Кіріспе

Аргонн ұлттық зертханасы – Америка Құрама Штаттарының Иллинойс штатындағы Лемонт қаласында орналасқан, федералды қаржымен қаржыландырылатын ғылыми-зерттеу және даму орталығы. 1946 жылы құрылған бұл зертхана АҚШ Энергетика министрлігіне тиесілі және Чикаго университетінің UChicago Argonne LLC компаниясы басқарады. Бұл орталық – Орталық Батыстағы ең ірі ұлттық зертхана. Аргонн өзінің бастауын Чикаго университетінің металлургиялық зертханасынан алады, ол Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Манхэттен жобасы үшін ядролық реакторлар бойынша Энрико Фермидің жұмысын жүргізу мақсатында құрылған. Соғыстан кейін, 1946 жылдың 1 шілдесінде ол АҚШ-тағы алғашқы ұлттық зертхана деп тағайындалды. Алғашқы онжылдықтарында зертхана ядролық физиканы бейбіт мақсатта пайдалану орталығы болды; әлемдегі барлық коммерциялық ядролық электр станцияларының көптегені Аргонн зерттеулеріне қарызды. Зертханада 1000-нан астам ғалым энергияны сақтау және жаңартылатын энергия, физика, химия және материалдар ғылымдары саласындағы негізгі зерттеулер, экологиялық тұрақтылық, суперкомпьютерлер және ұлттық қауіпсіздік салаларында зерттеулер жүргізеді. Бұрын Аргонн Айдахо штатындағы Айдахо ұлттық инженерлік және экологиялық зертханасының жанында орналасқан, кішігірім «Аргонн ұлттық зертханасы Батыс» (немесе қысқаша «Аргонн Батыс») нысанын басқарған. 2005 жылы Айдахо штатындағы екі зертхана бірігіп, Айдахо ұлттық зертханасын құрды. Аргонн Иллинойс технологиясы мен зерттеу дәлізінің кеңейіп келе жатқан бір бөлігі болып табылады.

Шолу

Аргонн зертханасы 2022 жылы мәлімдегендей, физикалық және тіршілік ғылымдарындағы ғылыми жаңалықтарды ашу; энергия және климат саласындағы зерттеулер; қоғамды қорғауға бағытталған жаһандық қауіпсіздікті арттыру; әлемнің түкпір-түкпірінен келген мыңдаған ғалымдар мен инженерлерге қолдау көрсететін ғылыми-зерттеу орталықтарын басқару; және ғылыми-технологиялық кадрларды дамыту – осы бес бағытқа назар аударады.

Шығу тегі

Аргон 1942 жылы Чикаго университетінің Манхэттен жобасының бір бөлігі ретінде металлургиялық зертхана болып құрылды. «Мет Лаб» Чикаго университетінің спорт стадионының трибуналарының астында әлемдегі алғашқы ядролық реактор – Чикаго Пайлы-1 (Chicago Pile-1) құрылысын жүзеге асырды. 1943 жылы Чикаго Пайлы-1 (CP-1) Чикагоның сыртындағы Аргон орман қорығында Чикаго Пайлы-2 (CP-2) ретінде қайта құрылды. Осы жерде салынған зертханалар А учаскесі деп аталды. 1946 жылдың 1 шілдесінде «Металлургиялық зертхананың» А учаскесі «нуклеоника саласындағы ынтымақтастық зерттеулер» мақсатымен Аргонн ұлттық зертханасы ретінде ресми түрде қайта құрылды. АҚШ Атом энергиясы жөніндегі комиссиясының тапсырысымен, ол елдің бейбіт ядролық энергия бағдарламасы үшін ядролық реакторларды әзірлеуді бастады. 1940 жылдардың соңы мен 1950 жылдардың басында зертхана батысқа, ДуПейж округінің кіріктірілмеген аумағындағы үлкен жерге көшірілді және Айдахо штатында «Аргонн Вест» деп аталған қашық орналасқан зерттеу орталығын құрды, онда ядролық зерттеулерді жалғастырды.

Алғашқы зерттеулер

Зертхананың алғашқы жұмыстары ядролық реакциялардан электр энергиясын өндіруге арналған жобалар мен материалдарды әзірлеуге бағытталған. Зертхана Чикаго-3 реакторын (1944), әлемдегі алғашқы ауыр сумен баяулатылған реакторды, сондай-ақ Айдахо штатындағы I эксперименталды шағын реакторды (Чикаго-4 реакторы) жобалап және салған. 1951 жылы әлемде алғаш рет ядролық энергиямен өндірілген электр энергиясымен төрт шамды жарықтандырған. Қазіргі таңда әлемде екінші орынды иеленген BWR электр станциясының реакторы BORAX эксперименттерінің нәтижесінде пайда болды. Аргонн зертханасында алынған білім бүкіл әлемде электр энергиясын өндіруге қолданылатын көптеген коммерциялық реакторлардың жобаларының негізі болды және болашақ электр станциялары үшін сұйық металл реакторларының ағымдағы даму үрдісіне әсер етеді. Сонымен қатар, зертхана әлемдегі алғашқы ядролық сүңгімелі кеме – «U.S.S. Nautilus» реакторын жобалауға көмектесті, ол 513 550 теңіз шақырымын (951 090 км) жүзіп өтіп, АҚШ-тың ядролық флотты құруға негіз болды. Дегенмен, барлық ядролық технология реакторларды жасауға жұмсалған жоқ. 1957 жылы реактор отын элементтерін сканерлеу құралын жобалаған Аргонн физигі Уильям Нельсон Бек өзінің қолын сканерге салып, адам денесінің алғашқы ультрадыбыстық суреттерінің бірін алды. Радиоактивті материалдарды қашықтан басқаруға арналған манипуляторлар ластанған аймақтарды, жабық зертханаларды немесе үңгірлерді тазартатын күрделі машиналардың негізін қалады. Ядролық жұмыстардан басқа, зертхана физика және химия саласында негізгі зерттеулер жүргізді. 1955 жылы Аргонн химияшылары Эйнштейн мен Фермий элементтерін, периодтық кестедегі 99 және 100 элементтерін ашты.

1960 - 1995 жылдар

1962 жылы Аргонн химиктері инертті асыл газ ксенонның алғашқы қосылысын жасады, осылайша химиялық байланыстарды зерттеудің жаңа саласын ашты. 1963 жылы олар гидратталған электронды ашты. Аргонн 12.5 ГэВ Zero Gradient Synchrotron протоны жеделдеткішінің орналасқан жері ретінде таңдалды, ол 1963 жылы ашылды. Көпіршік камерасы ғалымдарға субатомдық бөлшектердің камера ішіндегі қозғалысын қадағалауға мүмкіндік берді; кейін олар алғаш рет сутек көпіршік камерасындағы нейтриноны байқады. 1964 жылы "Янус" реакторы ашылды, ол нейтрондық сәулеленудің тірі организмге тигізетін әсерін зерттеуге арналған, сондай-ақ электр станцияларында, зертханаларда және ауруханалардағы қызметкерлер үшін қауіпсізлік деңгейлеріне қатысты ұсынымдарды дайындау үшін зерттеулер жүргізді. Аргонн ғалымдары альфа сәулеленуін пайдаланып Айдың бетін талдау әдісін жасады, ол 1967 жылы Surveyor 5 ғарыш аппаратымен ұшырылды және кейіннен Аполлон 11 миссиясынан әкелінген Ай үлгілерін талдады. 1978 жылы Аргонн Тандем Линак Акселератор жүйесі (ATLAS) электроннан ауыр бөлшектерді үдетуге арналған әлемдегі алғашқы суперөткізгіш үдеткіш ретінде ашылды. Осы кезеңдегі ядролық инженериялық тәжірибелерге қазіргі көптеген ядролық станциялардың алдағысы болған эксперименталды қайнаған су реакторы және натриймен салқындатылатын және отынды қайта өңдеу құрылысын қамтитын Эксперименталды селекциялық реактор II (EBR II) кірді. Кейіннен EBR II басқа реакторлық конструкцияларды сынау үшін қайта жабдықталды, соның ішінде жылдам нейтронды реактор және 1982 жылы Интегралды жылдам реактор тұжырымы – өз отынын қайта өңдейтін, радиоактивтік қалдықтарды азайтатын және Чернобыль мен Три Майл Айленд апаттарын тудырған қауіпсіздік сынақтарына төтеп бере алатын революциялық конструкция. Алайда, 1994 жылы АҚШ Конгресі Аргоннның ядролық бағдарламаларының көп бөлігіне қаржыландыруды тоқтатты. Аргонн физика, химия ғылымдары және металлургия саласындағы тәжірибесін пайдалана отырып, басқа салаларда мамандануға көшті. 1987 жылы зертханада плазмалық ояну үдеткіші деп аталатын жаңа технологияны сәтті сынақтан өткізді, ол бөлшектерді дәстүрлі үдеткіштерге қарағанда әлдеқайда қысқа қашықтықта үдетуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, зертханада аккумуляторларды зерттеу бағдарламасы дамыды. Сол кездегі директор Алан Шризхаймның күш-жігерінің нәтижесінде зертхана 1995 жылы аяқталған және құрылысы кезінде әлемдегі ең жарқын рентген сәулелерін шығарған ірі рентген қондырғысы – Advanced Photon Source орналасқан жері ретінде таңдалды.

1995 жылдан бастап

Зертхана энергияны зерттеу орталығы ретінде және университеттерде орналастырылуы мүмкін емес үлкен ғылыми құрылтайлар үшін алаң ретінде дамуын жалғастырды. 2000-жылдардың басында Аргонн көшбасшылық есептеу орталығы құрылды және бірнеше суперкомпьютерлер орналастырылды, олардың бірнешеуі салынған кезде әлемдегі ең қуатты 10 компьютердің ішінде болды. Зертхана сондай-ақ атомдық деңгейде материалдарды зерттеу үшін Наноөлшекті материалдар орталығын салды; сонымен қатар батареяларды зерттеу және кванттық технологиялар бағдарламаларын едәуір кеңейтті. 2019 жылдың наурыз айында Chicago Tribune газеті зертхана әлемдегі ең қуатты суперкомпьютерді құрастырып жатқанын хабарлады. Құны 500 миллион доллар болатын бұл суперкомпьютердің өңдеу қуаты 1 квинтиллион FLOPS-қа жетеді. Оның қолданылу аясы жұлдыздарды талдау және электр желісін жақсартуды қамтиды.

Бастамалар

Қатты рентгендік сәулелер ғылымы: Аргонн әлемдегі ең ірі жоғары энергиялы жарық көздерінің біріне – Advanced Photon Source (APS) қонақжай. Жыл сайын ғалымдар APS-ті пайдаланып, органикалық және бейорганикалық материалдарды, тіпті автомобиль отын инжекторларының қозғалтқыштарға бензин қалай шашыратынын сипаттау сияқты процестерді зерттеп, мыңдаған жаңалықтар ашады. Жетекші есептеулер: Аргонн ашық ғылым үшін ең жылдам компьютерлердің бірін иеленеді және осы алып машиналар үшін жүйелік бағдарламалық жасақтаманы әзірледі. Аргонн жетекші есептеулердің петамасштабтан экзамасштабқа қарай дамуын қамтамасыз ету, жаңа кодтар мен есептеу орталарын жасау және ғылыми қиындықтарды шешуге көмектесетін есептеу жұмыстарын кеңейту үшін жұмыс істейді. Мысалы, 2009 жылдың қазан айында зертхана ғылыми мақсаттар үшін бұлтты есептеуді зерттеу үшін бірлескен жобаны бастайтынын хабарлады. 1970 жылдары Аргонн Numerische Mathematik сандық сызықтық алгебра бағдарламаларын ALGOL-дан Fortran-ға аударды және бұл кітапхана Клив Молер және тағы басқалардың күшімен LINPACK және EISPACK-қа дейін кеңейтілді. Энергия үшін материалдар: Аргонн ғалымдары қажетті материалдық қасиеттерге қол жеткізу үшін жеке атомдар мен молекулаларды қайда және қалай орналастыру керектігін болжау, түсіну және бақылау үшін жұмыс істейді. Басқа инновациялардың қатарында, Аргонн ғалымдары жүрек ұстамасынан зардап шеккендердің мүшелерін салқындату үшін мұз суспензиясын жасауға көмектесті, алмастың нанодеңгейде сырғанақ болатын қасиеттерін сипаттады және электр тогының ағынына кез келген бұрынғы материалдан гөрі толық қарсы тұратын супероқшаулағыш материалды ашты. Электр энергиясын сақтау: Аргонн электрлік көліктік технологиялар үшін аккумуляторларды және жел немесе күн сияқты үздіріссіз энергия көздері үшін желілік сақтау жүйелерін, сондай-ақ осы материалдық талаптарға жауап беретін өндіріс процестерін әзірлейді. Зертхана 50 жылдан бері аккумулятор материалдарын зерттеу және дамытумен айналысып келеді. Соңғы 10 жылда зертхана литий-иондық аккумуляторларға баса назар аударды және 2009 жылдың қыркүйегінде олардың мүмкіндіктерін зерттеу және жақсарту бойынша бастама жариялады. Аргонн тәуелсіз аккумуляторды сынау орталығын да ұстап тұрады, ол үкіметтік және жеке сектордан алынған аккумулятор үлгілерін уақыт өте келе және ыстық пен суық жағдайларда қаншалықты жақсы жұмыс істейтінін тексеру үшін сынақтан өткізеді. Баламалы энергия және тиімділік: Аргонн қазіргі қозғалтқыштарға арналған химиялық және биологиялық отындарды, сондай-ақ болашақ қозғалтқыш технологиялары үшін жақсартылған жану схемаларын әзірлейді. Зертхана отынды үнемдеудің ең жақсы тәжірибелерін де ұсынады; мысалы, зерттеуде жүк көліктеріне қозғалтқышты бос жүрісте қалдырудың орнына қосалқы кабиналық жылытқыштарды орнату ұсынылды. Сонымен қатар, күн энергиясын зерттеу бағдарламасы күн отыны және күн электр құрылғылары мен жүйелеріне назар аударады, олар көміртекті энергия көздерімен салыстырғанда кеңейтілген және экономикалық бәсекеге қабілетті. Аргонн ғалымдары сонымен қатар коммуналдық қызметтер мен үйлер арасындағы қуат ағынын модельдеу және интерфейстердің технологиясын зерттеу арқылы «ақылды желі» үшін ең жақсы тәжірибелерді зерттейді. Ядролық энергия: Аргонн ядролық энергияны қауіпсіз және тұрақты түрде өндіруге мүмкіндік беретін озық реактор және отын циклы технологияларын жасайды. Аргонн ғалымдары болашақ ұрпақ ядролық реакторларының есептеу модельдерін және реактор симуляцияларын әзірлейді және растайды. Тағы бір жоба пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеудің жолдарын зерттейді, осылайша қалдықтар 90%-ға дейін азаяды. Биологиялық және қоршаған орта жүйелері: Климаттың өзгеруінің жергілікті әсерін түсіну үшін қоршаған орта мен адам қызметі арасындағы өзара әрекеттестікті интеграциялау қажет. Аргонн ғалымдары осы қарым-қатынастарды молекуладан организмге, экожүйеге дейін зерттейді. Бағдарламаларға биоремедиация, жер асты суларынан ластаушы заттарды шығаратын ағаштар; қатерлі ісіктерді ертерек анықтау үшін биочиптер; нанобөлшектерді пайдалана отырып, қатерлі ісік жасушаларын нысанаға алу жобасы; топырақ метагеномикасы; және атмосфералық сәуле өлшеуі үшін пайдаланушы орталығы кіреді. Ұлттық қауіпсіздік: Аргонн бұқаралық бұзылу немесе жойылу қаупі бар оқиғаларды болдырмауға және жеңілдетуге арналған қауіпсіздік технологияларын әзірлейді. Бұған химиялық, биологиялық, ядролық және жарылғыш заттарды анықтауға мүмкіндік беретін сенсорлар, әуежайларда рентген сәулелерінен гөрі қауіпті материалдарды оңай анықтайтын портативті Терагерц сәулелері («Т сәулесі») машиналары және метроға шығарылған химиялық заттардың мүмкін болатын жолдарын іздеу және модельдеу кіреді.

Пайдаланушылар үшін құрылғылар

Аргонн ғылыми нысандарды салады және күтіп ұстайды, оларды салу және пайдалану бір компанияның немесе университеттің күшіне шамасы жетпейтіндей қымбат. Бұл нысандар Аргонн ғалымдары, жеке сектор, академиялық орта, басқа ұлттық зертханалар және халықаралық ғылыми ұйымдар қолданады. Advanced Photon Source (APS): Батыс жарты шарындағы ең күшті рентген сәулелерін шығаратын ұлттық синхротрон рентген зерттеу орталығы. Наноөлшектік материалдар орталығы (CNM): нанотехнология және наноматериалдарды зерттеуге арналған инфрақұрылым мен құралдарды ұсынатын, APS-те орналасқан пайдаланушыларға арналған орталық. CNM – АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасының Наноғылым зерттеу орталықтарының бірі. Аргонн Тандем Линак үдеткіш жүйесі (ATLAS): ATLAS – Кулон тосқанылының шамасындағы энергиядағы ауыр иондарды үдетуге арналған әлемдегі алғашқы суперөткізгіш бөлшектер үдеткіші. Бұл энергия саласы материяның ядросы, материяның өзегі және жұлдыздардың отынының қасиеттерін зерттеуге қолайлы. Аргонн көшбасшылық есептеу орталығы (ALCF): ғылым мен инженерия саласындағы жаңа жаңалықтарға қол жеткізу үшін ғылыми қауымдастыққа суперкомпьютерлік ресурстарды ұсынатын Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасына қарасты пайдаланушылар орталығы.

Орталықтар

Энергиялық су жүйелері үшін алдыңғы қатарлы материалдар орталығы (АМЭВС) – АҚШ Энергетика министрлігінің қолдауымен құрылған Энергиялық шекаралық зерттеу орталығы. Аргонн ұлттық зертханасының жетекшілігімен, Чикаго университеті мен Солтүстік-Батыс университетінің серіктестігімен AMEWS суды қолдану, өңдеу және тазарту жүйелерін құрайтын материалдардың арасындағы мәселелерді шешуге жұмыстеді. Электрондық микроскопия орталығы (ЭМО): электрондық сәулемен микросипаттама жасауға арналған DOE қолдауымен жұмыс істейтін үш ғылыми пайдаланушы мекемесінің бірі. ЭМО трансформациялар мен ақау процестерін, иондық сәулемен өңдеуді және сәулеленудің әсерін, жоғары өткізгіштік материалдарды, пьезоэлектрлік материалдарды және интерфейстерді зерттейді. Оның үдегішпен байланыстырылған орташа кернеулі электрондық микроскопы АҚШ-тағы осындай жүйенің жалғыз мысалы болып табылады. Биология орталығы (БО): БО – макромолекулалық кристаллографияға маманданған, Рентген сәулелерінің алдыңғы қатарлы фотондық көзінен тыс орналасқан пайдаланушы мекемесі. Пайдаланушылар инъекциялық құрылғыға, иілу магниттеріне және биохимиялық зертханаға қол жеткізе алады. БО сәуле желілері көбінесе ақуыздардың кристалдық құрылымын анықтау үшін қолданылады; бұрын пайдаланушылар антракс, менингит қоздырғыштары, сальмонелла және басқа да патогенді бактериялардың ақуыздарын зерттеген. Желілік оңтайландыру жүйесі (ЖОЖ) сервері – бизнес, ғылым және инженерия салаларындағы кең ауқымды қолданыстар үшін проблемаларды шешуге арналған алғашқы желілік орта. Оған бүтін сандық бағдарламалау, сызықтық емес оңтайландыру, сызықтық бағдарламалау, стохастикалық бағдарламалау және қосымша проблемалар бойынша соңғы құралдар кіреді. Көптеген ЖОЖ шешімдері AMPL модельдеу тіліндегі деректерді қабылдайды. Энергияны сақтауды зерттеу жөніндегі бірлескен орталық (ЭСЖО) – Аргонн ұлттық зертханасында орналасқан бірнеше ұлттық зертханалардың, академиялық мекемелердің және өнеркәсіптік серіктестердің консорциумы. ЭСЖО-ның миссиясы – белгілі бір қолданыс үшін барлық көрсеткіштерге сай келетін келесі буын батареяларын жасауға мүмкіндік беретін трансформациялық материалдарды жобалау және құру. Орталық Батыс Есептеу Материалдарының Біріктірілген Орталығы (ОБЕМО) зертханада орналасқан. ОБЕМО энергияны түрлендіру процестері үшін функционалдық материалдардың қасиеттерін модельдеу және болжау үшін өзара үйлесімді ашық бастапқы кодты бағдарламалық қамтамасыз етуді, деректерді және тексеру процедураларын әзірлейді және таратуға жұмыстейді. ReCell орталығы – Аргонн ұлттық зертханасының жетекшілігімен жұмыс істейтін өнеркәсіп, академиялық және ұлттық зертханалардың ұлттық ынтымақтастығы, батареяның өмірлік циклының барлық кезеңінде қайта өңдеу технологияларын жетілдіруге бағытталған. Орталықтың мақсаты литий-иондық және болашақ батарея химиясы үшін өнеркәсіп қолдана алатын экономикалық және экологиялық тұрғыдан тиімді қайта өңдеу процестерін әзірлеу арқылы тұрақты, озық батареяны қайта өңдеу индустриясын дамыту болып табылады.

Білім беру және қоғамдық көмек

Аргонн 16 жасқа толған барлық адамдарды ғылыми және инженерлік кешендері мен аумағына экскурсияға шақырады. 16 жасқа дейінгі балалар үшін Аргонн К1–12 сыныптарына арналған тәжірибелік оқу шараларын ұсынады. Зертхана сонымен қатар айналасындағы мектептер үшін білім беру мақсатындағы ғылым мен инженерия бойынша іс-шаралар ұйымдастырады. Аргонн ғалымдары мен инженерлері әр жыл сайын 1000-ге жуық жоғары оқу орнының студенттері мен докторанттардың білімін жетілдіруге, ғылыми-зерттеу және дамыту жұмыстарының аясында қатысады.

Медиада

1996 жылы түсірілген "Тілсіз тікелей реакция" фильмінің маңызды бөлімдері Zero Gradient Synchrotron сақиналық бөлмесінде және бұрынғы үздіксіз толқынды дейтерий демонстрациялық зертханасында түсірілді.