Ок-Ридж Ұлттық Лабораториясы: АҚШ-тың ғылыми орталығы

Кіріспе

Теннесси штатындағы зертхана, АҚШ

Оук Ридж ұлттық зертханасы (ORNL) – АҚШ-тың Теннесси штатындағы Оук Ридж қаласында орналасқан, федералды қаржыландырылатын ғылыми-зерттеу және даму орталығы. 1943 жылы құрылған зертхананы қазір АҚШ Энергетика министрлігі демеушілік етеді және UT–Battelle, LLC басқарады. 1943 жылы құрылған ORNL – Энергетика департаменті жүйесіндегі ең ірі ғылыми және энергетикалық ұлттық зертхана, сондай-ақ жылдық бюджеті бойынша үшінші орында тұр. Ол Оук Ридждің Роан округі аймағында орналасқан. Оның ғылыми бағдарламалары материалдар, ядролық ғылым, нейтрондық ғылым, энергия, жоғары өнімді есептеулер, экологиялық ғылым, жүйелік биология және ұлттық қауіпсіздік салаларын қамтиды, кейде Теннесси штаты, университеттер және басқа да индустриялармен бірлесіп жұмыс істейді. ORNL-де әлемдегі ең қуатты суперкомпьютерлердің бірі – Frontier бар, ол TOP500 рейтингі бойынша әлемдегі ең қуатты суперкомпьютер ретінде танылған. Зертхана – нейтронды және ядролық энергияны зерттеудегі жетекші мекеме, оған Спалляциялық нейтронды көз, жоғары ағынды изотоп реакторы және Нанофазалық материалдар ғылымдары орталығы кіреді.

Шолу

Оук Ридж ұлттық зертханасын Теннесси университеті мен Бэттелл мемориалдық институты арасындағы жауапкершілігі шектеулі серіктестік UT–Battelle басқарады, ол 2000 жылы осы мақсатта құрылған. Жылдық бюджет 2,4 миллиард АҚШ долларын құрайды. 2021 жылғы мәліметтер бойынша ORNL-де 5700 қызметкер жұмыс істейді, олардың шамамен 2000-ы ғалымдар мен инженерлер, ал жыл сайын қосымша 3200 қонақ зерттеуші келеді. Энергетика министрлігінің Оук Ридж резервациясында бес кампус орналасқан: Ұлттық зертхана, Y 12 Ұлттық қауіпсіздік кешені, Шығыс Теннесси технологиялық паркі (бұрынғы Оук Ридж газды диффузия зауыты), Оук Ридж ғылым және білім беру институты және дамып келе жатқан Оук Ридж ғылым және технология паркі. Алайда, қалған төрт нысан Ұлттық зертханамен байланысты емес. Резервацияның жалпы ауданы 150 шаршы километрді құрайды, ал зертхана 18 шаршы километрді алып жатыр.

Тарих

1934 жылы Фриль фермасы үйіндісі – археологиялық орын және Кейінгі ормандар кезеңінің обасы қазылып алынды. Қазіргі уақытта бұл орын Мелтон-Хилл көлінің суымен жабылып қалған. Оук Ридж қаласы 1942 жылы Армия инженерлер корпусы тарапынан Манхэттен жобасының бір бөлігі ретінде, оқшауланған шаруашылық жерлерде құрылды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде үкімет үшін жүргізілген озық зерттеулерді Чикаго университетінің металлургиялық зертханасы басқарды. 1943 жылы Клинтон зертханасының құрылысы аяқталды, ол кейін Оук Ридж Ұлттық зертханасы (ORNL) деп аталды. Бұл орын табиғи ураннан плутоний өндіруге арналған X-10 графит реакторы үшін таңдалды. Энрико Ферми және оның әріптестері Фермидің бұрынғы тәжірибесі – Чикагодағы 1-ші қаптамадан кейін әлемдегі екінші өздігінен қолдауға ие ядролық реакторды жасады. X-10 үздіксіз жұмыс істеуге арналған алғашқы реактор болды. Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін, зертхана басқаруы АҚШ үкіметімен Монсанто компаниясымен шарт жасалды, бірақ олар 1947 жылы бас тартты. Чикаго университеті уақытша жауапкершілікті қайта алды, ал орын "Ұлттық" зертхана мәртебесін алды, 1947 жылдың желтоқсанына дейін, Оук Ридждегі тағы екі нысанды басқарған Union Carbide and Carbon Co. зертхананы өз бақылауына алып, орынды Оук Ридж Ұлттық зертханасы (ORNL) деп атады. Соғыстан кейін әскери ғылымға деген сұраныс күрт төмендеді және зертхананың болашағы белгісіз болды. X-10 реакторы және зертхананың 1000 қызметкері енді ядролық қаруларға қатыспады. Реакторларды American Locomotive Company өндірді және олар Гренландияда, Панама каналы аймағында және Антарктидада қолданылды. Отын қорыту тәжірибелері сәтті болғаннан кейін, ол 1973 жылы кеңейтіліп, ORMAK II деп аталды, бірақ тәжірибелер ақырында термоядролық электр станцияларын құруға әкелмеді. 2019 жылдың қаңтар айында ORNL Pu-238 өндірісін автоматтандыру қабілеті бойынша маңызды табысқа жеткенін хабарлады, бұл жылдық өндірісті 50 граммнан 400 граммға дейін арттыруға көмектесті, соның арқасында 2025 жылға қарай НАСА-ның ғарыш зерттеу бағдарламаларын жалғастыру үшін қажетті 1,5 килограммдық мақсатына жақындады.

In 1934 the Freel Farm Mound Site, an archaeological site and burial mound of the Late Woodland period was excavated. The site is currently inundated by Melton Hill Lake. The city of Oak Ridge was established by the Army Corps of Engineers as part of the Clinton Engineer Works in 1942 on isolated farm land as part of the Manhattan Project. During World War II, advanced research for the government was managed at the site by the University of Chicago's Metallurgical Laboratory. In 1943, construction of the Clinton Laboratories, what would later be known as the Oak Ridge National Laboratory, was completed. The site was chosen for the X 10 Graphite Reactor, used to produce plutonium from natural uranium. Enrico Fermi and his colleagues developed the world's second self sustaining nuclear reactor after Fermi's previous experiment, the Chicago Pile 1. The X 10 was the first reactor designed for continuous operation. After the end of World War II, management of the lab was contracted by the US government to Monsanto; however, they withdrew in 1947. The University of Chicago temporarily re assumed responsibility, with the site receiving the prestigious "National" laboratory designation, until in December 1947, when Union Carbide and Carbon Co., which already operated two other facilities at Oak Ridge, took control of the laboratory and renamed the site Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Post war, the demand for military science had fallen dramatically, and the future of the lab was uncertain. The X 10 reactor and the laboratory's 1,000 employees were no longer involved in nuclear weapons. The reactors were produced by the American Locomotive Company and used in Greenland, the Panama Canal Zone, and Antarctica. After the success of the fusion experiments, it was enlarged and renamed ORMAK II in 1973; however, the experiments ultimately failed to lead to fusion power plants. In January 2019 ORNL announced a major breakthrough in its capacity to automate Pu 238 production which helped push annual production from 50 grams to 400 grams, moving closer to NASA's goal of 1.5 kilograms per year by 2025 in order to sustain its space exploration programs.

Зерттеу салалары

ORNL ғылыми-зерттеу және әзірлеме жұмыстарын жүргізеді, олар ғылыми пәндердің кең ауқымын қамтиды. Көптеген зерттеу салалары бір-бірімен маңызды байланысқа ие; зерттеушілер көбінесе осы тізімдегі екі немесе одан көп салаларда жұмыс істейді. Зертхананың негізгі зерттеу салалары төменде қысқаша сипатталған. Химия ғылымдары: ORNL көптеген салалардағы фундаменталды және қолданбалы зерттеулерді жүргізеді, оның ішінде катализ, беттік ғылым және интерфейстік химия; молекулалық трансформациялар және отын химиясы; ауыр элементтер химиясы және радиоактивті материалдарды сипаттау; сулы ерітінді химиясы және геохимиясы; массалық спектрометрия және лазерлік спектроскопия; бөліп алу химиясы; полимерлер және басқа да жұмсақ материалдарды синтездеу және сипаттауды қоса алғанда, материалдар химиясы; химиялық биоғылымдар; және нейтрондық ғылымдар. Электрондық микроскопия: Бағдарлама конденсирленген заттар, материалдар, химия және наноғылымдар саласындағы маңызды мәселелерді зерттейді. Ядролық медицина: Зерттеулер медициналық радиоизотоптарды қамтамасыз ету үшін реакторлық өндіріс және өңдеу әдістерін жақсартуға, жаңа радионуклидтік генераторлар жүйелерін дамытуға, ядролық медицина және онкологияда қолдану үшін жаңа радиофармацевтикалық препараттарды жобалауға және бағалауға бағытталған. Физика: Зерттеулер негізінен материяның атомдық, ядролық және субядролық деңгейдегі негізгі қасиеттерін зерттеуге және осы зерттеулерді қолдау үшін тәжірибелік құрылғыларды әзірлеуге бағытталған. Халық саны: ORNL федералдық, мемлекеттік және халықаралық ұйымдарға Landscan деп аталатын, қоршаған ортадағы халықты бағалауға арналған торлы халық деректер базасын ұсынады. LandScan – бұл халық санының растрлық суреті немесе торы, ол әр 30x30 доға секунд сайын адам санының бағалауын ұсынады, бұл экватордағы 1 шаршы километрлік терезелер немесе тор ұяшықтары үшін халық санының бағалауына жуық, ал ұяшық ені жоғары ендіктерде азаяды. Көптеген халық туралы деректер жиынтығы болғанымен, LandScan – жыл сайын жаңартылатын ең жақсы кеңістіктік халық деректер жиынтығы. Landscan деректеріне GIS қосымшалары және USAID-дің Population Explorer деп аталатын ашық қолжетімді қосымшасы арқылы қол жеткізуге болады.

ORNL conducts research and development activities that span a wide range of scientific disciplines. Many research areas have a significant overlap with each other; researchers often work in two or more of the fields listed here. The laboratory's major research areas are described briefly below. Chemical sciences: ORNL conducts both fundamental and applied research in numerous areas, including catalysis, surface science and interfacial chemistry; molecular transformations and fuel chemistry; heavy element chemistry and radioactive materials characterization; aqueous solution chemistry and geochemistry; mass spectrometry and laser spectroscopy; separations chemistry; materials chemistry including synthesis and characterization of polymers and other soft materials; chemical biosciences; and neutron science. Electron microscopy: the program investigates key issues in condensed matter, materials, chemical and nanosciences. Nuclear medicine: research is focused on the development of improved reactor production and processing methods to provide medical radioisotopes, the development of new radionuclide generator systems, the design and evaluation of new radiopharmaceuticals for applications in nuclear medicine, and oncology. Physics: research is focused primarily on studies of the fundamental properties of matter at the atomic, nuclear, and subnuclear levels and the development of experimental devices in support of these studies. Population: ORNL provides federal, state and international organizations with a gridded population database, called Landscan, for estimating ambient population. LandScan is a raster image, or grid, of population counts, which provides human population estimates every 30 x 30 arc seconds, which translates roughly to population estimates for 1 kilometer square windows or grid cells at the Equator, with cell width decreasing at higher latitudes. Though many population datasets exist, LandScan is the best spatial population dataset, updated annually. Landscan data are accessible through GIS applications and a USAID public domain application called Population Explorer.

Энергия

Зертхананың энергия зерттеулерінде ұзақ тарихы бар; 1945 жылы Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан бері ядролық реакторлар бойынша тәжірибелер жүргізілуде. Реакторлардың және жоғары өнімді есептеу ресурстарының болуы ядролық реакторлардың тиімділігін арттыруға басымдық беруге мүмкіндік береді. Бағдарламалар тиімді материалдарды, ескірген реакторлардың ядросының, сенсорлар мен басқару жүйелерінің, сондай-ақ реттеуші органдарға арналған қауіпсіздік процедураларының дәл симуляцияларын әзірлейді. Зерттеудің үш негізгі бағыты бар: электр энергиясы, өндіріс және көшкілділік. Электр энергиясы бөлімі электр энергиясын тұтынуды азайтуға және өндіріс үшін баламалы көздерді табуға бағытталған. 2012 жылғы мәліметтер бойынша, АҚШ-тың электр энергиясы тұтынуының 39% құрайтын ғимараттар зерттеудің маңызды саласы болып табылады, себебі бағдарламаның мақсаты қолжетімді, көміртегі нейтралды үйлерді құру. Сонымен қатар, жоғары тиімділікке ие күн панельдері, геотермальдық электр энергиясы мен жылу, төмен құнмен өндірілетін жел генераторлары, сондай-ақ потенциалды су электр станцияларының экономикалық және экологиялық тиімділігі зерттеледі. Қосымша энергия бөлімі қысқа мерзімді мақсаттарға жету үшін жоғары температуралы суперөткізгіштер, жоғары жылдамдықты сутегі пеллет инжекторлары және болашақ синтез зерттеулеріне қолайлы материалдар сияқты компоненттерді әзірлеуді көздейді. Плазманың мінез-құлқы мен күйін сақтау бойынша көптеген зерттеулер синтездік энергия бөлімінде жүргізіледі, бұл плазма физикасын түсінуге, синтездік электр станциясын дамыту үшін маңызды саланы зерттеуге көмектеседі. АҚШ-тың ITER жобасына үлесі 9,1% құрайды, бұл келісімшарт аясында 1,6 миллиард АҚШ долларынан асып түсуі күтілуде. ORNL зерттеушілері 2022 жылы АҚШ-тың ITER ынтымақтастығы үшін кең ауқымды зерттеу жоспарын әзірлеуге қатысты.

Биология

Биологиялық зерттеулер экология, орман шаруашылығы, геномика, есептеу биологиясы, құрылымдық биология және биоинформатиканы қамтиды. Биоэнергия бағдарламасы АҚШ-тың энергия қауіпсіздігін арттыру мақсатында биоотын өндірісінің барлық кезеңдерінің тиімділігін жақсартуға бағытталған. Бағдарламаның мақсаты – қолданылатын әлеуетті биомассаны генетикалық тұрғыдан жетілдіру, әртүрлі отын түрлерін қабылдай алатын мұнай өңдеу зауыттары үшін әдістемелер жасау, сондай-ақ электр станцияларына және соңғы тұтынушыларға энергия беру тиімділігін арттыру. Молекулалық биофизика орталығы биологиялық молекулалардың түрлі жағдайлардағы мінез-құлқына зерттеу жүргізеді. Орталықта биоотын өндіру үшін жасуша қабырғаларын зерттейтін, белоктардың бүктелуін талдау үшін нейтронды шашыратуды пайдаланатын және катализдің әсерін классикалық және кванттық деңгейде модельдеуді жүзеге асыратын жобалар іске асырылуда. ORNL жанында орналасқан Ұлттық экологиялық бақылау желісінің (NEON) далалық станциясына ие. Энергетика департаменті Теннесси штатының жабайы табиғат ресурстарын басқару агенттігімен тығыз байланысқан күйде, NEON-ның аймақтық шеңберіндегі Аппалач таулары мен Камберленд платосының ормандық экосистемасын бақылайды. HFIR 1965 жылы іске қосылды және одан бері материалдарды зерттеу және медициналық радиоизотоптардың маңызды көзі ретінде қолданылып келеді. 2013 жылғы мәліметтер бойынша, HFIR түрлі жаңартулардың нәтижесінде әлемдегі ең жоғары тұрақты нейтрондық ағынды қамтамасыз етеді. HFIR реакторлық қысым ыдысы қауіпсіз емес деп танылғанша, шамамен 2060 жылға дейін жұмыс істейді деп күтілуде. SNS адам жасаған нейтрондық көздердің ішінде ең жоғары интенсивті нейтрондық импульстарға ие. SNS 2006 жылы пайдалануға берілді және содан бері 1 мегаваттқа дейін жаңартылды, ал қуатын 3 МВт-қа дейін арттыру жоспарлануда. Жоғары қуатты нейтрондық импульстар нысаналардың ашық суреттерін алуға мүмкіндік береді, бұл кішкентай үлгілерді талдауға және дәл нәтижелер алу үшін импульстардың азын қолдануға болады дегенді білдіреді.

Материалдар

2002 және 2008 жылдар аралығында ORNL компаниясы Caterpillar Inc. компаниясымен серіктестік құрып, олардың дизельдік қозғалтқыштары үшін үлкен температура өзгерістеріне төтеп бере алатын жаңа материал жасады. CF8C Plus деп аталған жаңа болат, манган мен азот қосылған дәстүрлі CF8C тот баспайтын болат негізінде жасалған; нәтижесінде, жоғары температурадағы қасиеттері жақсартылып, ұқсас құнмен құю оңайлайды. Нанофазалық материалдар ғылымдары орталығы (CNMS) наноматериалдардың қасиеттерін және жасалу жолдарын зерттейді. Орталық жаңа материалдарды табуға және наноматериалдар жасауға мүмкіндік беретін физикалық және химиялық өзара әрекеттесулерді түсінуге ерекше мән береді. 2012 жылы CNMS литий сульфидті аккумуляторын жасады, оның теориялық энергия тығыздығы қазіргі литий-иондық аккумуляторларға қарағанда үш-бес есе артық.

Қауіпсіздік

ORNL АҚШ-тың Ішкі қауіпсіздік департаментіне және басқа қорғаныс бағдарламаларына ресурстар ұсынады. Жаһандық қауіпсіздік және ядролық қаруды таратпау (GS&N) бағдарламасы ядролық материалдардың таралуын болдырмау үшін АҚШ-та және халықаралық деңгейде саясатты әзірлейді және іске асырады. Бағдарлама ядролық қару-жарақтарды қорғау шараларын, қару-жарақтарды жою жөніндегі нұсқауларды, ядролық материалдар рұқсатсыз тұлғалардың қолына тиген жағдайдағы іс-қимыл жоспарларын, ұрланған немесе жоғалған ядролық материалдарды анықтау тәсілдерін, сондай-ақ АҚШ пен Ресей арасындағы ядролық материалдар саудасын әзірледі.

Жоғары өнімділіктегі есептеу

ORNL әр түрлі суперкомпьютерлерге орталық болды және бірнеше рет ең жылдам машинаға ие болды. 1953 жылы ORNL Аргонн ұлттық зертханасымен бірлесіп, ядролық физика, химия, биология және инженерияны зерттеуге арналған ORACLE (Ок Ридж автоматты компьютері және логикалық машинасы) компьютерін құрды. ORACLE-дың жады 2048 сөзді (80 Кибит) құрады және бүтін сандарды қосу немесе көбейтуге шамамен 590 микросекунд жұмсады. 1995 жылы ORNL 154 гигафлопс өнімділік көрсеткен және суперкомпьютерлердің TOP500 тізімінде үшінші орын алған Intel Paragon XP/S 150 деп аталатын Intel Paragon негізіндегі компьютерді сатып алды. 2005 жылы Jaguar құрылысы аяқталды, бұл Cray XT3 негізіндегі жүйе 25 терафлопс өнімділік көрсетті және 2009 жылы 2.3 петафлопс өнімділікке жеткен XT5 платформасына дейін жаңартылды. 2009 жылдың қарашасынан 2010 жылдың қарашасына дейін ол әлемдегі ең жылдам машина деп танылды. 2018 жылы Oak Ridge National Laboratory үшін Summit құрылысы аяқталды, ол 122.3 петафлопс көрсеткішін берді. 2020 жылдың маусым айына қарай Summit 202 752 процессорлық ядросы, 27 648 Nvidia Tesla GPU және 250 петабайт сақтау сыйымдылығымен әлемдегі екінші ең жылдам суперкомпьютер болды, бірақ бірінші орынды жапондық Fugaku суперкомпьютеріне жоғалтты. 2022 жылдың мамырында ORNL Frontier жүйесі экзаскалалық шекараны бұзып, 8,730,112 ядроны пайдалана отырып, 1.102 экзафлопс/с-қа жетті. 1992 жылдан бері Есептеу ғылымдары орталығы ORNL-дегі жоғары өнімді есептеулерді қадағалайды. Ол машиналарды қамтитын Oak Ridge Leadership Computing Facility басқарады. 2012 жылы Jaguar XK7 платформасына жаңартылды, бұл GPU-лар өңдеудің басым бөлігі үшін қолданылатын маңызды өзгеріс болды және ол Titan деп қайта аталды. Titan 17.59 петафлопс өнімділік көрсетті және 2012 жылдың қараша айындағы TOP500 тізімінде бірінші орынды иеленді. Басқа компьютерлердің қатарында ғылым мен технологияны зерттеу үшін зерттеулік визуализациялау ортасында (EVEREST) үлкен машиналардың шығаратын деректерін визуализациялауға арналған 77 түйінді кластер бар, бұл 35 мегапиксельдік проекцияларды көрсететін 10 x 3 метр (30 x 10 фут) қабырғасы бар визуализациялау бөлмесі. Smoky – қолданбаларды әзірлеу үшін қолданылатын 80 түйінді Linux кластері. Зерттеу жобалары Titan сияқты үлкен машиналарда іске қосылмас бұрын Smoky-де тестіленіп, жақсартылады. 1989 жылы Oak Ridge National Lab бағдарламашылары әртүрлі ерекшеліктері бар машиналарда үлестірілген есептеуді жүзеге асыратын Параллель виртуалды машинасының (PVM) алғашқы нұсқасын жазды. PVM – ақысыз бағдарламалық қамтамасыз ету және ол үлестірілген есептеудің де-факто стандарты болып табылады. ORNL және Теннесси университетінің Джек Донгарра LINPACK бағдарламалық кітапханасын және LINPACK бенчмарктарын жасады, олар сызықтық алгебраны есептеу үшін және TOP500 ұйымы қолданатын суперкомпьютердің қалқыңқы нүктелік өнімділігін өлшеудің стандартты әдісі ретінде қолданылады.

ORNL has been the site of various supercomputers, home to the fastest on several occasions. In 1953, ORNL partnered with the Argonne National Laboratory to build ORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine), a computer to research nuclear physics, chemistry, biology, and engineering. ORACLE had 2048 words (80 Kibit) of memory and took approximately 590 microseconds to perform addition or multiplication of integers. In 1995 ORNL bought an Intel Paragon based computer called the Intel Paragon XP/S 150 that performed at 154 gigaFLOPS and ranked third on the TOP500 list of supercomputers. In 2005 Jaguar was built, a Cray XT3 based system that performed at 25 teraFLOPS and received incremental upgrades up to the XT5 platform that performed at 2.3 petaFLOPS in 2009. It was recognised as the world's fastest from November 2009 until November 2010. Summit was built for Oak Ridge National Laboratory during 2018, which benchmarked at 122.3 petaFLOPS. As of June 2020, Summit was the world's second fastest [clocked] supercomputer with 202,752 CPU cores, 27,648 Nvidia Tesla GPUs, and 250 Petabytes of storage, having lost the top position to the Japanese Fugaku supercomputer. In May 2022, the ORNL Frontier system broke the exascale barrier, achieving 1.102 exaflop/s using 8,730,112 cores. Since 1992 the Center for Computational Sciences has overseen high performance computing at ORNL. It manages the Oak Ridge Leadership Computing Facility that contains the machines. In 2012, Jaguar was upgraded to the XK7 platform, a fundamental change as GPUs are used for the majority of processing, and renamed Titan. Titan performed at 17.59 petaFLOPS and held the number 1 spot on the TOP500 list for November 2012. Other computers include a 77 node cluster to visualise data that the larger machines output in the Exploratory Visualization Environment for Research in Science and Technology (EVEREST), a visualisation room with a 10 by 3 metre (30 by 10 ft) wall that displays 35 megapixel projections. Smoky is an 80 node linux cluster used for application development. Research projects are refined and tested on Smoky before running on larger machines such as Titan. In 1989 programmers at the Oak Ridge National Lab wrote the first version of Parallel Virtual Machine (PVM), software that enables distributed computing on machines of differing specifications. PVM is free software and has become the de facto standard for distributed computing. Jack Dongarra of ORNL and the University of Tennessee wrote the LINPACK software library and LINPACK benchmarks, used to calculate linear algebra and the standard method of measuring floating point performance of a supercomputer as used by the TOP500 organisation.