2012 года . ), комната визуализации со стеной размером 10 на 3 метра (30 на 10 футов), на которой отображаются проекции с разрешением 35 мегапикселей. [77] [78] 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. [79]
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. [80] PVM является свободным программным обеспечением и стал фактическим стандартом для распределенных вычислений. [81] [82] 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. [67] [83]