Аргоннская национальная лаборатория: История и исследования

Введение

Американская научно-инженерная исследовательская лаборатория в штате Иллинойс

Аргоннская национальная лаборатория — это федеральный центр исследований и разработок, расположенный в Лемонте, штат Иллинойс, США. Основанная в 1946 году, лаборатория принадлежит Министерству энергетики США и управляется компанией UChicago Argonne LLC Чикагского университета. Это крупнейшая национальная лаборатория на Среднем Западе. Начало деятельности Аргоннской лаборатории было положено Металлургической лабораторией Чикагского университета, созданной, в частности, для проведения работ Энрико Ферми над ядерными реакторами в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны. После войны, 1 июля 1946 года, она была объявлена первой национальной лабораторией в Соединенных Штатах. В первые десятилетия лаборатория являлась центром мирного использования ядерной физики; почти все действующие коммерческие атомные электростанции в мире берут начало в исследованиях, проведенных в Аргонне. Более 1000 ученых проводят исследования в лаборатории в таких областях, как хранение энергии и возобновляемые источники энергии; фундаментальные исследования в области физики, химии и материаловедения; экологическая устойчивость; суперкомпьютерные технологии и национальная безопасность. Ранее Аргонн управлял небольшим учреждением под названием Аргоннская национальная лаборатория — Запад (или просто Аргонн-Запад) в штате Айдахо, рядом с Национальной инженерно-экологической лабораторией Айдахо. В 2005 году обе лаборатории, расположенные в Айдахо, объединились в Национальную лабораторию Айдахо. Аргонн является частью расширяющегося Иллинойсского технологического и исследовательского коридора.

Обзор

В Аргоне, как заявила лаборатория в 2022 году, пять основных направлений деятельности: научные открытия в области физических и естественных наук; исследования в области энергетики и климата; укрепление глобальной безопасности для защиты общества; эксплуатация исследовательских установок, поддерживающих тысячи ученых и инженеров со всего мира; и развитие кадрового потенциала в области науки и технологий.

Происхождение

Аргонн начала свою деятельность в 1942 году как Металлургическая лаборатория, являвшаяся частью Манхэттенского проекта при Чикагском университете. Эта лаборатория построила Чикагский реактор-1, первый в мире ядерный реактор, под трибунами спортивного стадиона Чикагского университета. В 1943 году реактор-1 был реконструирован в реактор-2, в Аргоннском лесу – лесном заповеднике недалеко от Чикаго. Лабораторные комплексы, построенные там, стали известны как площадка А. 1 июля 1946 года площадка А «Металлургической лаборатории» была официально преобразована в Аргоннскую национальную лабораторию для проведения «кооперативных исследований в области нуклеоники». По запросу Комиссии по атомной энергии США, лаборатория приступила к разработке ядерных реакторов для мирной ядерной энергетической программы страны. В конце 1940-х и начале 1950-х годов лаборатория переехала на запад, в более крупный комплекс в неинкорпорированном округе Дюпейдж, и создала удалённый филиал в Айдахо, получивший название «Аргонн-Уэст», для проведения дальнейших ядерных исследований.

Ранние исследования

Первые усилия лаборатории были сосредоточены на разработке конструкций и материалов для получения электроэнергии из ядерных реакций. Лаборатория спроектировала и построила Чикагский Стог-3 (1944), первый в мире реактор, замедленный тяжелой водой, и Экспериментальный реактор-I (Чикагский Стог-4) в Айдахо, который в 1951 году осветил цепочку из четырех лампочек, используя первую в мире электроэнергию, полученную в результате ядерной реакции. Реактор электростанции BWR, который сейчас является вторым по популярности типом реакторов в мире, был разработан на основе экспериментов BORAX. Знания, полученные в ходе экспериментов в Аргоннской лаборатории, стали основой для разработки большинства коммерческих реакторов, используемых во всем мире для производства электроэнергии, и используются при разработке современных перспективных реакторов с жидким металлом для будущих электростанций. Параллельно лаборатория помогала в проектировании реактора для первой в мире атомной подводной лодки, U.S.S. Nautilus, которая прошла более 513 550 морских миль (951 090 км) и заложила основу для ядерного флота США. Однако не все ядерные технологии были направлены на разработку реакторов. В 1957 году, разрабатывая сканер для топливных элементов реактора, физик из Аргоннской лаборатории Уильям Нельсон Бек поместил свою руку в сканер и получил одно из первых ультразвуковых изображений человеческого тела. Дистанционные манипуляторы, предназначенные для работы с радиоактивными материалами, послужили основой для создания более сложных машин, используемых для очистки загрязненных территорий, герметичных лабораторий или пещер. Помимо ядерных исследований, лаборатория проводила фундаментальные исследования в области физики и химии. В 1955 году химики из Аргоннской лаборатории совместно открыли элементы эйнштейний и фермий, элементы 99 и 100 в периодической таблице.

1960 - 1995 годы

В 1962 году химики из Аргоннской национальной лаборатории создали первое соединение инертного благородного газа ксенона, открыв новую область исследований в области химической связи. В 1963 году они обнаружили гидратированный электрон. Аргоннская лаборатория была выбрана площадкой для синхротрона с нулевым градиентом на 12,5 ГэВ – ускорителя протонов, открытого в 1963 году. Пузырьковая камера позволила ученым отслеживать траектории субатомных частиц, движущихся внутри камеры; позднее они впервые наблюдали нейтрино в пузырьковой камере с водородом. В 1964 году был запущен реактор "Янус" для изучения влияния нейтронного излучения на живые организмы, результаты исследований использовались для разработки норм безопасного облучения для работников атомных электростанций, лабораторий и больниц. Ученые из Аргоннской лаборатории разработали метод анализа поверхности Луны с использованием альфа-излучения, который был отправлен на борту аппарата Surveyor 5 в 1967 году, а затем использовался для анализа лунных образцов, доставленных миссией "Аполлон-11". В 1978 году система ускорения Argonne Tandem Linac (ATLAS) стала первым в мире сверхпроводящим ускорителем для частиц, тяжелее электрона. К ядерно-инженерным экспериментам того времени относились Экспериментальный реактор с кипящей водой – предшественник многих современных атомных электростанций, и Экспериментальный реактор-размножитель II (EBR II), который охлаждался натрием и включал в себя установку для переработки отработанного топлива. Позднее EBR II был модифицирован для испытания других конструкций реакторов, включая реактор на быстрых нейтронах и, в 1982 году, концепцию интегрального реактора на быстрых нейтронах – революционную конструкцию, способную перерабатывать собственное топливо, уменьшать количество радиоактивных отходов и успешно выдерживать испытания, имитирующие аварии, произошедшие на Чернобыльской АЭС и на АЭС "Три-Майл-Айленд". Однако в 1994 году Конгресс США прекратил финансирование большинства ядерных программ Аргоннской лаборатории. Лаборатория переориентировалась на другие области исследований, используя накопленный опыт в физике, химии и металлургии. В 1987 году лаборатория впервые успешно продемонстрировала передовой метод ускорения частиц, известный как ускорение в плазменном поле, позволяющий достигать высоких энергий на значительно меньших расстояниях, чем в традиционных ускорителях. Также была развита сильная программа исследований в области аккумуляторных батарей. По инициативе тогдашнего директора Алана Шризхайма лаборатория была выбрана площадкой для строительства Advanced Photon Source – крупномасштабного рентгеновского комплекса, завершенного в 1995 году и на момент постройки генерировавшего самые мощные рентгеновские лучи в мире.

In 1962, Argonne chemists produced the first compound of the inert noble gas xenon, opening up a new field of chemical bonding research. In 1963, they discovered the hydrated electron. Argonne was chosen as the site of the 12.5 GeV Zero Gradient Synchrotron, a proton accelerator that opened in 1963. A bubble chamber allowed scientists to track the motions of subatomic particles as they zipped through the chamber; they later observed the neutrino in a hydrogen bubble chamber for the first time. In 1964, the "Janus" reactor opened to study the effects of neutron radiation on biological life, providing research for guidelines on safe exposure levels for workers at power plants, laboratories and hospitals. Scientists at Argonne pioneered a technique to analyze the Moon's surface using alpha radiation, which launched aboard the Surveyor 5 in 1967 and later analyzed lunar samples from the Apollo 11 mission. In 1978, the Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) opened as the world's first superconducting accelerator for projectiles heavier than the electron. Nuclear engineering experiments during this time included the Experimental Boiling Water Reactor, the forerunner of many modern nuclear plants, and Experimental Breeder Reactor II (EBR II), which was sodium cooled, and included a fuel recycling facility. EBR II was later modified to test other reactor designs, including a fast neutron reactor and, in 1982, the Integral Fast Reactor concept—a revolutionary design that reprocessed its own fuel, reduced its atomic waste and withstood safety tests of the same failures that triggered the Chernobyl and Three Mile Island disasters. In 1994, however, the U. S. Congress terminated funding for the bulk of Argonne's nuclear programs. Argonne moved to specialize in other areas, while capitalizing on its experience in physics, chemical sciences and metallurgy. In 1987, the laboratory was the first to successfully demonstrate a pioneering technique called plasma wakefield acceleration, which accelerates particles in much shorter distances than conventional accelerators. It also cultivated a strong battery research program. Following a major push by then director Alan Schriesheim, the laboratory was chosen as the site of the Advanced Photon Source, a major X ray facility which was completed in 1995 and produced the brightest X rays in the world at the time of its construction.

С 1995 года

Лаборатория продолжала развиваться как центр энергетических исследований, а также как площадка для научных установок, слишком крупных для размещения в университетах. В начале 2000-х годов был основан Argonne Leadership Computing Facility, который разместил несколько суперкомпьютеров, некоторые из которых в момент создания входили в число десяти самых мощных в мире. Лаборатория также построила Центр наноматериалов для проведения исследований материалов на атомном уровне и значительно расширила свои программы по исследованию батарей и квантовым технологиям. В марте 2019 года газета Chicago Tribune сообщила, что лаборатория строит самый мощный в мире суперкомпьютер, стоимостью 500 миллионов долларов, с вычислительной мощностью в 1 квинтиллион FLOPS. Его применение будет включать анализ звезд и совершенствование энергосистем.

Инициативы

Наука о жестком рентгеновском излучении: в Аргоне находится один из крупнейших в мире источников света высокой энергии – Усовершенствованный источник фотонов (APS). Каждый год ученые делают тысячи открытий, используя APS для характеристики как органических, так и неорганических материалов и даже процессов, таких как распыление топлива в форсунках двигателей внутреннего сгорания. Лидерство в вычислительной технике: Argonne поддерживает один из самых быстрых компьютеров для научных исследований в открытом доступе и разработал системное программное обеспечение для этих мощных машин. Argonne работает над развитием вычислительной техники лидерского класса от петаскале до экзаскале, разрабатывает новые коды и вычислительные среды, а также расширяет вычислительные возможности для решения научных задач. Например, в октябре 2009 года лаборатория объявила о начале совместного проекта по изучению облачных вычислений для научных целей. В 1970-х годах в Argonne программы численного линейного алгебры Numerische Mathematik были переведены с ALGOL на Fortran, и эта библиотека была расширена до LINPACK и EISPACK усилиями Клева Молера и других. Материалы для энергетики: ученые Argonne работают над прогнозированием, пониманием и контролем размещения отдельных атомов и молекул для достижения желаемых свойств материалов. Среди прочего, ученые Argonne помогли разработать ледяную суспензию для охлаждения органов пациентов, перенесших сердечный приступ, объяснили, почему алмазы скользкие на наноуровне, и открыли сверхизолирующий материал, обладающий более высоким сопротивлением прохождению электрического тока, чем любой другой известный материал. Хранение электрической энергии: Argonne разрабатывает аккумуляторы для электротранспорта и систем накопления энергии для нестабильных источников, таких как ветер или солнечная энергия, а также производственные процессы, необходимые для этих ресурсоемких систем. Лаборатория занимается исследованиями и разработкой передовых аккумуляторных материалов уже более 50 лет. В последние 10 лет основное внимание уделялось литий-ионным аккумуляторам, и в сентябре 2009 года была объявлена инициатива по изучению и улучшению их характеристик. Argonne также поддерживает независимую лабораторию для тестирования аккумуляторов, которая оценивает образцы аккумуляторов, предоставленные государственными и частными организациями, для определения их производительности с течением времени и при воздействии высоких и низких температур. Альтернативная энергетика и повышение эффективности: Argonne разрабатывает химическое и биологическое топливо, адаптированное для современных двигателей, а также улучшенные схемы сгорания для будущих двигательных технологий. Лаборатория также рекомендует лучшие практики для экономии топлива, например, установку вспомогательных отопителей в кабинах грузовиков вместо работы двигателя на холостом ходу. Исследовательская программа в области солнечной энергетики сосредоточена на солнечном топливе и солнечных электрических устройствах и системах, которые могут быть масштабированы и конкурировать по стоимости с ископаемыми источниками энергии. Ученые Argonne также изучают лучшие практики для интеллектуальных сетей, моделируя потоки энергии между энергоснабжающими организациями и потребителями, а также исследуя технологии интерфейсов. Ядерная энергетика: Argonne разрабатывает передовые технологии реакторов и топливного цикла, обеспечивающие безопасное и устойчивое производство ядерной энергии. Ученые Argonne разрабатывают и проверяют вычислительные модели и симуляции реакторов нового поколения. Другой проект посвящен разработке методов переработки отработавшего ядерного топлива для сокращения объема отходов до 90%. Биологические и экологические системы: понимание локального воздействия изменения климата требует интеграции взаимодействия между окружающей средой и деятельностью человека. Ученые Argonne изучают эти взаимосвязи на уровнях от молекулы до организма и экосистемы. Программы включают биоремедиацию с использованием деревьев для удаления загрязняющих веществ из грунтовых вод, биочипы для раннего выявления рака, проект по воздействию на раковые клетки с использованием наночастиц, метагеномику почвы и пользовательский центр для проекта исследования изменения климата по измерению атмосферного излучения. Национальная безопасность: Argonne разрабатывает технологии безопасности, предназначенные для предотвращения и смягчения последствий событий, способных вызвать массовые разрушения. К ним относятся датчики для обнаружения химических, биологических, ядерных и взрывчатых веществ, портативные установки терагерцового излучения ("Т-лучи"), которые более эффективно обнаруживают опасные материалы в аэропортах, чем рентгеновские аппараты, а также моделирование и отслеживание возможных путей распространения химических веществ, выпущенных, например, в метро.

Hard X ray Sciences: Argonne is home to one of the world's largest high energy light sources: the Advanced Photon Source (APS). Each year, scientists make thousands of discoveries while using the APS to characterize both organic and inorganic materials and even processes, such as how vehicle fuel injectors spray gasoline in engines. Leadership Computing: Argonne maintains one of the fastest computers for open science and has developed system software for these massive machines. Argonne works to drive the evolution of leadership computing from petascale to exascale, develop new codes and computing environments, and expand computational efforts to help solve scientific challenges. For example, in October 2009, the laboratory announced that it would be embarking on a joint project to explore cloud computing for scientific purposes. In the 1970s Argonne translated the Numerische Mathematik numerical linear algebra programs from ALGOL to Fortran and this library was expanded into LINPACK and EISPACK, by Cleve Moler, et al. Materials for Energy: Argonne scientists work to predict, understand, and control where and how to place individual atoms and molecules to achieve desired material properties. Among other innovations, Argonne scientists helped develop an ice slurry to cool the organs of heart attack victims, described what makes diamonds slippery at the nanoscale level, and discovered a superinsulating material that resists the flow of electric current more completely than any other previous material. Electrical Energy Storage: Argonne develops batteries for electric transportation technology and grid storage for intermittent energy sources like wind or solar, as well as the manufacturing processes needed for these materials intensive systems. The laboratory has been working on advanced battery materials research and development for over 50 years. In the past 10 years, the laboratory has focused on lithium ion batteries, and in September 2009, it announced an initiative to explore and improve their capabilities. Argonne also maintains an independent battery testing facility, which tests sample batteries from both government and private industry to see how well they perform over time and under heat and cold stresses. Alternative Energy and Efficiency: Argonne develops both chemical and biological fuels tailored for current engines as well as improved combustion schemes for future engine technologies. The laboratory has also recommended best practices for conserving fuel; for example, a study that recommended installing auxiliary cab heaters for trucks in lieu of idling the engine. Meanwhile, the solar energy research program focuses on solar fuel and solar electric devices and systems that are scalable and economically competitive with fossil energy sources. Argonne scientists also explore best practices for a smart grid, both by modeling power flow between utilities and homes and by researching the technology for interfaces. Nuclear Energy: Argonne generates advanced reactor and fuel cycle technologies that enable the safe, sustainable generation of nuclear power. Argonne scientists develop and validate computational models and reactor simulations of future generation nuclear reactors. Another project studies how to reprocess spent nuclear fuel, so that waste is reduced up to 90%. Biological and Environmental Systems: Understanding the local effect of climate change requires integration of the interactions between the environment and human activities. Argonne scientists study these relationships from molecule to organism to ecosystem. Programs include bioremediation using trees to pull pollutants out of groundwater; biochips to detect cancers earlier; a project to target cancerous cells using nanoparticles; soil metagenomics; and a user facility for the Atmospheric Radiation Measurementclimate change research project. National Security: Argonne develops security technologies that will prevent and mitigate events with potential for mass disruption or destruction. These include sensors that can detect chemical, biological, nuclear and explosive materials; portable Terahertz radiation ("T ray") machines that detect dangerous materials more easily than X rays at airports; and tracking and modeling the possible paths of chemicals released into a subway.

Удобства пользователей

Аргонн строит и обслуживает научные установки, которые были бы слишком дороги для создания и эксплуатации одной компанией или университетом. Этими установками пользуются ученые из Аргонна, частного сектора, академических кругов, других национальных лабораторий и международных научных организаций. Advanced Photon Source (APS): национальная синхротронная установка для исследований с использованием рентгеновского излучения, производящая самые мощные рентгеновские пучки в Западном полушарии. Центр наноматериалов (CNM): пользовательская установка, расположенная при APS, предоставляющая инфраструктуру и инструменты для изучения нанотехнологий и наноматериалов. CNM является одним из пяти Научно-исследовательских центров наномасштаба Управления науки Министерства энергетики США. Система тандемного линейного ускорителя Аргонна (ATLAS): ATLAS – первый в мире сверхпроводящий ускоритель частиц для тяжелых ионов с энергиями вблизи кулоновского барьера. Этот диапазон энергий оптимален для изучения свойств ядра, основы материи и топлива звезд. Argonne Leadership Computing Facility (ALCF): пользовательская установка Управления науки Министерства энергетики США, предоставляющая вычислительные ресурсы суперкомпьютеров исследовательскому сообществу для достижения прорывов в науке и инженерии.

Центры

Центр передовых материалов для энергетических и водных систем (AMEWS) — это исследовательский центр энергетического рубежа, финансируемый Министерством энергетики США. Возглавляемый Национальной лабораторией Аргонн и включающий Чикагский университет и Северо-Западный университет в качестве партнеров, AMEWS работает над решением задач, возникающих на стыке воды и материалов, составляющих системы, предназначенные для обработки, переработки и очистки воды. Центр электронной микроскопии (EMC): один из трех научно-пользовательских объектов, поддерживаемых Министерством энергетики для микрохарактеризации с использованием электронного луча. В ЭМК проводятся исследования in situ процессов трансформации и дефектов, модификации ионным пучком и эффектов облучения, сверхпроводников, ферроэлектриков и интерфейсов. Его электронный микроскоп среднего напряжения, соединенный с ускорителем, является единственной в своем роде системой в Соединенных Штатах. Центр биологии (SBC): SBC — это научно-пользовательский объект, расположенный рядом с рентгеновским комплексом «Усовершенствованный источник фотонов», специализирующийся на макромолекулярной кристаллографии. Пользователи имеют доступ к вставному устройству, отклоняющему магниту и биохимической лаборатории. Линии SBC часто используются для определения кристаллической структуры белков; ранее пользователи исследовали белки, полученные из возбудителя сибирской язвы, бактерий, вызывающих менингит, сальмонелл и других патогенных бактерий. Сетевая система оптимизации (NEOS) — это первая сетевая среда решения задач для широкого спектра приложений в бизнесе, науке и инженерии. Включает в себя современные решатели для целочисленного программирования, нелинейной оптимизации, линейного программирования, стохастического программирования и задач о комплементарности. Большинство решателей NEOS принимают входные данные на языке моделирования AMPL. Совместный центр исследований в области хранения энергии (JCESR) — это консорциум нескольких национальных лабораторий, академических учреждений и промышленных партнеров, базирующийся в Национальной лаборатории Аргонн. Миссия JCESR заключается в разработке и создании революционных материалов, позволяющих создавать аккумуляторы нового поколения, отвечающие всем требованиям к производительности для конкретного применения. Штаб-квартира Среднезападного интегрированного центра вычислительных материалов (MICCoM) находится в лаборатории. MICCoM разрабатывает и распространяет совместимое программное обеспечение с открытым исходным кодом, данные и процедуры валидации для моделирования и прогнозирования свойств функциональных материалов для процессов преобразования энергии. Центр ReCell — это национальное сотрудничество между промышленностью, научными кругами и национальными лабораториями, возглавляемое Национальной лабораторией Аргонн, работающее над продвижением технологий переработки на протяжении всего жизненного цикла батареи. Центр стремится развивать устойчивую передовую индустрию переработки аккумуляторов путем разработки экономически эффективных и экологически безопасных процессов переработки, которые могут быть внедрены в промышленности для литий-ионных и будущих аккумуляторных технологий.

The Advanced Materials for Energy Water Systems (AMEWS) Center is an Energy Frontier Research Center sponsored by the U. S. Department of Energy. Led by Argonne National Laboratory and including the University of Chicago and Northwestern University as partners, AMEWS works to solve the challenges that exist at the interface of water and the materials that make up the systems that handle, process and treat water. Electron Microscopy Center (EMC): one of three DOE supported scientific user facilities for electron beam microcharacterization. The EMC conducts in situ studies of transformations and defect processes, ion beam modification and irradiation effects, superconductors, ferroelectrics and interfaces. Its intermediate voltage electron microscope, which is coupled with an accelerator, represents the only such system in the United States. Biology Center (SBC): The SBC is a user facility located off the Advanced Photon Source X ray facility, which specializes in macromolecular crystallography. Users have access to an insertion device, a bending magnet, and a biochemistry laboratory. SBC beamlines are often used to map out the crystal structures of proteins; in the past, users have imaged proteins from anthrax, meningitis causing bacteria, salmonella, and other pathogenic bacteria. The Network Enabled Optimization System (NEOS) Server is the first network enabled problem solving environment for a wide class of applications in business, science, and engineering. Included are state of the art solvers in integer programming, nonlinear optimization, linear programming, stochastic programming, and complementarity problems. Most NEOS solvers accept input in the AMPL modeling language. The Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) is a consortium of several national laboratories, academic institutions, and industrial partners based at Argonne National Laboratory. The mission of JCESR is to design and build transformative materials enabling next generation batteries that satisfy all the performance metrics for a given application. The Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) is headquartered at the laboratory. MICCoM develops and disseminates interoperable open source software, data, and validation procedures to simulate and predict properties of functional materials for energy conversion processes. The ReCell Center is a national collaboration of industry, academia and national laboratories, led by Argonne National Laboratory, working to advance recycling technologies along the entire battery life cycle. The center aims to grow a sustainable advanced battery recycling industry by developing economic and environmentally sound recycling processes that can be adopted by industry for lithium ion and future battery chemistries.

Образование и общественная деятельность

Аргоннская национальная лаборатория приглашает всех желающих старше 16 лет на экскурсии по научным и инженерным объектам и территории лаборатории. Для детей младше 16 лет Аргонн предлагает практические занятия, разработанные для школьных экскурсий с 1 по 12 класс. Лаборатория также проводит образовательные научные и инженерные мероприятия для школ в близлежащих районах. Ученые и инженеры Аргонна ежегодно участвуют в обучении около 1000 студентов магистратуры и постдокторантов в рамках своей научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности.

В СМИ

Значительные части фильма "Цепная реакция" 1996 года были сняты в кольцевой комнате синхротрона с нулевым градиентом и в бывшей лаборатории демонстратора дейтерия непрерывного действия.